摘要

针对稠油水环输送管线因水环失稳破坏需重新启动的问题，基于自行研发设计的室内小型再启动环道模拟实验装置，以旅大油田四种普通稠油为研究对象，实验研究了稠油水环输送管道停输后以恒定水流量重新启动时，其再启动压降随时间的变化规律，讨论了持油率、油品黏度、停输时间及恒定水流速度对再启动压降的影响，应用IBM SPSS软件对正交再启动实验结果进行回归分析，建立再启动压降多元非线性回归模型，并通过192组实验数据验证其预测可靠性。实验结果表明：再启动压降随时间的变化可划分为压降衰减和压降恒定两个阶段；再启动压降与持油率、油品黏度、停输时间及恒定水流速度都呈正相关关系，但持油率与恒定水流速度的影响最显著；再启动压降的模型预测值与实验测量值吻合较好，其相对误差均在±10%范围以内。

随着石油资源需求的持续增长和常规原油的日益匮乏，世界原油资源的供应开始从轻质油向重质油转变，储量富足的稠油势必在未来几十年全球能源市场中扮演重要角色。但稠油因具有黏度高、密度大、流动性差等特殊性质，给其开采、储运及加工带来极大困难与挑战。现阶段，稠油的管道输送主要通过三种途径来实现：一是降黏，二是减阻，三是油品升级。降黏指降低原油的黏度，可采用的方法包括加热（预加热稠油或加热管线）、稀释（向稠油中掺混比其黏度低的稀释剂）、乳化（向稠油中添加表面活性剂以形成水包油型乳状液）等；减阻指减小稠油与管壁之间的摩擦阻力，可采取的措施包括添加减阻剂和形成低黏液环包裹高黏油核的环状流动结构；油品升级指在油井现场对稠油进行改质，生产黏度较小，API度（比重指数）较大，沥青质、重金属及硫含量较低的合成原油。其中，低黏液环法特别是水环输送法因其低能耗、对环境友好等突出特点被全球相关领域学者广泛关注，其被视为最有前途的稠油输送方法之一。

目前，国内外学者在稠油水环输送领域开展了大量的理论分析、实验研究和数值模拟工作，但都主要致力于研究正常运行工况下的稠油水环输送问题，如水环发生器及其辅助部件的优化设计、稠油水环输送的润滑减阻机理、稠油-水环状流的流型特征与压降特性、稠油-水环状流流动稳定性的强化措施等，而对因计划检修或意外事故停输及停输后的再启动难题少有关注。为此，本文以旅大油田四种普通稠油和自来水为研究对象，自主设计研制稠油水环输送停输再启动模拟实验系统，模拟研究再启动过程压降随时间的变化规律，分析持油率、油品黏度、停输时间及恒定水流速度对再启动最大压降的影响，并基于正交再启动实验，建立再启动最大压降的多元非线性回归模型。研究结果可为现场停输管线制定合理的再启动方案，有效规避安全风险提供理论支撑。

1.材料与方法

1.1材料

选取渤海海域旅大油田具有代表性的四种普通稠油（编号LD1、LD2、LD3和LD4）作为实验油样，开展稠油水环输送管道停输再启动实验。采用比重瓶法，测定20℃时的LD1、LD2、LD3和LD4密度分别为902kg/m³、913kg/m³、921kg/m³和936kg/m³。利用HAAKE Viscotester iQ Air流变仪，测试旅大稠油在20~70℃范围内的流变特性及黏温特性如图1所示。由此可见，旅大稠油在测试温度范围内都表现出牛顿流体特性，其黏度随温度升高呈先急剧降低后趋于平缓的变化趋势，测得20℃时的LD1、LD2、LD3和LD4黏度分别为1.0553Pa·s、2.038Pa·s、2.55Pa·s和3.02Pa·s。实验用水来自成都自来水供应厂，其20℃时的密度与黏度分别为998.2kg/m³和1.005mPa·s。

1.2 实验装置

本文自主研发设计了一套室内小型稠油水环输送停输再启动环道实验装置，其流程图及实物图如图2所示。该装置主要由油水供给系统、管路测试系统、吹扫系统及数据采集系统等组成，其可实现稠油-水两相在管道内流动、停输及再启动整个过程的可视化模拟。

油水供给系统包括油路和水路两部分，其作用是向管路中供给实验所需的油相与水相。油路主要包括50L储油罐、高温渣油泵、涡轮流量计、阀门等部件；水路主要包括50L储水罐、立式不锈钢多级离心泵、电磁流量计、阀门等部件。管路测试系统主要由自制水环发生器、测试管段、100L混合液分离罐、阀门等组成。整套装置管线总长约为15m，管道内径为25mm，所用材质为硬质聚氯乙烯塑料（UPVC）。其中，测试管段长度为0.9m，其两端装有引压孔，连接差压变送器测试该段流体压降。吹扫系统主要由活塞式空气压缩机、储气罐、调压阀等部件构成，其功用是每组实验结束后对管路中的残液进行吹扫，以利于后续实验中压降的准确测量。数据采集系统由测量仪表、数据采集器、数据接收器和计算机四部分组成，用于实时自动采集、显示和存储压力、流量及温度等参数。实验所采用的主要仪器设备见表1。

1.3 实验方法

1.3.1 实验流程

在开展稠油水环输送管道的停输及再启动实验前，首先需要形成相对稳定的油水环状流流型。依据Bannwart提出的环状流动结构稳定存在的条件及准则，本实验设定油相表观流速U_os为0.74m/s，水相表观流速U_ws分别为0.17m/s、0.28m/s、0.44m/s、0.65m/s、0.97m/s和1.43m/s，相应的入口含油率C_o分别为0.81、0.73、0.63、0.53、0.43和0.34。油水环状流的形成、停输及再启动实验均在20℃室温下进行，其中再启动实验采用恒定水流推挤静止流体的方式，具体步骤如下：首先，开启水路阀门和水泵；其次，开启油路阀门和油泵；接着，通过变频器或旁通阀调节油水流量至设定值，生成稳定的油水环状流；随后，同时关闭油泵、水泵及相应阀门，将油水两相拦截在实验管路内并静置一段时间；最后，重新开启水路阀门和水泵，以恒定水流量推挤管内静置分层的油水两相流体，使其重新恢复流动。重复上述实验步骤，探究不同持油率（H_o=0.26、0.35、0.45、0.55、0.66、0.76）、油品黏度（μ_o=1.0553Pa·s、2.038Pa·s、2.55Pa·s、3.02Pa·s）、停输时间（t_st=0.5h、1h）和恒定水流速度（U_cl=0.25m/s、0.53m/s、0.72m/s、1.01m/s）对管道停输再启动行为特性的影响。

1.3.2 不确定度分析

为评价稠油水环输送管道停输再启动实验中温度、压差及流量等直接测得量的准确度和可信度，引入B类标准不确定度u_B来衡量，其计算如式(1)所示。

由表1可知，温度变送器和差压变送器的计量精度分别为0.1%和0.25%，涡轮流量计和电磁流量计的精度等级均为0.5级；实验所用数据采集系统的精度为0.2%，则由式(1)可得温度、压差及流量的不确定度分别为0.320%、0.224%和0.539%。

1.4数据处理方法

为检验稠油水环输送管道停输再启动压降多元非线性回归模型的准确性和可靠性，以再启动压降实测值Δp_max作为真值，与再启动压降预测值Δp^'_max进行比较。因此，引入稠油水环输送管道停输再启动压降预测相对误差δ_Δp，其计算如式(2)所示。