摘要

        依托流体可视化环道装置，设计并加工稠油掺气减阻模拟装置，实验研究水平管内两种稠油模拟油掺气流动阻力特性，拍摄不同气液流量比下的管流流型，分析不同实验条件下气相对稠油的减阻效果并建立相应的压降预测模型。结果表明：在气液比0～15范围内，共观察到六种流型，分别是泡状流、弹状流、分层流、段塞流、环状流、雾状流。220#与440#模拟油所对应的管路减阻率分别在气液比1.17和0.96时达到最大值48.19%和33.76%，当掺气比为0.9～1.2时，减阻率均可维持在20%以上。其机理可归结为空气使油-油接触转变为油-气-油接触，降低了混合相的层间剪切应力。Dukler法不适用于高黏气液两相流，所建立的稠油-气两相压降模型预测值与实测值吻合良好，平均相对误差在20%以内。

        随着常规原油的不断消耗，开发非常规原油逐渐成为人们关注的焦点。稠油作为一种储量巨大的非常规原油，对油气行业颇具吸引力，但高密度和高黏度特性使其在生产和输送过程面临巨大挑战。由于黏度是衡量稠油流动性的重要指标，因此采用何种方式才能经济、安全、有效地降低其表观黏度是当今油气工作者研究的重要课题之一。目前，提高稠油流动性的常规方法较多，且在油田现场应用广泛、成熟，虽然这些方法能够有效降低其黏度，但普遍存在不经济、不环保等问题，例如利用加热方式降低原油黏度，改善原油流动性，减少管路摩阻损失，存在能耗高、对低输量工况适应性差、工艺及操作复杂、投资大等问题。加稀释剂或油溶性降黏剂，可使混油中蜡或沥青质浓度降低，沥青质间的相互作用减弱，但其掺稀量大，常因稀油缺乏而难以实施，同时加入大量化学药剂对管道和设备会产生腐蚀，增加维护成本。乳化剂可使稠油均匀分散在水中形成O/W乳状液，从而实现降黏减阻，但此种方法对乳状液稳定性要求较高，不利于油品脱水，后续处理负荷大。针对以上方法的不足，很多学者提出了稠油掺气来降低管输摩阻的新方法，研究表明稠油在适宜的掺气比下可有效降低管输压降，气源既可以是油田伴生气又可以是氮气等惰性气体，此方法具有气源广泛、制备方便、操作灵活、安全环保、分离简单等特点。

        目前，对于气液两相流流型的研究较为深入，被普遍认可的流型划分为泡状流、弹状流、分层流、段塞流、环状流、雾状流。此外，许多学者还针对水平管过渡区的流型变化因素及趋势进行了研究，并提出了流型预测模型。然而，关于高黏度液体在水平管道气液两相流流型的研究却很少，相关研究对稠油是否适用还有待验证。Chawla基于气液两相之间、两相与管壁间的动量交换原理，建立了气液两相压降预测模型，但该模型只适用于低黏液体。Beggs等通过实验研究建立的压降预测模型为气液两相流提供了良好的预测，但该模型随液相黏度升高预测值与实际值偏离较大。Foletti等通过环道实验方法对Petalas与Orell模型分别进行了验证，结果表明在低流速模型预测精度较高，随着流速的升高预测精度逐渐降低。Brito等提出了典型的压降预测模型，并以流型识别方法为基础来预测压力的变化，但该模型同样对高黏度液体的气液两相流压降预测精度不高。由此可见，国内外学者虽然提出了较多的气液两相流压降预测模型，但一般只适用于低黏液体，同时局限性较大，所以适用于稠油这种高黏液体的气液两相流压降模型有待建立。

        故本文拟以两种较为黏稠的白油作为模拟油，设计环道模拟装置，模拟研究稠油掺气在水平管的流型变化规律及管流特性，以探究稠油在掺气条件下的减阻机理，建立适用于稠油的气液两相流压降预测模型。

1.实验材料和方法

1.1材料

        由于普通稠油呈深黑色，不便于观察流型规律。因此，选用220#和440#白油作为模拟稠油，进而开展稠油掺气环道实验，探索气体-稠油的流型变化规律及阻力特性。实验测得220#和440#白油在20℃时密度分别为843.5 kg·m⁻³和870.3 kg·m⁻³，在50℃时黏度分别为108.86 mPa·s和234.06 mPa·s，均属于普通稠油范畴。采用Anton Paar Rheolab QC流变仪测量系统，在0100 s⁻¹剪切速率内，测试220#和440#白油在10～60℃区间内的流变特性和黏温特性，如图1、图2所示。可看出，两种白油在不同温度下的流变曲线均过剪切速率与剪切应力的直角坐标系原点，呈现牛顿流体特性。在测试温度段两种白油黏度均随温度升高而下降，并且在10～60℃下黏度随温度的升高下降明显，这与普通稠油黏温特性极为相似。实验在20℃下进行，以20℃黏度为指标选定普通稠油的模拟油，在20℃下220#和440#白油黏度分别为949、2286mPa·s。

1.2 实验设备

        稠油掺气输送模拟装置主要由油气管路系统、高速摄影系统和数据采集系统组成，如图3所示。实验所用材料为有机玻璃管，管路全长3.7 m，其中测试管段长1.7 m、内径24 mm，采用绝压变动器采集测试段两端压力。

        油路主要包括储油罐、输油泵、涡轮流量计、球阀等，储油罐内白油经LWYC涡轮流量计计量（博声仪表有限公司，大连）后，由YX3-112H-4高温齿轮泵（滨海泵业制造有限公司，泊头）泵送至Y型油气掺混器入口，与气相混合；气路则主要由压缩机、空气储罐、调压阀、玻璃转子流量计等组成，压缩空气经储气罐进入管路至掺混器，通过调压阀控制气体压力，而其流量由LZB-10玻璃转子流量计计量。实验所用高速摄影系统为2F04M型千眼狼高速摄影仪（富煌君达高科信息技术有限公司，合肥），采集周期10000 μs，曝光时间300 μs，保存长度5帧，观察并记录混输管路油气两相流流型。管路油、气流量及测试段绝对压力由CX-DK-PLC-001数据采集系统实时采集。

1.3 实验方法

        基于白油黏度与管径对应的推荐流速，同时根据油泵所能提供最大流量，确定220#和440#白油流量范围分别为20～90 ml·s⁻¹、10～30 ml·s⁻¹，掺气比为0～15。

        首先，采集测试段单相油流在不同流量下的绝对压力。其次，测定掺气条件下的管流绝对压力。实验具体步骤为：①打开油泵，使其流量稳定在测试值；②打开空压机，使气体压力达到0.8 MPa，将气体注入与白油混合，通过调压阀和球阀控制流量；③待流动稳定后采集绝压变送器压力、空气和白油流量等参数；④采用高速摄影仪记录流型变化特征。

1.4 数据处理方法

        为研究测试端差压随稠油黏度和气液比的变化规律，引入稠油-空气稳定流动的相对减阻率Δp，其具体计算式为

        由于受到实验条件及仪器本身的影响，环道装置获取的数据存在不确定性，在实验过程中尽量减小系统误差对减阻率的影响，而对于偶然误差引起的减阻率偏离正常数据变化范围的一些“野点”，通过数据偏离平均方差或者标准方差的程度对其进行剔除。

2. 结果与讨论

2.1单相流阻力特性分析

        由于220#白油和440#白油均属于牛顿流体，因此可根据常规基本水力学方程[式(4)]计算两种模拟油在不同流动条件下的摩擦阻力系数（忽略局部摩阻损失），如图4所示。随着稠油流量的增大，摩擦阻力系数急剧降低，之后趋于平缓，且油的黏度越高，摩擦阻力系数越大。