稠油掺稀输送中混合油黏度与最优掺稀比研究

王武杰，刘晓亮，曹 禹，王延博

1.西安石油大学，陕西西安 710065

2.陕西延长石油股份有限公司，陕西延安 716000

稠油掺稀输送中混合油黏度与最优掺稀比研究

王武杰1，刘晓亮1，曹 禹1，王延博2

1.西安石油大学，陕西西安 710065

2.陕西延长石油股份有限公司，陕西延安 716000

稠油掺稀油输送技术是油田实现减阻增输的重要方法。为了降低稠油管道输送过程中的能量损失，以管道输送的水头损失作为优化目标，通过对比混合油黏度计算模型，建立了水头损失与质量掺稀比关系的数学模型，并以某管道为例进行了计算分析。结果表明：稠油掺稀油是非常有效的降黏方式，可大幅降低稠油黏度；Cragoe修正模型能较好预测掺稀油后混合油黏度；随着质量掺稀比的增加，水头损失先减小之后出现小幅增加；利用Cragoe修正模型和水头损失的计算方法及稠油与稀油的物性参数，可对最优质量掺稀比进行计算分析。

稠油；质量掺稀比；混油黏度；水头损失

近年来，随着世界经济的发展以及能源的日趋紧张，储量丰富的稠油资源得到了人们的重视，如何有效开采并利用稠油资源成为国内外所关注的问题。我国沥青质、胶质含量较高的稠油产量约占原油总产量的7%[1]，这些稠油黏度高、密度大、流动性差，给其开采和集输带来了很大的困难，因此降低稠油黏度、改善稠油流动性是解决稠油开采、集输和利用问题的关键[2]。目前常见的降黏方法有加热法、掺稀油法、稠油改质降黏法等[3]。稀释输送就是往稠油中加入低黏油稀释，降低稠油的黏度和凝固点，该方法由于技术可行、操作简单、成本低廉在油田现场得到了广泛应用。

随着质量掺稀比的增加，混合油黏度将减小，但是掺入稀油后的管道输量也将增加。在一条已建成管道中，在保证管道输量不变的情况下，只减小管输流体黏度将减小管道的水头损失；在保证管输流体黏度不变情况下，只增加管道输量又将增加管道的水头损失，故而增加动力费用。确定最优质量掺稀比对于实现减阻增输、降低输送成本至关重要。

本文以管输中实现最小水头损失为优化目标，通过对比混合油黏度计算模型，选择误差较小的混合油黏度计算模型以确保混合油黏度计算结果的准确性，然后建立水头损失与质量掺稀比的数学模型，最终再分析计算结果并给出最优掺稀比。

1 模型的建立

1.1 混合油黏度计算

关于混合原油黏度的计算，目前还没有比较完全的理论，同时由于混合油复杂的流变性，使其混合后的黏度计算更加复杂[4]。表1对比了常见的五种混合油黏度计算模型。

表1 混合油黏度计算模型对比

表1各式中：μm为混合油动力黏度，mPa·s；Pi为掺入第i种组分油的质量比；μi为掺入的第i种组分油的动力黏度，mPa·s；α为经验常数；X1为稠油的质量比例；X2为稀油的质量比例；μ1为稠油动力黏度，mPa·s；μ2为稀油动力黏度，mPa·s；ρ1为稠油密度，kg/m3；ρ2为稀油密度，kg/m3；qi为混合油中各组分油的质量比或体积比；μ1/2为质量比为1：1的混合油黏度，mPa·s。

根据文献[5]的实验数据，计算并对比了各模型结果，见表2。

普遍认为双对数模型具有较高的精度和较广的适用范围[6-7]，同时对比发现Cragoe模型及其修正模型同样具有较高的精度。

Cragoe修正模型不仅适用于低黏度比系统，对于高黏度比（大于1000）的稠油系统也适用。而稠油与掺入稀油的黏度比值一般都大于1000，其适用范围较广，所以本文中选用Cragoe修正模型计算混合油黏度。

1.2 管道水力计算

（1）沿程摩阻损失的确定：

根据文献[8]和文献[9]，同时考虑到输油管道多处于层流区和紊流的水力光滑区，摩阻损失的计算公式如表3所示。

表2 不同混合油黏度模型计算结果

表3 不同流态时水头损失计算公式

表3各式中：Re为雷诺数；Hl为沿程摩阻损失，m；Q为管输流量，m3/s；v为管输流体的运动黏度，m2/s；d为管道内直径，m；L为管道长度，m；ε为管道的相对粗糙度，无量纲。

（2）流量的确定：

式中：P为质量掺稀比，无量纲。

（3）Cragoe修正模型用于计算混合油黏度。模型表达式如表1中所示。

（4）雷诺数Re计算：

式中：V为管输流速，m/s。

2 实例分析

案例中输油管道的基本数据如下：管道任务输量为300万t/a，输送温度50℃，管道长度1 000 m，选用螺旋焊缝钢管，管规格为D325mm×7mm，管输稠油50℃时的密度为950 kg/m3，动力黏度为8 760MPa·s；所掺稀油50℃时密度为870 kg/m3，动力黏度为17.2MPa·s。由于两种油品密度相差不大，取混合油密度为910 kg/m3，并假设在输送过程中油品温度保持不变。

Cragoe修正模型黏度计算结果见表4。

表4 Cragoe修正模型黏度计算值与误差

Cragoe修正模型的平均相对误差为4.95%，计算混合油黏度的精度较高。

管输掺稀油的水力计算结果如表5所示。

表5 管输掺稀油的水力计算结果

混合原油动力黏度随掺稀比的变化曲线如图1所示。从图1可以看出，稠油中掺入稀油后，稠油的黏度一直降低。当质量掺稀比较小时，随着掺稀量的增加黏度急剧减小，之后随着质量掺稀比的增大，混合油黏度降低的幅度减小；当掺稀比增加到一定程度以后，混合原油黏度接近于稀油黏度。可以看出，稀油对稠油的降黏效果显著，加入20%稀油后，稠油黏度就降低了80%以上。

水头损失随掺稀比的变化曲线如图2所示。

图1 管输混合原油黏度随掺稀量变化曲线

图2 管路水头损失随掺稀比变化曲线

从图2可以看出，稠油中掺入稀油后，由于混合原油的黏度减小，水头损失也在减小，并且其变化趋势与黏度的变化趋势相似。掺稀比较小时水头损失快速降低，随着掺稀比的增加，水头损失的降低幅度减小；当质量掺稀比达到0.41时，水头损失达到最小；当质量掺稀比达到0.42时，管道流态由层流区转变为水力光滑区，水头损失有所增加；在质量掺稀比大于0.42的范围内，管道流态一直处于水力光滑区，水头损失有减小的趋势，但变化幅度不大。主要是因为随着流态的转变，黏度对水头损失的影响减弱，随着质量掺稀比的增加，黏度变化的幅度越来越小，而质量掺稀比每增加0.1，流量增加的幅度也越来越小，虽然随着流态的转变，流量对水头损失的影响增强，但最终在两者共同作用下使得水头损失在掺稀比增加到一定程度时水头损失变化幅度不大，从而使得掺稀减阻的效果越来越不明显。

3 结论

为准确计算水头损失，对比了常见的五种混合油黏度计算模型，选择计算精度较高的Cragoe修正模型来计算管道掺稀后混合油黏度。通过实例计算发现：

（1）稠油中掺入稀油后，稠油黏度一直降低，且稀油对稠油的降黏效果明显，当质量掺稀比达到0.2时，混合油黏度降低为稠油黏度的15%，降幅达80%以上。

（2）稠油中掺入稀油后，当质量掺稀比较小时，由于混合原油的黏度减小，水头损失也在减小，存在最小水头损失；随着质量掺稀比的继续增加，掺稀减阻的效果越来越不明显，存在最优质量掺稀比。

（3）利用Cragoe修正模型和水头损失的计算方法，可对最优质量掺稀比进行计算分析。

[1]崔波，石文平，戴树高，等.高黏度稠油开采方法的现状与研究进展[J].石油化工技术经济，2000，16（6）：5-10.

[2]孙慧，张付生.稠油化学降黏研究进展[J].精细与专用化妆品，2008，13（23）：16-20.

[3]尉小明，刘喜林，王卫东，等.稠油降黏方法概述[J].精细石油化工，2002，23（5）：45-48.

[4]孟庆萍.混合原油黏度计算模型[J].油气储运，2007，26（10）：22-24.

[5]陈永遂，马化甫.对稠油中掺入稀油后混合黏度计算公式的探讨[J].油田地面工程，1983，2（4）：1-8.

[6]刘天佑，徐诚.稠油稀释后黏度的计算方法及其改进[J].油气储运，1992，11（2）：56-60.

[7]王婷，阳绪斌，张衡，等.稠油掺稀后混油黏度计算方法的研究[J].管道技术与设备，2012（1）：18-19.

[8]蒋华义.输油管道设计与管理[M].北京：石油工业出版社，2010.

[9]GB 50253-2014，输油管道工程设计规范[S].

Study on viscosity and optimal dilution ratio of mixed oil in heavy oil thinning transportation

WANG Wujie1，LIU Xiaoliang1，CAO Yu1，WANG Yanbo2
1.Xi'an Petroleum University，Xi'an 710065，China
2.ShaanxiYanchang Petroleum Co.，Ltd.，Yan'an 716000，China

Heavy crude oil thinning transportation technology is an important method to increase the throughput and decrease the loss of friction.In order to reduce the energy loss in the heavy oil transportation by pipeline，a mathematical model on the relationship between head loss and mass dilution ratio is established，which takes the head loss as the optimization objective and is based on the comparisons of the mixed oil viscosity calculation models.This model is used for analyzing and calculating a heavy oil pipeline.The results show that mixing heavy oil with light oil is very effective to reduce the viscosity of heavy oil；the modified Cragoe model can better predict the viscosity of mixed oil；with the mass dilution ratio increasing，the head loss reduces first then there is a slight increase.With the modified Cragoe model and the calculation method of the head loss，and considering the properties of heavy oil and light oil，the best mass dilution ratio can be worked out.

heavy oil；mass dilution ratio；viscosity of mixed oil；head loss

王武杰（1988-），男，陕西宝鸡人，2015级西安石油大学石油与天然气工程专业在读硕士，现主要从事油气储运工程相关科研学习工作。Email：1063496326@qq.com

2017-02-20

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.04.009