高含水原油流动沉积实验装置研制

吕朝旭，邢晓凯，柯鲁峰，庞帅，赵亚南



高含水原油流动沉积实验装置研制

吕朝旭1，邢晓凯1，柯鲁峰1，庞帅2，赵亚南1

（1. 中国石油大学(北京) 油气管道输送安全国家工程实验室/城市油气输配技术北京市重点实验室，北京 102249； 2. 中国石油工程建设有限公司 北京设计分公司，北京 100085）

设计并搭建高含水原油实验装置，装置主要包括试验管路、油水分离系统、数据采集系统和电路控制系统。设计出有机玻璃管水浴实验段，以便观测流动形貌和初始沉积过程，基于射流喷射混合器原理完成油水混合装置的设计，使管内流动状态与现场实际相符合。为保证在实验过程中游离水和原油的有效分离，以游离水分离器为基础，设计出适用于高含水原油分离的油水分离器。同时设计出配套数据采集系统和电路控制系统，有效解决了实验数据采集和参数调控的问题。经过实验验证，该实验装置能够较好地适应高含水原油流动沉积研究。

高含水原油；实验装置；初始沉积；油水分离器

随着油田开发的深入，国内大部分油田都已步入开发后期，采出液含水量急剧升高，部分油田甚至处于含水率85%以上的特高含水期，如继续采用常规的加热输送工艺，会造成严重的资源浪费。与此同时，含水量的增加使得采出液流动性得以改善，使得低温集输流动具有了可行性。因此不加热集输工艺逐渐成为各大油田最常采用的集输流程之一。在不加热集输过程中，油水呈分层流动状态，水为连续相，油为分散相，油极易发生挂壁现象，使得管道内摩阻增大，流通面积减少，管内压降增大，严重时甚至会造成管段堵塞，不利于集输的安全进行[1⁃9]。

因此开展高含水条件下原油沉积特性的相关研究显得尤为重要。通过开发高含水原油流动与沉积实验装置，模拟高含水原油流动状况，为高含水原油流动和沉积特性的探究提供了相关的实验平台。对于保证油田安全生产，实现企业的降本增效有着十分重要的意义。

1 实验装置简介

装置系统由离心水泵、齿轮油泵、油管路、水管路及实验段构成的实验管路系统，电路控制系统，数据采集系统和油水分离系统组成，具体结构如图1-2所示。

图1　实验装置原理

图2　实验装置示意图

实验管路系统是整个装置的核心部位，是进行流型观察和沉积实验的载体。数据采集系统的主要功能是在实验过程中收集压降数据、温度数据、流量数据等实验资料，同时通过监测流量数据的变化，及时调整水泵、油泵的频率。油水分离系统的主要功能是将从实验管道流出的油水混合物分离出来，完成水路循环和油路循环，保证实验的可持续进行。

2 关键技术

2.1 油水两相体系生成和控制

实验装置需要模拟高含水原油流动和初始沉积过程，因此需要在油水管道交汇处设置混合装置，并设置一定长度的稳定段，用于将不同温度，流量条件下的油水充分混合，发展流型。

根据高含水原油实验的要求，设计了基于射流喷射混合器原理并结合静态混合器结构的高含水油水两相混合装置，即T型混合装置。该混合装置为一个类三通结构，在油水混合进口设置孔板使流体呈错流形式流入主流体，以加大扰动，实现油水流体的快速混合。上游来油、来水以垂直流动的方式于该装置内混合并在流动发展段内进行流型发展，使其能够在实验段内得到稳定的流动形态。流动发展段为一水平管段，使用Fluent软件对油水混合过程进行模拟，发现当流动发展段长度为1.5 m时，油水混合温度与设定的管流温度基本一致，在误差范围内。因此水平发展段的长度设定为1.5 m。混合器结构如图3所示。

图3　混合器示意图

2.2 实验段的设计

为了保证相关功能的实现，设计了带有水浴功能和引压装置的有机玻璃实验段水浴槽。实验段水浴槽一共由三个部分组成：有机玻璃管，配备恒温水浴装置的有机玻璃水槽，有机玻璃法兰。具体结构如图4所示。

图4　实验段示意图

有机玻璃管段长1.24 m，内径29 mm，壁厚3 mm，置于有机玻璃水槽的1/2高度。有机玻璃法兰底部设有螺纹孔，用于连接引压管和差压变送器。恒温水浴装置通过与水浴槽之间的水循环控制水浴槽内的水温，以模拟管外壁的埋地温度。

借助自行设计的实验段，研究人员能够直接观测运动形貌和初始沉积过程，采集实验段的压降数据。采用法兰连接的方式同两端不锈钢管路连接，可以较为方便的观测管内沉积情况和取样。另外，为了提高实验结果的准确性，避免实验结果较大偶然误差的出现，设置了参比段，参比段的设计参数同实验段完全相同。

2.3 油水分离装置设计

实验装置在进行油水两相流实验时，油水混合物从实验段流出，流入油水分离器进行分离，以实现实验的可持续性。结合实验要求以及实验所用油水条件，油水分离器的主体结构参照游离水脱除器，依照游离水脱除器装置尺寸设计公式进行尺寸计算[10]，并参考机械脱水器原理对装置结构进行合理改进。

2.3.1分离器尺寸计算计算条件：设定油水混合物温度20 ℃，油的体积分数0.1，水密度1 000 kg/m3,处理量3 m3/h，原油黏度和密度分别为2 000 mPa·s和850 kg/m3，分出粒径为300 μm的油滴。

设有一粒径为o的油滴，浮升至分离器底距离为w的油水界面所需时间为o。o应等于或小于污水流经分离器所需时间w，即ow。在推导分离器计算式时，假设水在容器内呈塞状流动，即过水面积上各处的水流流速相同,油滴在室内的浮升遵循stoke’s定律。

由分出油滴o的必要条件，可得

2.1 在13 452例正常听力孕前/产前妇女，检出至少含有1个位点突变的携带者451例，总体检出率3.35%。在耳聋突变基因携带者中，以GJB2基因的235delC和SLC26A4基因IVS7-2A>G杂合突变为主，分别为205例和132例；线粒体突变27例(详见表1)。

式中，o为油的上浮终速，m/s；w为水的平均水平流速，m/s；为分离器内径，m；e为分离器有效重力分离段长度，m；d为无量纲油水界面高，d=w/。

式中，w为分离器水处理量，m3/s；w、分别为过水截面面积和分离器截面面积，m3；为过水截面无量纲截面积，w/。

由于存在黏度较大的分散油相，水的有效黏度增大，水相黏度计算公式为：

但是经过实验发现和文献查阅[11]，在20 ℃ 时体积含水率90%的油水混合物，油水分层明显，油相黏度较大，水相黏度很小。大庆油田高含水原油的表观黏度在100 mPa·s以下。所以设定水相黏度为100 mPa·s。

式(2)在式(7)基础上推导得来，没有考虑到水的真实流动有别于塞状流，容器内存在湍流、旋涡等情况，因而需要在式(2)中的分母中引入大于1的设计系数，对水处理量修正。推荐的设计系数计算式为：

考虑设计系数后，式(2)为：

容器的制造费用与直径的立方成正比、与长度呈线性关系。按处理单位体积水的容器制造费用分析，存在最优长径比。制造商采用的长径比常在1.7~5.0，并且文献[12]推荐w应小于0.03 m/s。

因为在室内实验，e/长径比不应设置过大，所以取长径比2.0、2.5、3.0。根据式(9)计算半径、长度以及水在容器内的流速，计算结果见表1。

表1　油水分离器尺寸计算结果

设w/为0.5，=0.5，d=0.5代入式(10)计算水流速。

设w/为，=0.825 1，d=0.769代入式(11)计算水流速。

通过表1对比可知，在油水界面比为0.5，长径比为2.0时，所占的面积最小，并且流速最低。实验场地有限，为最大化利用使用场地，决定使用长径比为2.0，即分离器直径度为0.6 m，长度为1.2 m为分离器尺寸。

2.3.2分离器设计根据计算结果，以游离水脱除器的结构为依托，设计出了适用于相关实验的油水分离器，分离器结构见图5，使用长方体代替圆筒结构主要是为了加工方便，容易支撑。油水分离器由倾斜堰板、油水分离室、油水挡板、游离水沉降室和回水泵5部分构成。

此油水分离器能够对油水混合物进行二次分离，可以较好地分离油水混合物，同时设置有回水泵和回油泵，能够保证油水的循环流动，保证沉积实验的连续进行。

图5　分离器模型图

2.4 数据采集系统的设计

数据采集系统用于实验数据的采集，主要包括硬件和软件，硬件主要为数据采集卡，软件为数据采集软件，图6为数据采集系统结构框图。

2.4.1数据采集系统硬件本实验需要采集的参数包括包括流量、温度，可控点较少，数据采集量不大，实验时间保持在数小时，特殊的不会超过24 h，并不需要长时间的持续运行。考虑到该装置随实验要求变化需具备可拓展性，硬件控制系统要有一定的容纳裕量。因此，控制系统选择计算器IPC为控制核心，其作为外部接口的PCI接口应用广泛，可以很好的满足实验数据采集要求。数据系统采集系统使用的数据采集卡为研华PCI⁃1710HG，它是一款PCI总线的多功能数据采集卡。

图6　数据采集系统结构

2.4.2数据采集系统软件本实验的数据采集软件是通过NI公司开发的Labview软件编辑而成[13]。其图形化界面可以方便快捷的进行软件开发[14]，在测试测量、数据采集、仪器控制、数字信号处理等领域广泛应用，基于相关实验的设计要求编写如下界面图，如图7所示。该界面共有六个功能区块，分别为压差实时显示区、流量实时显示区、温度实时显示区、多通道显示区、单通道显示区、数据保存区，能够实现对实验系统温度、流量、压降的监控和记录，同时能够观测实验参数的变化情况。

图7　数据采集软件界面

3 装置可行性实验

为检验装置可行性，选取水流量0.6 m3/h，体积含油率5%，主流温度30 ℃，水浴温度27 ℃的实验条件，通过该实验装置，进行高含水原油流动和沉积的试验性实验。如图8所示，通过实验段透明有机玻璃管，分别观测到原油流动形态，初始沉积情况和管道内壁沉积层截面图。

图9为实验段两端的压降变化曲线，该段压降在初始阶段上升较慢，实验运行1 h后压降急剧上升至1 200 Pa左右，并维持该压降范围至实验结束。该压降趋势图说明，高含水原油初始沉积存在积累阶段，随着实验时间的增加，沉积速度明显加快，当实验进行一段时间后，管道沉积进入黏壁—冲刷—黏壁的过程，管段压降处于动态平衡状态。通过分析上述实验结果并与前人研究的结果对比，认为该实验装置能够较好的完成高含水原油流动和沉积实验研究，实现了预定的设计目标。

图8　原油运动沉积及内壁沉积情况

图9　实验段压降

4 结论

(1) 设计并搭建了高含水原油流动沉积实验装置，经过调试和试探性研究，认为该实验装置达到设计要求，为后续高含水原油流动和沉积的研究提供了保障，并且为相关类型课题的研究工作提供了借鉴和参考。

(2) 该油水混合装置能够很好的完成特高含水条件下的油水混合，利用油泵、水泵，油、水流量计等设备能实现对油水比例的控制。有机玻璃水浴槽的设计实现了对埋地温度的模拟和对油水流型和油流运动状态的观察。油水分离器可以在实验过程中较快完成游离水和油水乳状液的有效分离，保证了油相和水相的循环，提高了实验的自动化程度。数据采集系统保证了采集信号的稳定，有利于实验数据的采集，并且设计温控系统实现了对油罐、油管、水罐温度的精准控制。

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(编辑 王亚新)

Development on Experimental Equipment for the Flow and Deposition of High Water­Cut Crude Oil

Lü Zhaoxu1， Xing Xiaokai1， Ke Lufeng1， Pang Shuai2， Zhao Yanan1

(；）

An experimental device for high water⁃cut crude oil is designed and built, which mainly includes test pipeline, oil⁃water separation system, data acquisition system and circuit control system. The test section is designed of organic glass tube with a water bath, which observes flow morphology and initial deposition process. Considering the working conditions in the production site, oil⁃water mixing device is designed by drawing lesson of the principle of jet mixer. In order to ensure the effective separation of free water and crude oil during the experiment, an oil⁃water separator suitable for high water⁃cut crude oil is designed on the basis of free water separator. At the same time, a data acquisition system and circuit control system are designed, which can effectively solve the problems of data acquisition and parameter control. After Experimental verification, the experimental device can fulfill the research work of flow and deposition of high water⁃cut crude oil.

High water⁃cut crude oil； Experimental device； Initial deposition text section； Oil⁃water separator unsteady heat transfer

TE967

A

10.3969/j.issn.1006⁃396X.2018.06.013

2018⁃02⁃06

2018⁃06⁃25

国家自然科学基金项目（51574259）。

吕朝旭(1994⁃)，男，硕士研究生，从事多相管流及油气田地面集输方面研究；E⁃mail：lvzhaoxu52@126.com。

邢晓凯(1970⁃)，男，博士，副教授，从事多相管流及油气田地面集输方面研究；E⁃mail：xingxiaokai2015@126.com。

1006396X（ 2018）06008206

http://journal.lnpu.edu.cn