3.3 加劑后垂直管道水包油乳狀液形成規(guī)律

在垂直管流裝置中,控制油相流速0.12m/s, 使油相在管道中循環(huán)流動(dòng),通過(guò)注入泵將0.5%表面活性劑水溶液注入油流參與循環(huán),使整個(gè)體系持水率為50%,觀察加入表面活性劑溶液后,在垂直管道中O/W乳狀液的形成過(guò)程：

50%持水率的表面活性劑水溶液加入油相中后,先以連續(xù)的擾動(dòng)流流動(dòng)型態(tài)穿過(guò)油相;到2min時(shí),連續(xù)的水相逐漸分散、溶解,油珠穿插在連續(xù)的水相中,形成更明顯的攪拌狀流動(dòng);3min時(shí),水相繼續(xù)分散,水相與油相形成油水界面膜,此時(shí)泡狀流出現(xiàn)(水泡放大10倍圖像見(jiàn)圖5 (a));5min時(shí),部分水相與油相形成水包油乳狀液,透光性變差,水相與形成的水包油乳狀液以環(huán)狀流的形式在垂直管道中上升流動(dòng);7min時(shí),更多的水包油乳狀液形成,少部分水相分散在水包油乳狀液中;8min完全形成O/W乳狀液(10倍放大圖見(jiàn)圖5(b))。

泡狀流時(shí),水相在連續(xù)的油相中形成一個(gè)一個(gè)的水泡,說(shuō)明表面活性劑降低油水表面自由能,使水泡穩(wěn)定且均勻的分散在油相中;形成水包油乳狀液后,小油滴被水包裹,液滴尺寸明顯降低,分散度增加,穩(wěn)定的存在在連續(xù)相中。

3.4 基于電阻探針?lè)y(cè)量原油O/W乳狀液形成規(guī)律

由于實(shí)際原油不可視,可視觀察法難以得到實(shí)際原油油水兩相流動(dòng)型態(tài),為探索能夠測(cè)量原油油水兩相流動(dòng)型態(tài)的方法,采用4組平行電阻探針,連接電阻率測(cè)量?jī)x,固定溫度50℃,在混合流速為0.06m/s下,模擬油管76mm管徑中23.68m 3/d流量,通過(guò)電腦實(shí)時(shí)測(cè)量并記錄不同持水率(30%、 50%、70%)時(shí),塔河原油在加入水溶性復(fù)合降黏劑SDG-2的條件下,水包油乳狀液形成過(guò)程中電阻值變化曲線(xiàn),并分析該曲線(xiàn)所對(duì)應(yīng)油水兩相流動(dòng)型態(tài)。

持水率為30%時(shí),加劑后油水兩相流動(dòng)型態(tài)隨時(shí)間變化規(guī)律為:彈狀流—環(huán)狀流— 泡狀流—O/W乳狀液流動(dòng)。彈狀流流型下,降黏劑水溶液以大段塞的形式存在于油相中,間歇式上升, 電阻探針信號(hào)變化明顯,呈周期式波動(dòng);當(dāng)達(dá)到環(huán)狀流型時(shí),降黏劑水溶液穿過(guò)油相中心,電阻探針信號(hào)波動(dòng)明顯,表現(xiàn)為一段低值波動(dòng),一段高值波動(dòng);繼續(xù)循環(huán)運(yùn)行一段時(shí)間,油水兩相流動(dòng)型態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榕轄盍?電阻探針信號(hào)在小幅度范圍內(nèi)振蕩,且振蕩頻率密集,每一個(gè)水泡接觸到探針,都會(huì)使信號(hào)向高頻值波動(dòng);當(dāng)形成水包油乳狀液后,油滴均勻分散在水相中,水相為連續(xù)相,此時(shí)4組電阻探針顯示的電阻值會(huì)有幾秒鐘的持續(xù)時(shí)間,且保持在高電阻值附近, 不同時(shí)域存在電阻值的負(fù)脈沖波動(dòng),每次的負(fù)脈沖波動(dòng)都說(shuō)明有油滴穿過(guò)探針。從加入降黏劑水溶液到完全形成O/W乳狀液,共用時(shí)900s。

50%持水率條件下,4組探針信號(hào)顯示整個(gè)體系形成乳狀液過(guò)程為:環(huán)狀流—泡狀流—水包油乳狀液。持水率從30%增大到50%,不存在彈狀流,這是因?yàn)槌炙试龃?由于降黏劑降低油水界面張力作用,水相更易被油相“拉長(zhǎng)”,成為長(zhǎng)條形而非圓球形,從而形成中心是水相、接近管壁處為油相的水中心環(huán)狀流,流動(dòng)一段時(shí)間后,環(huán)狀流流型逐漸被打破,水相以水滴的形式分散在油相中, 形成泡狀流,此時(shí)油水混合程度加大,繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間,整個(gè)體系形成O/W型乳狀液,從加入降黏劑到完全形成乳狀液共用時(shí)540s。

70%持水率條件下,四組探針信號(hào)顯示加劑后油水兩相流動(dòng)型態(tài)為:擾動(dòng)流—水包油乳狀液。擾動(dòng)流型實(shí)際可看作是泡狀流、蠕狀流、環(huán)狀流的混合流型,因此擾動(dòng)流的探針信號(hào)是泡狀流、蠕狀流、環(huán)狀流探針信號(hào)的集合,表現(xiàn)為高電阻值、低電阻值上下波動(dòng)幅度大,且呈現(xiàn)一定持續(xù)時(shí)間。 70%持水率下,由于持水率增大,水相受油相徑向阻力增大,由于加入降黏劑的水溶液與油相界面張力降低,水相無(wú)法繼續(xù)保持環(huán)狀流,轉(zhuǎn)變?yōu)椴▌?dòng)劇烈的擾動(dòng)流,此流型下油水兩相更易形成O/W型乳狀液,整個(gè)過(guò)程共用時(shí)280s。

基于電阻探針?lè)y(cè)量得到的油水乳狀液形成過(guò)程與透明可視觀察法得到的油水乳狀液形成過(guò)程基本相符,說(shuō)明對(duì)于不可視的原油, 采用電阻探針?lè)y(cè)量油水兩相流動(dòng)規(guī)律具有一定可行性,為原油-水兩相流動(dòng)規(guī)律的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法提供了理論依據(jù)。

3.5 油水兩相流動(dòng)型態(tài)轉(zhuǎn)變界限方程

在油水兩相流動(dòng)過(guò)程中,當(dāng)油包水流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗土鲃?dòng),即相轉(zhuǎn)化發(fā)生,容易導(dǎo)致流體流變特性的突變;同時(shí),液相與管道壁面的接觸方式及何種液相接觸管壁都會(huì)隨流型的變化而變化,從而對(duì)管道的腐蝕程度造成不同程度的影響,并且在反相點(diǎn)或其附近會(huì)產(chǎn)生動(dòng)量、傳熱傳質(zhì)和壓降的急劇變化。因此,相轉(zhuǎn)換是油水管道設(shè)計(jì)和運(yùn)行中需要考慮的主要因素之一。基于漂移流模型,在運(yùn)動(dòng)波理論的基礎(chǔ)上通過(guò)分析分散相在連續(xù)相中的濃度分布隨持水率的變化關(guān)系,推導(dǎo)出油包水流型向水包油流型轉(zhuǎn)換的邊界方程,該方法已獲得國(guó)內(nèi)外學(xué)者的認(rèn)可。本文中采用數(shù)值劃分流型的方法,考慮到輕油水和摻表面活性劑條件下重油水兩相流動(dòng)在持水率0~100%之間發(fā)生了相轉(zhuǎn)換現(xiàn)象,對(duì)常溫常壓下這兩種流動(dòng)體系發(fā)生相轉(zhuǎn)換時(shí)的流型轉(zhuǎn)換界限方程進(jìn)行分析。