稠油混输流动规律及流变学特性研究

CORC > 力学研究所 > 中国科学院力学研究所 > 流固耦合系统力学重点实验室(2012-)

题名	稠油混输流动规律及流变学特性研究
作者	陈小平
学位类别	博士
答辩日期	2016
授予单位	中国科学院大学
授予地点	北京
导师	吴应湘 ; 许晶禹
其他题名	Investigation on the Flow Characteristics and Rheological Properties of Heavy Crude Oil for Pipeline Transportation
学位专业	工程力学
中文摘要	常规石油资源的快速耗尽使人们将眼光投向非常规石油资源，在非常规石油资源的开采中，稠油和超稠油以其储量巨大日益受到广泛的关注。管道输送是稠油开发中必不可少的环节。与稀油不同，稠油的管道输送面临巨大的技术挑战。稀油常为低黏度的牛顿流体，而稠油常表现出高黏度、黏弹性、屈服应力等非牛顿流体性质，导致稠油的管流规律和稀油有显著的差异，现有的基于稀油的管线设计方法和理论对稠油不再适用。因此，深入的研究稠油流变学性质和混输流动规律是进行集输管网合理设计、运行参数优化计算必不可少的依据。本文通过开展稠油流变学和管道流动两个方面的实验，结合理论分析，深入研究了稠油流变学性质及其变化规律、稠油单相管流及再启动规律、稠油及其混合物两相流动规律。稠油流变学性质研究中，针对来自渤海油田等不同区域的共计6种稠油样品采用高级旋转流变仪进行流变性测量，系统的研究了稠油的黏度、黏弹性、触变性、屈服应力等性质，并定量给出了温度、剪切速率等因素对上述各流变学性质的影响规律。研究发现：在温度较低时，稠油表现出一定的剪切变稀性质，随着温度的升高剪切变稀性质减弱；黏度随着温度的升高逐渐降低，近似呈现为指数衰减的规律；触变性可通过触变环的面积表征，其随着温度的升高逐渐减弱，并通过数据统计分析给出了相应的变化规律；屈服应力随着温度的升高逐渐降低，但随启动速率的增加呈现为逐渐增加的趋势，且近似服从线性变化关系；黏弹性性质测量中，随着作用频率的增加，稠油的黏性模量和弹性模量均增加，且在一定范围内均由黏性主导逐渐向弹性主导转变。另外，通过数据和理论分析得出稠油的触变性和屈服应力间表现为线性对应的关系，且与稠油的种类无关。同时，稠油流变学特性研究中，结合稠油输运工业应用中的情况，系统分析给出了掺稀油和加入降黏剂后，稠油混合液的流变学性质及其变化规律。研究发现：掺稀油或添加降黏剂对稠油的流变学性质均有较大的影响。掺稀油和添加降黏剂后，稠油的黏度大幅降低；稠油的黏性模量随稀油或降黏剂含率的增加呈指数关系衰减，而弹性模量的数值基本保持不变。稠油单相管流及再启动研究中，首先，针对具有H-B本构关系的稠油，结合上述稠油流变学特性研究的成果，理论推导了稠油单相管流的压降计算方法。并根据上述方法，将稠油管流实验测量的压降换算为黏度，与采用流变仪直接测量的黏度进行对比，发现两者具有很好的一致性。其次，在再启动实验中，模拟稠油输运中的停输再启动现象，测量了不同输运流量下再启动的压降等参数，并通过理论换算与稠油流变学特性中的屈服应力进行对比，结果表明：当温度一定时，管流启动中得到的稠油屈服特性与流变仪直接测量的结果基本一致，即采用流变仪离线测量得到的屈服应力特征可直接应用于管道输运再启动系统的设计，且具有较高的精度。最后，结合稠油管流和流变学测试研究的成果，将得到的多种稠油的黏温关系与文献中代表性的黏度计算模型进行对比，得出稠油的黏度与50℃时的黏度呈幂次关系，并为进一步提高稠油黏度计算精度，据此提出了一个全新的稠油黏度计算模型，为稠油输运系统的精确设计提供可靠的数据和理论基础。稠油及其混合物两相管流研究中，通过建立的稠油管道流动模拟系统，定量给出了气相或稀油的掺入对稠油减阻效果的作用程度和规律。研究发现，充气减阻仅在低温、大流量的条件下发生，且减阻效果不明显；掺稀油后混合黏度随稀油含率的增加呈指数关系衰减，文中结合理论分析给出了掺稀油混合黏度的计算模型。同时，气/稠油两相流动规律研究中，研究得出分布参数C0随着黏度的增加呈指数关系增加，漂移速度Vd随着黏度的增加逐渐减小，并在此基础上提出了气/稠油两相水平管流的相含率和压降的计算方法，该方法得到了文献中数据和PIPESIM成型软件的验证，具有较高的计算精度。关键词：稠油，流变学性质，再启动，降黏减阻，气/稠油两相流动
语种	中文
内容类型	学位论文
源URL	[http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/60048]
专题	力学研究所_流固耦合系统力学重点实验室(2012-)
推荐引用方式 GB/T 7714	陈小平. 稠油混输流动规律及流变学特性研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2016.