【摘要】：隨著常規(guī)原油的不斷開采,原油重質化問題日益突出,稠油的高黏、重質與易乳化特性使其采輸頗具挑戰(zhàn)性,稠油摻稀降黏技術以其明顯的技術經濟優(yōu)勢而在國內外稠油開采和輸送中得到了廣泛應用。但稠油降黏的混合均勻程度、降黏減阻效果、混合流體沿油管的流動特征及穩(wěn)定性、摻混前后的流動壓降預測至今尚缺乏充分認識,摻混量、摻混段混合長度等參數(shù)的確定急需理論指導與優(yōu)化。針對上述難題,有必要對稠油與稀油的摻混特性及多相流動規(guī)律進行實驗模擬及理論研究,為稠油摻稀采輸安全保障與節(jié)能增效提供理論指導與技術支撐。本文以我國典型稠油、稀原油、柴油、LPG為研究對象,圍繞稠油摻稀采輸管內的摻稀混合液的摻混特性、擴散特性、多相流動特性、反相特性及邊界層變化規(guī)律,采用流變學、環(huán)道模擬等實驗研究與理論分析相結合的方法開展研究,具體研究工作如下：(1)基于攪拌法的測黏原理,分析同軸圓筒系統(tǒng)中流體的流態(tài),采用改進的同軸流變儀,根據(jù)攪拌扭矩與轉速的關系、剪切速率與黏度的關系,提出稠油摻稀攪拌混合黏度的測定方法,實驗評價攪拌過程中摻稀混合液的表觀黏度變化規(guī)律,分析混合性能與剪切性能及能耗的關系,揭示影響混合效果的關鍵因素。結果表明,稠油黏度和稀油黏度越小、溫度越高、攪拌轉速摻稀比越大,攪拌槽中流體的循環(huán)量越大,混合效率越高,達到均勻混合所需的時間越短,混合均勻后攪拌軸的扭矩和混合黏度越低。(2)設計與搭建恒溫液液擴散系數(shù)測定裝置,采用折光指數(shù)法測定稀釋擴散系數(shù)。結果表明,隨溫度升高,分子熱運動加劇,擴散系數(shù)呈增大趨勢；同一溫度下,隨溶液初始稠油濃度的增大,分子間的摩擦以及相互作用增強,稠油濃度越高,黏度越大,擴散系數(shù)不斷減小。(3)從摻混界面二元擴散的角度,考慮稠油與稀油相間的擴散影響,應用動力平衡方程,分別建立水平圓管摻稀管流及套管摻稀豎直管流的稠油與稀油兩相摻混運動模型,計算機編程對其求解,直觀展示稠油摻稀的流場變化規(guī)律,揭示摻混過程中稠油與稀油相間的作用機理。結果表明,分層流動中,隨摻混時間的延長,稠油與稀油擴散面積增大,稀油-稠油摻混界面向下移動；冪律流體稠油摻混分層界面不明顯,與牛頓流體相比最大流速過渡帶變厚；同層流相比,非牛頓流體紊流流動時,稠油與稀油的過渡段增大,摻混速度提高,隨著摻混時間的延長,摻混均勻程度提高,流動阻力減小；在采油過程中,流速在油管中的分布呈現(xiàn)軸對稱性,增大壓降可改善稠油在油管中的運動特性,但提高采輸效率更依賴于降低稠油黏度。(4)設計加工中壓密閉LPG加注-摻混-回收系統(tǒng),結合現(xiàn)有多功能實驗流體環(huán)道模擬裝置,模擬研究風城稠油摻柴油和LPG管流特性,評價稠油摻稀降黏效果,證實稠油摻稀采輸?shù)目尚行�；同時考慮氣相在稠油中的溶解度、稠油的壓縮系數(shù)、流型變化等因素,建立LPG氣相-稠油兩相流動方程,分析井筒摻LPG多相運移規(guī)律。結果表明,隨LPG摻入量的增大,摩阻系數(shù)呈現(xiàn)減小趨勢,減阻效率增大；井底LPG氣相滑脫速度不大,在井口800m附近,LPG滑脫速度迅猛增大；沿管道方向,隨輸送時間的延長,輸送溫度和壓力的降低,LPG持氣率逐漸增大,隨著LPG的摻混比增大,壓降呈現(xiàn)減小的趨勢。(5)基于密度波理論,考慮虛擬質量力、相間阻力、相界面的動量傳遞等因素,在雙流體模型的基礎上,建立含水稠油摻稀管內反相點判定的數(shù)學模型,結合摻稀采油過程中的溫度和壓力場分布模型,計算機編程計算,分析不同井深、虛擬質量力、摻稀比等條件下的油水反相特性。結果表明,虛擬質量力系數(shù)越大,分散相與連續(xù)相之間的相對運動越強,分散相的聚集作用減弱,反相點越大；摻入柴油后,油水反相點減�。谎鼐钤酱�,溫度越高,分散油相密度減小,反相點減小。(6)針對稠油-稀油流動,將附面層理論分為層流附面層、紊流附面層及混合附面層三種,考慮密度、管徑、管壁粗糙度、壁面潤濕性、表觀黏度等因素,建立稠油-稀油附面層模型。結果表明,在稠油與稀油分層流動中,稠油相附面層厚度略大于稀油相附面層厚度,隨著稀油摻入比的增大,附面層交合線下移；分層紊流中,附面層厚度變化較小,但仍出現(xiàn)稠油與稀油混合流體附面層交合線下移的現(xiàn)象；在完全分散層流流動和完全分散流紊流流動中,稠油與稀油均勻混合流體附面層厚度的分布規(guī)律與單相流相同,隨稠油與稀油流體混合液黏度的增大,附面層厚度增大,且呈軸對稱分布。應用VB.NET計算機語言,研編了“稠油摻混特性及多相流動分析系統(tǒng)”,可用于稠油摻混流動特性、氣液兩相流動減阻特性、油水反相特性及附面層特性等方面的計算。本文研究成果可為稠油摻稀輸送工藝設計及安全經濟運行提供理論依據(jù)與實用工具。
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【學位授予單位】：西南石油大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TE832

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本文編號：2382248