冷家稠油黏温特性及流变特性实验研究

韩继勇，侯云翌，郑维师

(1．西安石油大学全国石油和化工行业致密油气藏复杂结构井钻采技术重点实验室，陕西西安 710065;2．川庆钻探钻采工程技术研究院，陕西 西安 710021)

稠油的流变性对其在多孔介质内的渗流过程有很大影响，油井的产量、油藏的采收率以及其他油田开发指标与稠油的流变性有直接关系。采油工艺中井筒内流动阻力的计算和稠油管输工艺中加热站的设计、管输压降的计算都与稠油的黏温特性及流变性有密切关系［1－3］。本文对辽河油田冷家稠油进行流变性测量，对其特征进行分析，为辽河油田稠油的生产提供实验依据。

室内实验使用HAAKE公司的RV30旋转黏度计测量得到的稠油黏温曲线如图1所示。其中，18，25，60，100，18 s－1的全黏温曲线未标出，其规律与10 s－1的全黏温曲线相似，部分重合。

1 黏温特性

辽河油田冷家稠油的基本物性参数见表1。

表1 原油样品的基础参数Tab．1 Basic parameters of crude oil sam ples

图1 全黏温曲线Fig．1 Temperature viscosity curve

由图1可知，稠油黏度对温度有很强的敏感性，随着温度升高，稠油黏度显著降低。这是由于稠油黏度与其内聚力有密切关系。原油含胶质、沥青质越多，内聚力越大，稠油黏度越高。而在加温过程中，粒子的布朗运动加剧，使稠油内部结构变得松散，原油内聚力降低，黏度也就减小［3］。

对所测得的黏温数据进行回归分析，发现稠油的黏度与温度的关系近似符合 Arrhenius方程［4］

式中:η为表观黏度，mPa·s;A为常数;E为活化能，J/mol;R为普适气体常数;T为热力学温度，K;B=E/R。

在不同剪切速率下，对黏温曲线进行回归，得到相应的系数A和B(见表2及图2)。

图2 系数A，B与剪切速率之间的关系曲线图Fig．2 Relatian curve of coefficient A，B and shear rate

对图2所示的关系曲线进行拟合，得到关系式

从全黏温曲线图1可以看出，稠油的黏度不是温度的单一函数，还与剪切速率有关。因此，存在η=f(T，γ)形式的二元函数关系式。

将式(2)、式(3)代入式(1)得

至此，建立了稠油黏度与温度及剪切速率的二元函数模型，为稠油的黏度计算提供了依据。

网络沟通由于在沟通同步性上的区别，又被划分为同步沟通和异步沟通。同步沟通(Synchronous Communication) 是指互动信息的发送和接受是在同一时间段进行的，互动双方同时在线，一方所做的动作可以被另一方实时观察及感知。异步沟通(Asynchronous Communication) 则是信息的发送与接收在时间点上错开，互动双方所进行的操作在时间上有一定的滞后性。两者的差别在于互动是否同时，也就是时间维度的差别。[1]

表2 拟合系数数据表Tab．2 Data of fitted coefficients

2 流变特性

2.1 剪切应力与剪切速率的关系

在不同温度下对辽河油田冷家稠油进行流变测试，得到了如图3所示的剪切应力(τ)与剪切速率(γ)之间的关系曲线。由图3可以看出，随着温度增加，曲线斜率减小。

对上述曲线进行拟合，可以得到如表3所示的关系式。

图3 剪切应力与剪切速率之间的关系曲线图Fig．3 Relatian curve between shear stress and shear rate

表3 不同温度下的本构关系式Tab．3 Constitutive equations of different temperatures

从表3所示的本构关系式可以看出，存在着一个临界温度Tc。当温度T＞Tc时，稠油流变行为表现出牛顿流体流变的特性;当温度T＜Tc时，稠油流变行为表现为宾汉型非牛顿流体的流变特性，此时，本构方程可表示为［5－7］

式中:τ为剪切应力，Pa;τ0为屈服应力值，Pa;η为黏度，Pa·s;γ 为剪切速率，s－1。

温度高于临界温度Tc时，稠油表现为牛顿流体的流变行为，可用下式表示其流变模式［8］:

流变曲线图3表明，随着温度升高，曲线斜率减小，说明稠油黏度随着温度升高而降低。

2.2 屈服应力值与温度的关系

对表3中不同温度下的本构关系式进行分析，并与宾汉型流体的本构方程进行比较，可以得到辽河油田冷家稠油在不同温度下的屈服应力值(见表4)。

表4 不同温度下的屈服应力值Tab．4 Yield stresses of olifferent tem peratures

从表4可以看出，在测试过程中，当温度达到80℃时，屈服应力值就变为零，因此可以认为，临界温度介于70℃ ～80℃。作出温度从40℃上升到70℃过程中，温度与屈服应力值之间的关系曲线，结果如图4所示。

图4 温度与屈服应力值之间的关系曲线图Tab．4 Relation curve of temperature and yield stress

从图4可以看出，屈服应力值随着温度的升高而线性递减。对图4中的曲线进行线性回归，可以得到公式

在式(7)中，令 τ0=0，则有 T=72.51℃，由此可得到临界温度Tc=72.51℃。

2．3 表观黏度与剪切速率的关系

在不同温度下，对辽河油田冷家稠油进行流变测试的过程中，得到了如图5所示的黏度与剪切速率之间的关系曲线。

图5 黏度与剪切速率之间的关系曲线图Fig．5 Relation curve of viscosity and shear rate

从图5可以看出，辽河油田冷家稠油具有剪切变稀的特性，即随着剪切速率的增加，黏度降低。在非常低的剪切速率范围内黏度下降最快，在高剪切速率情况下，黏度近似于不变。当温度高于临界温度点时，黏度不再随剪切速率变化而变化，呈现出牛顿流体的流动状态;随着温度的降低，剪切变稀的特性逐渐增强。由此可见，从辽河油田冷家稠油流变性角度来说，在开采稠油时，保持一定的开采速度也是十分必要的［10］。

3 结论

1)稠油黏度是温度、剪切速率的二元函数。随着温度升高，剪切速率增大，黏度降低。

2)当温度T＞临界温度(Tc=72.51℃)时，稠油表现为牛顿流体的流变特性;当温度T＜Tc时，稠油表现为宾汉型非牛顿流体的流变特性。

3)温度从40℃上升到70℃过程中，屈服应力值随着温度的升高而呈线性递减，当温度达到Tc时，屈服应力值就变为零。

4)在非常低的剪切速率范围内黏度下降最快，在高剪切速率情况下，黏度近似于不变。

［1］ 俞高明．超特稠油流变性综合研究［J］．河南石油，2004，18(3):40-43．

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［10］于丽丽．冷家稠油黏温特性及流变特性实验研究与分析［J］．辽宁石油化工大学学报，2013，33(2):43-47．