法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2022-04-26
未缴年费专利权终止 IPC(主分类):E21B43/22 专利号:ZL2016103282333 申请日:20160518 授权公告日:20170503
专利权的终止
2017-05-03
授权
授权
2016-11-23
实质审查的生效 IPC(主分类):G01N1/28 申请日:20160518
实质审查的生效
2016-10-26
公开
公开
技术领域
本发明涉及实验研究所使用的原油乳状液的配制技术，特别是基于表观黏度量化表征的原油乳状液配制方法。
背景技术
随着石油开发向深海发展，油气水混输将成为较长距离的海上油田集输管道主要的输送方式之一。油水混合输送过程中，在井口、机泵和节流阀等处，油水混合液会经受高速剪切，形成原油乳状液。原油乳状液的流变性是油水混输管道设计管理的主要基础资料之一，也是原油水混合输送管道能否安全再启动的最终决定因素，是管道停输再启动计算和可泵性评价的重要基础资料。
原油乳状液流变特性的测量一般在实验室完成，包括含蜡原油在内的大多数原油乳状液，生产现场取样的试验样品待到测量时，由于经历了剪切历史、热历史以及时间的延续，出现流变性质改变及絮凝破乳等问题。因此，大多研究者采用实验室配制新鲜原油乳状液为实验样品。如何制备与实际生产条件下流变性质相同的模拟油水乳状液是测量研究的基础。
原油乳状液具有原油的所有流变性特点，而且与其形成条件有着很强的依懒性。现有实验室原油乳状液流变特性的测量是根据含水率、在某一特定的配制条件下（包括搅拌速率、搅拌时间、加水方式等）形成的实验样品，致使测量结果也只是这一配制条件下的数据，实验样品的乳化程度是否与与生产实际相同无法探究，因此测量结果应用于实际生产中产生很大偏差。表观黏度是原油乳状液乳化程度流变特性的主要表征参数之一，因此开展基于表观黏度量化表征的原油乳状液配制方法研究。
发明内容
本发明的目的是提供基于表观黏度量化表征的原油乳状液配制方法，这种基于表观黏度量化表征的原油乳状液配制方法用于解决现有实验室配制的原油乳状液与生产实际乳化程度无法定量不相符的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种基于表观黏度量化表征的原油乳状液配制方法如下：
步骤一：将从生产现场采取原油试样置于油桶中运到实验室后，从油桶中称取4~8 mg的原油试样置入铝制坩埚中密封，密封后的坩埚放入差式量热扫描仪的测量池中，加热至80℃并恒温1min，然后以5℃/min的降温速率在氮气气氛下从80℃冷却到-20℃，结合热谱图曲线，把开始偏离基线的温度确定为原油的析蜡点；再计算得到析蜡温度以下各温度的原油累积析蜡量cw>
步骤二：重新从油桶中量取原油试样，将油样加热至流动性较好的某个温度，测定脱水原油的标准密度，再通过原油的标准密度确定原油乳状液配制温度的密度；
步骤三：再从油桶中取出原油试样并分装到若干个密封磨口瓶中进行预处理，即将该批盛有原油试样的密封磨口瓶同时放入水浴中，静置加热至80℃并恒温2h，取出上述密封磨口瓶静置自然冷却至室温，存放于环境温度变化较小处静置48h以上备用；
步骤四：从步骤三预处理后的原油试样中任意取出一个密封磨口瓶，依据石油天然气行业标准SY/T 0541-2009《原油凝点测定法》，使用石油产品凝点仪测定原油凝点；
步骤五：从步骤三预处理后的原油试样中再取出若干个密封磨口瓶，依据石油天然气行业标准SY/T 0520-93《原油粘度测定-旋转粘度计平衡法》，使用粘度计测定原油在凝点附近温度下的平衡表观粘度；
步骤六：配制用于获取表观粘度定量表征参数使用的原油乳状液，所用原油试样是经步骤三预处理后的，取其中一瓶放入水浴密闭加热至配制温度，恒温30 min；按体积含水率nw>
步骤七：测定步骤六配制原油乳状液的表观粘度，步骤六配制好的某一含水率、配制条件下的原油乳状液按照步骤五的表观粘度测量方法进行原油乳状液表观粘度测定；配制好的新鲜乳状液按照测量标准装入流变仪测量筒后，将剩余乳状液迅速装至乳状液稳定性观察试管中，并将其置于流变仪程控水浴中，使观察试管中的乳状液与流变仪中实验样品经历相同的热历史，以观测流变仪中样品是否破乳；
测量两个温度下原油乳状液的表观粘度：一是配制温度，二是待表征温度；
在原油乳状液配制温度下，由于在析蜡点温度以上，原油一般表现为牛顿流体特性，低含水率原油乳状液也表现为牛顿流体特性，需测平衡表观粘度；而中高含水率的乳状液表现为非牛顿流体特性，符合幂律流体本构关系，其本构方程如下，根据表观粘度数据，拟合出原油乳状液的K>n>
式中 为剪切应力，Pa；
为剪切速率，s-1;
>>n；
n为流变行为指数，无量刚量；
步骤八：根据步骤六配制乳状液的条件，计算每一种配制条件下的粘性流动熵产值，适用于计算低含水率牛顿流体特性原油乳状液粘性流动熵产值的表达式为：
适用于计算中高含水率非牛顿流体特性原油乳状液粘性流动熵产值的表达式为：
本步骤两式中——乳状液的体积含水率，%；
、——分别为水和原油的密度，kg/m3；
T>
——搅拌转速，r/s；
——Metzner常数，取估计值11；
——牛顿流体的粘度，Pa·s；
——幂律模型中稠度系数，或幂律系数，Pa·sn；
——幂律模型中流性指数，或称为幂律指数，无量纲；
——搅拌时间，s；
——乳状液配制时间段内的粘性流动熵产，J/kg·K；
步骤九：原油乳状液配制过程的粘性流动熵产值sg>cw>
式中a0>a1>a2>a3>a4>
将每一种配制过程的粘性流动熵产值sg>cw>
求出拟合参数a0>a1>a2>a3>a4>
即
该式适用于牛顿流体；
该式适用于非牛顿流体；
式中——剪切速率，s-1；
——空白原油粘度，mpa·s；
——原油在某一温度析蜡量，%；
步骤十：在已知空白原油密度、表观粘度、析蜡特性等物性前提下，欲配制给定含水率、确定温度下某一表观粘度的模拟原油乳状液，根据上述表达式，准确选择配制乳状液时的搅拌条件，即按照不同搅拌速度与搅拌时间的组合配制基于表观黏度量化表征的原油乳状液。
上述方案步骤一中 ：依据石油天然气行业标准SY/T 0545-2012《原油析蜡热特性参数的确定：差示扫描量热法》，使用调制式差示扫描量热仪测定原油的析蜡特性，具体方法是：称取4~8 mg的原油试样置入铝制坩埚中密封，密封后的坩埚放入差式量热扫描仪的测量池中，加热至80℃并恒温1min，然后以5℃/min的降温速率在流速为50 ml/min的氮气气氛下从80℃冷却到-20℃，结合热谱图DSC曲线，把开始偏离基线的温度确定为原油的析蜡点WAT；用曲线上某一温度区间的热流曲线和基线之间组成的面积积分，除以蜡的平均结晶热焓，得到析蜡温度以下各温度的原油累积析蜡量cw>
式中，为析出蜡晶的浓度，wt%； 为要测定析蜡量的温度，℃；dQ>T>T降至T>
上述方案步骤二中确定原油乳状液配制温度的密度的方法：
（1）根据所取原油的性质将油样加热至流动性较好的温度，如50℃；
（2）将升至某一温度（如50℃）的原油试样，小心地沿内壁倒入密度测量筒中，密度测量筒置于设定温度（如50℃）水域槽中，温度计置于密度测量筒内油样中；
（3）将密度计放入待测原油试样中，待密度计自由漂浮稳定后，同时读取密度计和温度计的测定结果；
（4）记录连续两次测定的油样密度，取平均值作为该温度（由于在测量过程中有热量散失，温度以温度计读数为准）下的原油试样密度，并根据以下表达式计算原油的标准密度，
得到原油的标准密度后，即可用上述表达式确定原油乳状液配制温度（如45℃）时的密度
上述方案步骤四中依据石油天然气行业标准SY/T 0541-2009《原油凝点测定法》，使用石油产品凝点仪测定原油凝点，方法是：在原油析蜡点以上装样温度装样后，以0.5～1.0℃/min的降温速率冷却试样至高于预期凝点8℃时，每降2℃观测一次试样的流动性，读取直至将试管倾斜45℃放置5s而试样不流动时的最高温度，此温度即是凝点值。
上述方案步骤五中依据石油天然气行业标准SY/T 0520-93《原油粘度测定-旋转粘度计平衡法》，使用粘度计测定原油试样在凝点附近温度下的平衡表观粘度，具体方法是：在装样温度（即乳状液的配制温度）将原油试样装入已预热的测量筒中，恒温静置后再以一定降温速率降至凝点附近的待表征温，恒温静置待结构完全形成后，根据原油的性质和粘度计性能参数，设定5个剪切速率进行测量，每个剪切速率选取合适的剪切时间，直至每个剪切速率达到剪切平衡，测取原油试样的平衡表观粘度。
上述方案步骤六中低含水率为1%～10%，中含水率为30%～40%，高含水率为50%～60%；低剪切速率为8 r/s～10 r/s，中剪切速率为14 r/s～16 r/s，高剪切速率为20 r/s～22 r/s；低剪切时间为500s～600s，中剪切时间为800s～900s，高剪切时间为1100s～1200s。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明建立模拟原油乳状液的配制方法，制备与实际生产条件下流变性质相同的模拟油水乳状液，为实验研究原油乳状液的流变特性提供基础。
2、本发明解决了模拟原油乳状液配制条件的量化表征问题。
3、本发明应用热力学和粘性流体力学的理论，以粘性流动熵产描述乳状液配制过程的条件参数关系，实现了乳状液的各配制条件参数关系的量化表征。
附图说明
图1 是本发明中热谱图DSC曲线图；
图2 是本发明中测定空白原油35℃的平衡表观粘度，结果图；
图3 是本发明中一种配制条件下的乳状液35℃的实验结果图；
图4 是本发明中平衡表观粘度随含水率的变化情况图；
图5 是本发明中一种配制条件下的乳状液45℃实验结果图（牛顿流体）；
图6是本发明中一种配制条件下的乳状液45℃实验结果（非牛顿流体）。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
这种基于表观黏度量化表征的原油乳状液配制方法如下：
步骤一：将从生产现场采取原油试样置于油桶中运到实验室后，依据石油天然气行业标准SY/T 0545-2012《原油析蜡热特性参数的确定：差示扫描量热法》，使用调制式差示扫描量热仪测定原油的析蜡特性，具体方法是：从油桶中称取4~8 mg的原油试样置入铝制坩埚中密封，密封后的坩埚放入差式量热扫描仪的测量池中，加热至80℃并恒温1min，然后以5℃/min的降温速率在氮气气氛下从80℃冷却到-20℃，结合热谱图DSC曲线，把开始偏离基线的温度确定为原油的析蜡点WAT；用曲线上某一温度区间的热流曲线和基线之间组成的面积积分，除以蜡的平均结晶热焓，得到析蜡温度以下各温度的原油累积析蜡量cw>
式中，为析出蜡晶的浓度，wt%； 为要测定析蜡量的温度，℃；dQ>T>T降至T>
步骤二：重新从油桶中量取原油试样，将油样加热至流动性较好的某个温度，测定脱水原油的标准密度，再通过原油的标准密度确定原油在其乳状液配制温度下的密度，具体如下：
（1）根据所取原油的性质将油样加热至流动性较好的温度（如50℃）；
（2）将升至某一温度（如50℃）的原油试样，小心地沿内壁倒入密度测量筒中，密度测量筒置于设定温度（如50℃）水域槽中，温度计置于密度测量筒内油样中；
（3）将密度计放入待测原油试样中，待密度计自由漂浮稳定后，同时读取密度计和温度计的测定结果；
（4）记录连续两次测定的油样密度，取平均值作为该温度（由于在测量过程中有热量散失，温度以温度计读数为准）下的原油试样密度，并根据以下表达式计算原油的标准密度，
得到原油的标准密度后，即可用上述表达式确定原油乳状液配制温度（如45℃）时的密度
步骤三：再从油桶中取出原油试样并分装到若干个密封磨口瓶中进行预处理，即将该批盛有原油试样的密封磨口瓶同时放入水浴中，静置加热至80℃并恒温2h，取出上述密封磨口瓶静置自然冷却至室温，存放于环境温度变化较小处静置48h以上备用；
步骤四：从步骤三预处理后的原油试样中任意取出一个密封磨口瓶，依据石油天然气行业标准SY/T 0541-2009《原油凝点测定法》，使用石油产品凝点仪测定原油凝点，方法是：在原油析蜡点以上装样温度装样后，以0.5～1.0℃/min的降温速率冷却试样至高于预期凝点8℃时，每降2℃观测一次试样的流动性，读取直至将试管倾斜45℃放置5s而试样不流动时的最高温度，此温度即是凝点值。
步骤五：从步骤三预处理后的原油试样中再取出若干个密封磨口瓶，依据石油天然气行业标准SY/T 0520-93《原油粘度测定-旋转粘度计平衡法》，使用粘度计测定原油在凝点附近温度下的平衡表观粘度，具体方法是：在装样温度（即乳状液的配制温度T，其选取是根据原油析蜡特性来确定，温度> 的选取应高于析蜡点，但不宜过高避免形成的乳状液体系不稳定）将原油试样装入已预热的测量筒中，恒温静置后再以一定降温速率降至凝点附近的待表征温，恒温静置待结构完全形成后，根据原油的性质和粘度计性能参数，设定5个剪切速率进行测量，每个剪切速率选取合适的剪切时间，直至每个剪切速率达到剪切平衡，测取原油试样的平衡表观粘度。
步骤六：配制用于获取表观粘度定量表征参数使用的原油乳状液。根据旋转粘度计实验样品的需求量选择配液体积。具体方法是：所用原油试样是经步骤三预处理后的，取其中一瓶放入水浴密闭加热至配制温度，恒温30 min；按体积含水率nw>
为实现本发明表观粘度定量表征的目的，需要测量不同含水率、不同搅拌速率和不同搅拌时间下配制的原油乳状液表观粘度，因此，为使实验数据具有典型特征，在原油乳状液体系稳定的前提下，配制低（1%～10%）、中（30%～40%）、高（50%～60%）3个含水率的原油乳状液，每一含水率原油乳状液分别在低（8 r/s～10 r/s）、中（14 r/s～16 r/s）、高3（20 r/s～22 r/s）个剪切速率，低（500s～600s）、中（800s～900s）、高（1100s～1200s）3个剪切时间，9种配制条件下形成。
步骤七：测定步骤六配制原油乳状液的表观粘度，步骤六配制好的某一含水率、配制条件下的原油乳状液按照步骤五的表观粘度测量方法进行原油乳状液表观粘度测定。配制好的新鲜乳状液按照测量标准装入流变仪测量筒后，将剩余乳状液迅速装至乳状液稳定性观察试管中，并将其置于流变仪程控水浴中，使观察试管中的乳状液与流变仪中实验样品经历相同的热历史，以观测流变仪中样品是否破乳。
测量两个温度下原油乳状液的表观粘度：一是配制温度，二是待表征温度；
在原油乳状液配制温度下，由于在析蜡点温度以上，原油一般表现为牛顿流体特性，低含水率原油乳状液也表现为牛顿流体特性，需测平衡表观粘度；而中高含水率的乳状液表现为非牛顿流体特性，符合幂律流体本构关系，其本构方程如下，根据表观粘度数据，拟合出原油乳状液的K>n>
式中 为剪切应力，Pa；
为剪切速率，s-1;
k>n；
n为流变行为指数，无量刚量；
步骤八：根据步骤六配制乳状液的条件，计算每一种配制条件下的粘性流动熵产值，适用于计算低含水率牛顿流体特性原油乳状液粘性流动熵产值的表达式为
适用于计算中高含水率非牛顿流体特性原油乳状液粘性流动熵产值的表达式
式中——乳状液的体积含水率，%；
、——分别为水和原油的密度，kg/m3；
T>
——搅拌转速，r/s；
——Metzner常数，取估计值11；
——牛顿流体的粘度，Pa·s；
——幂律模型中稠度系数，或幂律系数，Pa·sn；
——幂律模型中流性指数，或称为幂律指数，无量纲；
——搅拌时间，s；
——乳状液配制时间段内的粘性流动熵产，J/kg·K；
步骤九：原油乳状液配制过程的粘性流动熵产值sg>cw>
式中a0>a1>a2>a3>a4>
将每一种配制过程的粘性流动熵产值sg>cw>
求出拟合参数a0>a1>a2>a3>a4>
即
（牛顿流体）
（非牛顿流体）
式中——剪切速率，s-1；
——空白原油粘度，mpa·s；
——原油在某一温度析蜡量，%；
步骤十：在已知空白原油密度、表观粘度、析蜡特性等物性前提下，欲配制给定含水率、确定温度下某一表观粘度的模拟原油乳状液，根据上述表达式，准确选择配制乳状液时的搅拌条件，即按照不同搅拌速度与搅拌时间的组合配制基于表观黏度量化表征的原油乳状液。
结合A原油对本发明做进一步的实验验证如下：
1.根据步骤一，测定原油的析蜡特性，所得热谱图DSC曲线如图1：
根据图1所示的DSC曲线，可确定原油的热特性参数如表1：
表1：
部分温度下的累积析蜡量表2：
表2：
2.根据步骤2，测量出原油在56、54、51℃的密度，并计算出标准密度和配制温度下的密度，如表3：
表3：
3.对欲配制乳状液所用的脱水原油进行预处理。
4.根据步骤4，测得原油凝点为32.4℃。
5.根据步骤5，测定空白原油35℃的平衡表观粘度，结果见图2：
6.根据步骤六，配制乳状液，乳状液的具体配制条件见表4：
表4：
7.根据步骤七，一共可配制出27种不同制备条件下的乳状液，需要对每一种乳状液测量两个温度下的表观粘度：一是配制温度（45℃），二是待表征温度（35℃），测定参数见表5：
表5：
图3是其中一种配制条件下的乳状液35℃的实验结果，即搅拌转速为1000r/min，配制时间为20min，含水率10%配成的乳状液的35℃表观粘度测量结果。
在高、中、低搅拌转速下，搅拌20min，乳状液的35℃的80s-1剪切作用下的平衡表观粘度随含水率的变化情况见图4：
图5是其中一种配制条件下的乳状液45℃实验结果，即搅拌转速为1000r/min，配制时间为20min，含水率10%配成的乳状液的45℃，此时乳状液为牛顿流体。
从而获取此种配制条件下的乳状液表观粘度为50.98mpa·s
图6是其中一种配制条件下的乳状液45℃实验结果，即搅拌转速为1000r/min，配制时间为20min，含水率50%配成的乳状液的45℃，此时乳状液为非牛顿流体。
根据以上表观粘度数据，拟合出式中此种配制条件下乳状液的K、n>
8.根据步骤八，计算每一种配制条件下的粘性流动熵产值。
9.根据步骤九，将每一种配制过程的粘性流动熵产值sg、空白原油表观粘度、某一温度的原油析蜡量cw、测定乳状液表观粘度时的剪切速率的对数值作为自变量的基础数据，将不同配制过程对应的乳状液平衡表观粘度的对数值作为因变量的基础数据，对式利用最小二乘法进行线性拟合，得出a0、a1、a2、a3、a4>
再对上式进行指数化，得到如下表达式：
（牛顿流体）
（非牛顿流体）
式中——剪切速率，s-1；
——空白原油粘度，mpa·s；
——原油在某一温度析蜡量，%；
10. 在已知空白原油密度、表观粘度、析蜡特性等物性前提下，可配制给定含水率、确定温度下某一表观粘度的模拟原油乳状液，根据上述表达式，可准确选择配制乳状液时的搅拌条件，即不同搅拌速度与搅拌时间的组合。
比如实验室欲用大庆原油配制表观粘度为286mpa·s（35℃，80s-1剪切作用下）的17.5%含水率和486mpa·s的45.6%含水率的两种乳状液，根据步骤九的关系式，分别选取低转速和高转速的配制条件，可推算出配制时间，也可选取合适的配制时间，推算出配制转速，具体配制条件见表6：
表6：
机译： 利用空化和基于过滤的系统将重质原油/乳状液转化为轻质原油
机译： 将原油中水乳状液的相转化成原油中水乳状液的过程
机译： 降低从蜡质原油，原油中水乳状液和烃水合物分散体中选择的流的重启压力的方法
