3.3 加剂后垂直管道水包油乳状液形成规律

在垂直管流装置中,控制油相流速0.12m/s, 使油相在管道中循环流动,通过注入泵将0.5%表面活性剂水溶液注入油流参与循环,使整个体系持水率为50%,观察加入表面活性剂溶液后,在垂直管道中O/W乳状液的形成过程：

50%持水率的表面活性剂水溶液加入油相中后,先以连续的扰动流流动型态穿过油相;到2min时,连续的水相逐渐分散、溶解,油珠穿插在连续的水相中,形成更明显的搅拌状流动;3min时,水相继续分散,水相与油相形成油水界面膜,此时泡状流出现(水泡放大10倍图像见图5 (a));5min时,部分水相与油相形成水包油乳状液,透光性变差,水相与形成的水包油乳状液以环状流的形式在垂直管道中上升流动;7min时,更多的水包油乳状液形成,少部分水相分散在水包油乳状液中;8min完全形成O/W乳状液(10倍放大图见图5(b))。

泡状流时,水相在连续的油相中形成一个一个的水泡,说明表面活性剂降低油水表面自由能,使水泡稳定且均匀的分散在油相中;形成水包油乳状液后,小油滴被水包裹,液滴尺寸明显降低,分散度增加,稳定的存在在连续相中。

3.4 基于电阻探针法测量原油O/W乳状液形成规律

由于实际原油不可视,可视观察法难以得到实际原油油水两相流动型态,为探索能够测量原油油水两相流动型态的方法,采用4组平行电阻探针,连接电阻率测量仪,固定温度50℃,在混合流速为0.06m/s下,模拟油管76mm管径中23.68m 3/d流量,通过电脑实时测量并记录不同持水率(30%、 50%、70%)时,塔河原油在加入水溶性复合降黏剂SDG-2的条件下,水包油乳状液形成过程中电阻值变化曲线,并分析该曲线所对应油水两相流动型态。

持水率为30%时,加剂后油水两相流动型态随时间变化规律为:弹状流—环状流— 泡状流—O/W乳状液流动。弹状流流型下,降黏剂水溶液以大段塞的形式存在于油相中,间歇式上升, 电阻探针信号变化明显,呈周期式波动;当达到环状流型时,降黏剂水溶液穿过油相中心,电阻探针信号波动明显,表现为一段低值波动,一段高值波动;继续循环运行一段时间,油水两相流动型态转变为泡状流,电阻探针信号在小幅度范围内振荡,且振荡频率密集,每一个水泡接触到探针,都会使信号向高频值波动;当形成水包油乳状液后,油滴均匀分散在水相中,水相为连续相,此时4组电阻探针显示的电阻值会有几秒钟的持续时间,且保持在高电阻值附近, 不同时域存在电阻值的负脉冲波动,每次的负脉冲波动都说明有油滴穿过探针。从加入降黏剂水溶液到完全形成O/W乳状液,共用时900s。

50%持水率条件下,4组探针信号显示整个体系形成乳状液过程为:环状流—泡状流—水包油乳状液。持水率从30%增大到50%,不存在弹状流,这是因为持水率增大,由于降黏剂降低油水界面张力作用,水相更易被油相“拉长”,成为长条形而非圆球形,从而形成中心是水相、接近管壁处为油相的水中心环状流,流动一段时间后,环状流流型逐渐被打破,水相以水滴的形式分散在油相中, 形成泡状流,此时油水混合程度加大,继续运行一段时间,整个体系形成O/W型乳状液,从加入降黏剂到完全形成乳状液共用时540s。

70%持水率条件下,四组探针信号显示加剂后油水两相流动型态为:扰动流—水包油乳状液。扰动流型实际可看作是泡状流、蠕状流、环状流的混合流型,因此扰动流的探针信号是泡状流、蠕状流、环状流探针信号的集合,表现为高电阻值、低电阻值上下波动幅度大,且呈现一定持续时间。 70%持水率下,由于持水率增大,水相受油相径向阻力增大,由于加入降黏剂的水溶液与油相界面张力降低,水相无法继续保持环状流,转变为波动剧烈的扰动流,此流型下油水两相更易形成O/W型乳状液,整个过程共用时280s。

基于电阻探针法测量得到的油水乳状液形成过程与透明可视观察法得到的油水乳状液形成过程基本相符,说明对于不可视的原油, 采用电阻探针法测量油水两相流动规律具有一定可行性,为原油-水两相流动规律的在线监测方法提供了理论依据。

3.5 油水两相流动型态转变界限方程

在油水两相流动过程中,当油包水流动转变为水包油流动,即相转化发生,容易导致流体流变特性的突变;同时,液相与管道壁面的接触方式及何种液相接触管壁都会随流型的变化而变化,从而对管道的腐蚀程度造成不同程度的影响,并且在反相点或其附近会产生动量、传热传质和压降的急剧变化。因此,相转换是油水管道设计和运行中需要考虑的主要因素之一。基于漂移流模型,在运动波理论的基础上通过分析分散相在连续相中的浓度分布随持水率的变化关系,推导出油包水流型向水包油流型转换的边界方程,该方法已获得国内外学者的认可。本文中采用数值划分流型的方法,考虑到轻油水和掺表面活性剂条件下重油水两相流动在持水率0~100%之间发生了相转换现象,对常温常压下这两种流动体系发生相转换时的流型转换界限方程进行分析。