管道内油水两相分散混合液的流变学特性和流动特征

In petroleum production industry, crude oil or water is always divided into small droplets and presented as oil-water fine dispersed flow in pipes due to the process of mining and transportation. The oil-water dispersed flow presents as the behaviors of complex non-Newtonian fluid flow but it does not perform the same as the single phase flowing in pipes which takes a great difficult to calculate the parameters in the design of oil-water mixing transportation system. So, the research of rheological properties and flow characteristics in oil-water dispersed flow is one of the most essential basic questions to design the pipeline transportation system and the related parameters reasonably. In this research, the characteristics of oil-water two-phase dispersed pipe flow will be investigated. Firstly, the micro-structure and the rheological characteristics, included shear thinning or thickening, thixotropy, visco-elasticity and yield stress, will be measured by using microscope and Rheometer directly. Secondly, the phase distribution and pressure gradient will be observed and studied in the experiments of oil-water two-phase dispersed pipe flow. From the research, the relations between stability, micro-structure and rheological behavior of oil-water dispersed mixtures should be obtained systematically. Also, the calculated method and mathematic model to predict the pressure gradient, apparent viscosity and phase inversion must be constructed which will be verified by through the using in petroleum industry. And, it will provide a scientific support of the reasonable design of separated and transported systems in crude oil production.

含水原油在开采和集输过程中，油相或水相常被分割成单独的小液滴，极易形成油水两相均匀分散流动。这种分散流动在集输过程中呈现的流动规律与单相流体不同，且混合液表现为非稳定的状态以及复杂的非牛顿流体的性质，给混输等生产系统的设计带来较大的困难。因此，系统的研究分散型油水管流是进行集输管网合理设计，特别是运行参数优化计算必不可少的基本依据。本课题将以管道内油水两相分散流动为研究对象，通过对油水分散体系的微观结构和剪切变稀/增稠、触变性、黏弹性、屈服应力等流变学特性的直接测量，以及管道内两相流动相分布等特征参数的在线观测和系统的理论分析，建立油水分散混合液的稳定性、微观结构和流变学特性间的关联，给出管流中压降、表观黏度及相转化等流动参数精确计算的方法和数学模型，并在原油开采工业应用中进行验证分析，从而为计量混输管道中的能耗，合理设计多相混输管道和管道式油气水分离器等工业生产设备提供科学的理论依据。

石油开采和输运中，由于剪切和局部扰动等因素油水两相常呈现为分散流型，其流动规律与单相流体不同，且混合液表现为非稳定的状态以及复杂的非牛顿流体的性质，给混输等生产系统的设计带来较大的困难。本课题以油水两相分散流动为研究对象，通过对油水分散体系的微观结构和流变学特性的直接测量，以及管道内两相流动相分布和压降等特征参数的观测和理论分析，建立油水分散混合液的稳定性、微观结构和流变学特性间的关联，给出管流中压降、表观黏度及相转化等参数精确计算的方法和数学模型，并在原油开采工业应用中进行验证分析。.按照项目计划，完成了制定的目标，取得了一系列创新性成果，并成功将相关成果应用于原油开采和输运等系统的工业化设计，实现了对理论成果的验证和应用。取得的创新性成果包括：（1）建立了稳态/非稳态油水分散混合液的微观结构与流变学特性间的对应关系；（2）系统给出了连续相流体黏度、分散相体积分数和黏度、温度、剪切速率和混合液的稳定性对其流变学特性的影响规律；（3）得到了适用于管道内油水分散流动中混合液表观黏度精确计算的方法和理论模型，进而建立了流动中压降的预测模型，并应用于工业设计，解决了存在的对管流中压降等能耗进行精确计算的问题；（4）给出了管道内油水分散流动在连续相相转化过程中表现出的相分布和压降等宏观特征，以及相应的流变学特性和微观机理；（5）给出了原油-水分散混合液的屈服应力特性，建立了原油-水分散混合液停输再启动的理论模型。.本课题系统解决了非稳态油水分散混合液表观黏度计算、摩擦压降预测和连续相相转化机理等问题，得到了相应的理论计算模型，为工业中的实际应用提供可靠的理论基础，并有效推动了非稳态混合液的流变学特性和两相流动理论的发展。项目执行期间共发表学术论文15篇，SCI收录9篇，会议邀请报告1篇；申请国家发明专利3件，授权2件；协助培养博士毕业研究生2名，在读博士研究生1名。