稠油流动边界层在水基泡沫作用下的阻力特性研究

随着常规原油的不断枯竭，人们对稠油的需求日益增长，但由于稠油本身粘度高、流道粘附严重、流动阻力大，而水基泡沫对流道具有润滑作用。因此，本项目提出稠油流动边界层在水基泡沫作用下的阻力特性问题，其目的在于探索石油开采与储运学科中的稠油流动减阻新理论。根据液固、气液与油水界面化学理论，采用流变学、影像分析及界面特性等测试分析手段，研制耐油抗乳化的水基泡沫及其注入系统；采用环道实验技术与数值模拟方法，探索垂直管、倾斜管及水平管近壁泡沫层的形成与稳定途径，研究稠油在泡沫层中流动的流型与压降变化规律，模拟分析泡沫层在稠油流动过程中的衰变及流场特征，剖析泡沫及其析液对管壁与稠油流动的作用，确定稠油流动边界层泡沫减阻的主要影响因素及减阻条件，从而揭示稠油流动边界层的泡沫减阻机理，这不仅在认识泡沫对稠油流动减阻方面具有重要的学术价值，而且在稠油井筒举升与输送的节能增效方面具有广阔的应用前景。

根据项目计划任务书，测试分析塔河稠油及透明硅油的基本性质，用Wairing Blender法筛选出稳定性较好的水基泡沫体系AFS-2，并评价其起泡性能与泡沫稳定性的影响因素；用XP-300C影像分析仪观测与分析泡沫微观形态，用Anton Paar Rheolab QC流变仪测试泡沫流变性，并针对测试中存在的壁面滑移问题提出修正方法；依托现有环道实验装置，设计加工配套的泡沫发生、注入及泡沫层生成装置，试验研究不同倾角管道中水基泡沫环对塔河稠油及硅油流动的润滑减阻效果；根据实验现象，推导水平和垂直管中泡沫润滑减阻的压降计算模型；利用Fluent软件，分别用单相流体、气水混合流体模拟泡沫，探索不同泡沫形态对环状流的影响。. 研究表明：塔河原油粘度大，其混合油THCO1和THCO2属普通稠油；2#硅油20℃粘度与THCO1粘度较接近，且硅油无色透明，故以此模拟稠油-泡沫环状流；体系AFS-2基液组成：100mLH2O＋1g/LABS＋1g/L3#＋3g/LPAM＋3g/LSF-1+3g/L十二醇，100mL该基液在15℃、101.3kPa下发泡量为380mL，半衰期为6050min；泡沫稳定性随温度升高、油或盐加量增大而降低，油粘度越低，对泡沫的破坏性越强，CaCl2的破坏性强于NaCl；AFS-2泡沫呈幂律流体特性；干泡沫（含气74%）在水平管内易形成上层泡沫、下层稠油的分层流，减阻效果不明显；当THCO1稠油流量为6～12L/min时，流量为0.5L/min的湿泡沫（含气30%）在管道内不能形成完整的隔离层，减阻效果不明显，当湿泡沫流量增至1～3L/min后减阻率高于75%；在垂直上升流动中，THCO2稠油与湿泡沫流量分别为5～11L/min与1～5L/min时，减阻率可达70%以上；对硅油流量分别为5与8L/min的水平管流，最佳成环泡沫/硅油流量比分别为0.23与0.50；对硅油流量为7.8L/min的30°倾斜管流，最佳成环流量比为0.53，当倾角为60°时，成环效果较好，但减阻率与流量比的变化规律较差；硅油流量分别为8.3与11.7L/min的垂直上升管流，流量比依次为0.50与0.57时减阻率高于70%；垂直管比水平和倾斜管更容易形成稳定环状流；对比水平与垂直管泡沫润滑压降的实验值与预测值，相应的误差为－28%～18%与－32%～11 %。