Определение текущего значения вязкости нефтеводяной эмульсии

УДК 528

А.Ф. Серов, В.Н. Мамонов, А.Д. Назаров, М.В. Бодров ИТ СО РАН, Новосибирск

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕКУЩЕГО ЗНАЧЕНИЯ ВЯЗКОСТИ НЕФТЕВОДЯНОЙ ЭМУЛЬСИИ

A.F. Serov, V.N. Mamonov, A.D. Nazarov, M.V. Bodrov

Institute of Thermophysics of Russian Academy of Science

Lavrentyev aven., 1, Novosibirsk, 630090, Russian Federation

DETERMINATION OF A CURRENT VISCOSITY OF THE WATER-OIL EMULSION

The leading oil-producing companies are actively introducing the progressive technology of controlled oil production on the basis of mathematic hydrodynamic model of a bed, well parameters and controlled supply of various mixtures into a bed. This allows 60% improvement of efficient utilization of the oil pools.

Ведущие нефтедобывающие фирмы в настоящее время интенсивно внедряют прогрессивную технологию управляемой добычи нефти на основе математической гидродинамической модели пласта, параметров скважины и управляемой подачи различных смесей в пласт, что позволяет повысить эффективность использования залежей до 60 %.

Одной из наиболее важных и сложных задач является измерение объема отдельных компонент механической смеси (эмульсии) поднимаемой из скважины. Эмульсия, поднимаемая из пласта, является термодинамически неустойчивой дисперсной средой первого или второго рода и содержит большое количество компонент как органических, так и минеральных. Наиболее сложно учитываемым параметром при измерении расхода эмульсии является кажущаяся вязкость. Нефтяные эмульсии относятся к полидисперсным системам, так как состоят из капель различного диаметра воды и нефти. Вязкость нефтяных эмульсий - не аддитивное свойство и зависит от типа смеси, вязкости нефти, температуры, влажности, степени дисперсности смеси и от градиента скорости в потоке. Это обстоятельство весьма затрудняет использование известных уравнений (А. Эйнштейн, Монсон, Wioelflin [1, 2]). Их можно использовать для расчета вязкости только в определенных областях состояния диспергированного вещества. Например, одни формулы рассчитаны для нефти с содержанием воды до 30-35 %, для применения других необходимы специальные исследования и определение большого числа расчетных данных.

Более прогрессивным методом учета истинного значения кажущейся вязкости потока может быть метод непосредственного измерения вязкости смеси в измерительном участке регистратора расхода смеси.

Для решения этой задачи был применен метод регистрации мгновенного значения сопротивления специального сужающего устройства (СУ),

представляющего собой плоскую щель в канале круглого сечения. На рис. 1 приведена схема СУ

СУ является одним из традиционных инструментов, используемых для измерения расхода жидкостей и газов. Часто используемые разновидности СУ - это стандартные диафрагмы и стандартные сопла. Теория и методики применения СУ в настоящее время хорошо проработаны. Геометрия, типоразмеры и диапазоны измерения расходов СУ, используемых в технологических и коммерческих целях, жестко регламентированы различными ГОСТ и ТУ [3].

Рис. 1. Схема измерительного участка и картина поля скоростей потока: а -измерительный участок (V м/с - ультразвуковой измеритель скорости, dP -дифференциальный манометр, Т - датчик температуры); б - поле скоростей в

щелевом зазоре

Обычно СУ используют для измерения расхода газов и жидкостей в области достаточно больших чисел Рейнольдса (большие скорости течения и малые значения вязкости потока), когда силами трения в потоке можно пренебречь. В этом случае расход жидкости или газа через СУ пропорционален потере давления на СУ и может быть легко определен по калибровочной кривой СУ, если измерена эта потеря давления. Вид калибровочной кривой зависит только от геометрии СУ.

В настоящей работе предлагается использовать СУ нетрадиционным способом - для измерения вязкости нефтеводных смесей (НВС) или других жидкостей, имеющих такую вязкость, когда силами трения в потоке уже пренебречь нельзя.

При работе с НВС в общем случае, когда вязкость НВС может быть достаточно высока, а расходы весьма умеренны, очень удобно характеризовать конкретное СУ, имеющее определенную геометрию проточной части, универсальной для любых несжимаемых жидкостей зависимостью, которая учитывает и вязкость потока:

X = ^Яе).

Здесь X = ДР/(pV /2) - коэффициент сопротивления СУ, представляющий собой отношение сил давления потока к силам инерции, Яе = рУО/^ - число Рейнольдса, ДР - перепад давления на СУ, р - плотность жидкости,

протекающей через СУ, V - средняя скорость потока во входном сечении СУ, D - диаметр входного сечения СУ, ^ - динамическая вязкость жидкости.

Безразмерная зависимость X = ДДе) индивидуальна для каждого СУ, так как в нее входят параметры, описывающие геометрию СУ

Но эта индивидуальная с точки зрения геометрии СУ зависимость универсальна для любых жидкостей (в том числе и для смесей) во всем доступном для практики диапазоне расходов, так как она учитывает кинематику потока (скорость V) и свойства жидкости (плотность р и вязкость

ю.

Таким образом, если для конкретной геометрии проточной части СУ каким-либо образом (расчетным или экспериментальным) получена универсальная зависимость X = ДДе) или обратная ей Re = g( X), то эти зависимости можно использовать для любых несжимаемых ньютоновских жидкостей (в том числе и при достаточно малых числах Рейнольдса) для решения, по крайней мере, двух задач:

1. Для определения объемного или массового расхода жидкости, протекающей через СУ, если измерен перепад давления АР на СУ и известны плотность жидкости р и динамическая вязкость жидкости ц.

2. Для определения динамической вязкости жидкости ц (например, НВС), если измерены перепад давления АР на СУ, объемный расход жидкости Q (средняя скорость жидкости V во входном сечении СУ) и известна (из таблиц или измерена) плотность жидкости р.

Описанная выше методика измерения вязкости и объемного расхода вязких жидкостей с помощью СУ была реализована и показала хорошие результаты.

Геометрические размеры измерительного участка канала определялись из оптимального соотношения потери давления при заданном диапазоне регистрируемых расходов. В качестве одного из рабочих вариантов на рис. 1 приведены параметры измерительного участка расходомера для

3 3

диапазона расходов от 0,6 м /ч до 6 м /ч. Математическая модель канала позволила определить зависимость сопротивления измерительного участка от скорости и вязкости потока.

Измерительный участок канала имел диаметры входного и выходного сечений 50 мм, и общую монтажную длину 600 мм.

Для проведения измерений был разработан и изготовлен специальный гидравлический стенд, позволяющий создавать в рабочем участке СУ стационарный поток жидкости с заданным расходом и известными характеристиками (температура, вязкость, плотность). В качестве рабочей жидкости использовался водный раствор глицерина. В состав стенда входил теплообменник, который позволял поддерживать в гидравлическом контуре любую заданную температуру в диапазоне от 25 °С до 70 °С.

Были проведены пять серий экспериментов:

- На воде при температуре 30 °С;

°С; °С; °С; °С.

На водном растворе глицерина (80 % глицерина) при температуре 25 На водном растворе глицерина (80 % глицерина) при температуре 68 На водном растворе глицерина (70 % глицерина) при температуре 25 На водном растворе глицерина (70 % глицерина) при температуре 65

Эти эксперименты позволили охватить диапазон чисел Рейнольдса от 200 до 32000 при изменении динамической вязкости рабочей жидкости от 1 сП до 45 сП.

На рис. 2 приведена полученная на основе этих экспериментов безразмерная зависимость для измерительного участка СУ в виде lgRe =

ЩеХ).

№

5.0000

4,5000

4,0000

3,5000

-.З'.ОООО

2,5000

2,0000

** * *

\

+ * * ч.

V  О»

1 —. V

1 £00

1,500

2000

2,100

2200

2,300

2,<Ж

2 ^00

X)

Рис. 2. Безразмерная зависимость числа Рейнольдса от коэффициента

сопротивления СУ

Из рисунка следует, что полученные экспериментальные точки хорошо обобщаются полиномом третьей степени и, следовательно, эту зависимость можно использовать для определения вязкости жидкостей в указанных выше диапазонах вязкостей и чисел Рейнольдса.

На рис.3 приведено сравнение измеренного по описанной методике значения динамической вязкости рабочей жидкости с его фактическим значением, определенным с помощью капиллярного вискозиметра. В

качестве рабочей жидкости использовался водный раствор глицерина (80% глицерина) при температуре 25°С. Экспериментальные точки отличаются расходом жидкости через СУ: расход изменялся в диапазоне от 1м /ч до 4м /ч. Вязкость рабочей жидкости ^ = 46 сП.

Из рисунка следует, что погрешность измерения вязкости рабочей жидкости предлагаемым методом составляет величину порядка ±10 %. Это достаточно хорошая точность, если измеренные значения вязкости использовать для практических целей, например, при определении расхода водонефтяных эмульсий.

Рис. 3. Отклонение измеренного значения динамической вязкости рабочей жидкости от фактического значения

Таким образом, предлагаемая методика с помощью СУ позволяет мало затратным способом решить проблему измерения вязкости жидкостей в потоках при малых числах Рейнольдса. В сочетании с ультразвуковыми расходомерами такие СУ, вполне возможно, позволят решить проблему учета товарной нефти на нефтяных скважинах.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. В.М. Люстрицкий. Влияние дисперсности на вязкость нефтеводных эмульсий. М.; ВНИИОНГ, Нефтепромысловое дело, 1997. - № 10-11. С. 35-37.

2. П.А. Ребиндер. Поверхностные явления в дисперсных системах. Избр. Тр., Наука, 1979. - 384 с.

3. П.П. Кремлевский. Расходомеры и счетчики количества вещества. Справочник. - С.-П.: Политехника, 2002. - 409 с.

© А.Ф. Серов, В.Н. Мамонов, А.Д. Назаров, М.В. Бодров, 2009