原油在集输管道流动的实验方法及实验系统

技术领域

本发明涉及油气工程的技术领域，尤其涉及一种原油在集输管道流动的实验方法及实验系统。

背景技术

进入高含水阶段的油田，平均综合含水率通常超过90％，产液的流动特征发生较大变化，给不加热集输创造了有利条件。针对不同开发阶段、不同含水等生产条件下的高含水含蜡原油不加热集油开展研究和应用，进行室内研究和现场试验，目前取得了许多研究和应用成果，有针对性地制定了边界条件，促使不加热集油的应用范围也逐渐扩大，已经取得了显著提质增效成果。

大量的实验研究表明，制约集输管道不加热集输边界条件的主要影响因素是：临界粘壁温度。伴生气对于管道实现不加热集输具备促进作用，但对于不同气液比条件下管道粘壁规律的研究较少，尤其是对于原油凝点以下不同气液比对粘附规律的影响规律缺少定量的准确评价，成为在油气田现场更大范围、更深层次推广不加热集输技术的制约瓶颈。

用于测试原油粘附规律的方法主要有三种：现场实验法、搅拌罐模拟系统和室内环道实验法(压差法)。

现场实验法主要通过逐步降低集输温度进行试验，多在集油管道重要节点安装透明玻璃管、温度计、压力表，以监测采出液的流动状态、井口回压、沿程压力、井口出油温度、进站温度等参数的变化，由此判断集输温度界限。但这种方法需要对不同油井分别进行实验，工作量大且实验周期较长，形成的成果不具有广泛推广性。

搅拌罐模拟系统是由数显型搅拌器、水套式小型控温罐和控温水浴组成，其测试原理是以搅拌流剪切来模拟相等剪切力下的管流剪切，依靠称重法对比粘壁量来界定粘壁临界温度，粘壁量突增的温度即是粘壁临界温度。但这种方法存在搅拌不均匀、无法完全模拟油水流动规律等问题，且其无法获得带压环境下伴生气对粘附规律的影响，尽管有研究学者提出了在高压釜内模拟带压环境的粘附现象，但却没有能考虑到实际管流中伴生气对于粘附的剪切作用，因此，搅拌罐的方法依然存在不可消除的缺陷。

环道实验装置常见于高校或研究机构用于开展多相蜡沉积实验，由以下几部分组成：油品供给系统、气体供给系统、水供给系统、温控系统、测量系统、测试段、参比段、局部取样段、快关段和数据采集系统。如中国石油大学(北京)的环道采用DN25的不锈钢管建成，全长25m。进入测试段之前的稳定直管段为4.4m，以保证实验测试段中的流动为充分发展的流动，环道全线采用与水浴控制器相连通的水套进行控温。该环道能够满足单相油流和油-水两相流动条件下的蜡沉积实验要求。

为研究溶气原油流变性，于涛建立了溶气原油流变性测量装置(于涛.溶气原油流变性研究[D].中国石油大学(华东)硕士学位论文,2009,P26-41)，测量主要仪器为ARG2高压流变仪，制备溶气原油后，导入高压流变仪内测量其粘度等物性参数。其存在的主要问题是：流变仪内溶气原油处于相对静止状态，与工程实际管流状态不符，无法模拟实际流动工况，导致实验结果存在较大误差。

中国石油大学(华东)提出过一种用于溶气原油测试的环道实验装置(中国发明专利申请CN106769674A)，但该环道主要应用于溶气对于原油的一些流变物性测试，设计之初并未考虑原油粘附规律。

中国石油规划总院提出了一种溶气油水混合液的粘壁试验装置和粘壁试验方法(中国发明专利申请CN111638156A)，用于测量不同含水率和气液比下的粘壁温度和粘壁速率，但该环道采用了搅拌罐作为混合器，在搅拌罐下端出液会造成含水率不均匀，且其出液含水率与实际有一定偏差，同时，该环道系统原油乳状液在搅拌罐内混合后，未经过充分的溶气处置，且在测试管段前没有设置降温段，测试结果存在一定的不稳定性。

可以看出，原油在集输管道流动的测试方法，都存在一些不适应性，无法较好的模拟现场实际流动工况。

发明内容

本发明的目的是提供一种原油在集输管道流动的实验方法及实验系统，以解决现有技术中原油在集输管道流动的测试方法，无法较好的模拟现场实际流动工况的技术问题。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

本发明提供一种原油在集输管道流动的实验方法，包括：含水原油制备装置制备含水原油；将含水原油输送至测试系统；

所述含水原油制备装置包括油腔、水腔、混合器和控温系统，所述油腔和所述水腔均与所述混合器连通，所述控温系统用于调控含水原油的温度；

所述测试系统包括测试管和测压装置，所述测试管的入口端与所述混合器连通，所述测试管的入口端和出口端分别设置有所述测压装置。

在优选的实施方式中，所述控温系统包括加热装置和冷却装置，所述加热装置设置于所述油腔，所述冷却装置设置于所述水腔。

在优选的实施方式中，所述油腔与所述混合器之间设置有第一螺杆泵，所述水腔与所述混合器之间设置有第二螺杆泵。

在优选的实施方式中，所述含水原油制备装置包括储存有天然气的供气瓶，所述供气瓶与所述测试管的入口端连通。

在优选的实施方式中，所述含水原油制备装置设置有气腔，所述供气瓶与所述气腔连通，所述气腔通过压缩机与所述混合器的入口端连通。

在优选的实施方式中，将所述油腔中的原油温度加热至原油凝点以上3℃～5℃，将所述水腔中的水温度冷却至原油凝点以下15℃～20℃，并且所述水腔中的水温度高于0℃。

在优选的实施方式中，所述测试管包括多个依次首尾连接的测试分管，相邻所述测试分管之间设置有所述测压装置。

在优选的实施方式中，所述测试系统包括多个水浴装置，所述测试分管设置于所述水浴装置中。

在优选的实施方式中，所述含水原油制备装置设置有气腔，所述气腔与所述混合器的入口端连通；所述含水原油制备装置包括三相分离器，所述油腔、所述水腔和所述气腔均设置于所述三相分离器；所述测试管的出口端与所述三相分离器通过升温管连接。

本发明提供一种原油在集输管道流动的实验系统，应用于上述的原油在集输管道流动的实验方法，所述实验系统包括：含水原油制备装置和测试系统；

所述含水原油制备装置包括油腔、水腔、混合器和控温系统，所述油腔和所述水腔均与所述混合器连通，所述控温系统用于调控含水原油的温度；

所述测试系统包括测试管和测压装置，所述测试管的入口端与所述混合器连通，所述测试管的入口端和出口端分别设置有所述测压装置。

本发明的特点及优点是：

(1)可测试在带压环境下，考虑不同气液比的高含水原油乳状液与管壁表面的粘附规律，较为真实地实现了模拟和控制混合条件下溶气原油流动参数，测量混合条件下溶气原油临界粘壁温度，尤其是避免了传统搅拌罐难以直接获取和控制流体综合含水率和乳化含水率的问题；

(2)可以在满足实验温度控制的要求下，实现不同管材、管径的实验，可满足多工况多用户实验需求，并且可以与室内机理研究和室外现场试验验证互相结合，有效支撑后续溶气原油不加热集输应用研究；

(3)三相分离器内部可实现油、水温度分别控制，由于水的比热容较大，通过只加热油温，同时降低水温，可以有效节省实现装置的油水混合管段的长度，同时降低系统的总能耗；

(4)可以用于研究不同气液比条件下，原油粘附规律、以及测试带压环境下，原油临界粘壁温度，也可以用于研究不同气体流量剪切冲刷作用与原油粘附作用之间的关系；

(5)有效支撑后续溶气原油不加热集输微观机理研究，进一步优化高含水油田的集输温度，为不加热集输工艺在各油田更大范围更深层次推广，实现降本增效，建设低碳、绿色油田，创造有利条件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的原油在集输管道流动的实验系统的结构示意图；

图2为图1所示的原油在集输管道流动的实验系统的中的含水原油制备装置结构示意图；

图3为本发明提供的原油在集输管道流动的实验方法的结构示意图。

附图标号说明：

100、含水原油制备装置；101、油腔；102、水腔；103、气腔；

2、三相分离器；5、界面控制仪；

3、加热装置；4、冷却装置；

7、第一螺杆泵；6、第二螺杆泵；

15、混合器；

8、流量计；13、油样化验分析口；14、水样化验分析口；

1、供气瓶；10、除油罐；11、压缩机；

200、测试系统；

16、测试分管；22、水浴装置；

28、测压装置；34、温度计；

21、升温管；27、电伴热器；

36、化验分析口；37、数据采集与分析系统。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

方案一

本发明提供了一种原油在集输管道流动的实验系统，如图1和图2所示，该实验系统包括：含水原油制备装置100和测试系统200；含水原油制备装置100包括油腔101、水腔102、混合器15和控温系统，油腔101和水腔102均与混合器15连通，控温系统用于调控含水原油的温度；测试系统200包括测试管和测压装置28，测试管的入口端与混合器15连通，测试管的入口端和出口端分别设置有测压装置28。

该实验系统模拟现场集输管道实际流动状况，分析现场集输管道流动规律，可测试高含水原油乳状液与管壁表面的粘附规律，实现了模拟和控制原油流动参数，测试含水率对原油在凝点以下粘附规律影响，避免了传统搅拌罐难以直接获取和控制流体综合含水率和乳化含水率的问题；可以用于研究原油粘附规律和原油临界粘壁温度；有效支撑原油不加热集输微观机理研究，进一步优化高含水油田的集输温度，为不加热集输工艺在各油田更大范围更深层次推广，实现降本增效，建设低碳、绿色油田，创造有利条件。

如图1所示，测试管的入口端和出口端分别设置有温度计34，该试验系统可以测量原油集输管道临界粘壁温度，测量原油在凝点以下粘附量和管道压差变化。

在一些实施方式，含水原油制备装置100包括储存有天然气的供气瓶1，供气瓶1与测试管的入口端连通，供气瓶1用于供应压缩天然气(CNG，Compressed Natural Gas)，该试验系统可以测量带压溶气工况下的原油在凝点以下粘附量和管道压差变化，测量带压溶气工况下的原油集输管道临界粘壁温度。该试验系统可模拟带压环道，测试不同气液比条件下对原油在凝点以下粘附规律影响，尤其适用于油气集输管道粘附规律室内模拟实验研究；可测试在带压环境下，考虑不同气液比的高含水原油乳状液与管壁表面的粘附规律，较为真实地实现了模拟和控制混合条件下溶气原油流动参数，测量混合条件下溶气原油临界粘壁温度；用于研究不同气液比条件下原油粘附规律，也可以用于研究不同气体流量剪切冲刷作用与原油粘附作用之间的关系。进一步地，含水原油制备装置100设置有气腔103，供气瓶1与气腔103连通，气腔103通过压缩机11与混合器15的入口端连通。

测试不同气液比条件下对原油在凝点以下粘附规律的影响，需要将油水混合液从凝点温度以上降低至凝点温度以下，为此，发明人对控温系统做了进一步的改进：控温系统包括加热装置3和冷却装置4，加热装置3设置于油腔101，冷却装置4设置于水腔102，可实现油、水温度分别控制，由于水的比热容较大，通过只加热油温、同时降低水温，可以有效节省实现油水混合管段的长度，缩短混合器15和测试管用于冷却混合液的长度，同时降低系统的总能耗。进一步地，油腔101内的加热装置3为加热控制盘管，水腔102内的冷却装置4为冷却控制盘管，在测试的开始，将油腔101内的原油和水腔102内的水分别控制在需要设定的温度。油腔101内的原油和水腔102内的水的温差一般控制在10℃-20℃。

在一些实施方式中，油腔101与混合器15之间设置有第一螺杆泵7，水腔102与混合器15之间设置有第二螺杆泵6，避免了传统搅拌装置流出混合液体含水率难以控制的缺陷。优选地，混合器15采用动态管道混合器15，由两台螺杆泵和一台压缩机11分别将油样凝点温度以上的原油和油样凝点温度以下10℃-20℃的水以及实验气体输送至混合器15内，通过分别调节计量监测油、水、气三相的流量，控制混合器15内的三相流体含水率、气液比等参数。第一螺杆泵7与混合器15之间、第二螺杆泵6与混合器15之间和压缩机11与混合器15之间分别设置有流量计8，压缩机11与气腔103之间设置有除油罐10。

在一些实施方式中，测试管包括多个依次首尾连接的测试分管16，相邻测试分管16之间设置有测压装置28，便于满足不同管材、不同管径的测试需求，可以实现分段压力、温度及原油粘附质量的监控，以更好的对管道粘附规律进行分析。测试分管16之间的接口可以为可拆卸式。测试系统200包括多个水浴装置22，测试分管16设置于水浴装置22中，采用分段可拆卸式的测试管，可以避免水浴装置22尺寸和功率过大、占地面积大等问题。如图1所示，测试管包括5段测试分管16，并分别配置水浴装置22。

在一些实施方式中，含水原油制备装置100设置有气腔103，气腔103与混合器15的入口端连通。油水分别从油腔101和水腔102中流出，进入混合器15混合后进入测试管；天然气由气腔103流出，经压缩机11增压后，进入混合器15前端、降温管段前端，与油水两相混合；经降温后的油气水三相进入测试管并保温，测试记录测试管两侧的压力和温度数值，通过压差计算法，分析粘附规律影响。

如图1所示，含水原油制备装置100包括三相分离器2，油腔101、水腔102和气腔103均设置于三相分离器2；测试管的出口端与三相分离器2通过升温管21连接，油气水三相从测试管流出后，经过升温管21，进入三相分离器2分离，有利于充分减少实验用油和天然气的数量。在整个系统中形成回流闭环，将测试管终端凝点以下温度的三相混合液经过升温管21升温后，回流至三相分离器2内，升温管21的设置可以有效促进油水乳状液在进入三相分离器2之后的破乳沉降分离过程，减少回流液在三相分离器2内的分离时间，避免三相分离器2内出现大量的凝油团，对后续实验造成影响。优选地，升温管21包括电伴热器27。

三相分离器2可以采用现有技术中的油水气三相分离方法，对油水气三相进行分离，分离后的油、水、气，分别进入到油腔101、水腔102和气腔103。在三相分离器2中的油水界面处设置高精度的界面控制仪5；打开高精度的界面控制仪5，控制油水界面在要求的范围之内。打开供气瓶1，设置三相分离器2内实验压力，一般控制在2.5Mpa左右。

在一些实施方式中，回流至三相分离器2的回流处均设置了化验分析口36；油腔101的出口处有油样化验分析口13，水腔102的出口处设置有水样化验分析口14，以方便获取各阶段、各位置的流体参数。

测压装置28可以为高精度压力表。在一些实施方式中，该试验系统设置有集中式数据采集与分析系统37，各位置的测压装置28和温度计34均与其进行连接，以对实验数据进行实时采集与处理分析。

方案二

本发明提供了一种原油在集输管道流动的实验方法，如图3所示，该实验方法包括：步骤S10，含水原油制备装置100制备含水原油；步骤S20，将含水原油输送至测试系统200；含水原油制备装置100包括油腔101、水腔102、混合器15和控温系统，油腔101和水腔102均与混合器15连通，控温系统用于调控含水原油的温度；测试系统200包括测试管和测压装置28，测试管的入口端与混合器15连通，测试管的入口端和出口端分别设置有测压装置28。

该实验方法模拟现场集输管道实际流动状况，分析现场集输管道流动规律，可测试高含水原油乳状液与管壁表面的粘附规律，实现了模拟和控制原油流动参数，测试含水率对原油在凝点以下粘附规律影响，避免了传统搅拌罐难以直接获取和控制流体综合含水率和乳化含水率的问题；可以用于研究原油粘附规律和原油临界粘壁温度；有效支撑原油不加热集输微观机理研究，进一步优化高含水油田的集输温度，为不加热集输工艺在各油田更大范围更深层次推广，实现降本增效，建设低碳、绿色油田，创造有利条件。

控温系统包括加热装置3和冷却装置4，加热装置3设置于油腔101，冷却装置4设置于水腔102，可实现油、水温度分别控制。进一步地，步骤S10中，将油腔101中的原油温度加热至原油凝点以上3℃～5℃，将水腔102中的水温度冷却至原油凝点以下15℃～20℃，并且水腔102中的水温度高于0℃。

在一些实施方式中，如图3所示，该实验方法包括：步骤S30，含水原油从测试系统200流出后，回流至含水原油制备装置100。如图1所示，含水原油制备装置100包括三相分离器2，油腔101、水腔102和气腔103均设置于三相分离器2；测试管的出口端与三相分离器2通过升温管21连接，油气水三相从测试管流出后，经过升温管21，进入三相分离器2分离，形成回流闭环，有利于充分减少实验用油和天然气的数量。

该实验方法可以采用图1所示的原油在集输管道流动的实验系统，该实验方法的具体操作方法包括：

步骤1：打开所有管线阀门并打开供气瓶1的进气阀，置换实验系统内的气体5min后关闭供气瓶1进气阀，实验系统全程保持带压状态，之后关闭油气水三条管线的进出口阀门。

步骤2：将实验用现场采出水注入水腔102，将实验用纯油油样注入油腔101，通过界面控制仪5调节油水高度，打开供气瓶1并调节减压阀使罐内达到目标压力，等待一段时间使气体充分溶解在油水中；打开油腔101中的加热装置3和水腔102中的冷却装置4，将原油温度加热至原油凝点以上3℃-5℃，将水温度冷却至原油凝点以下15℃-20℃(且大于0℃)。

步骤3：打开各测试分管16上的水浴装置22，设置水浴温度为降温试验目标温度，设置升温管21的电伴热温度为凝点以上20℃，各温度控制装置设置完成之后保持3min-5min。

步骤4：待环道各测试分管16达到设定温度后，打开油气水三相管线的进口阀门(注意不要打开泵、压缩机11和流量计8的旁接阀门)，通过调节第一螺杆泵7和第二螺杆泵6的流量确保油水按照一定含水率进入混合器15，通过调节压缩机11的流量确定进入系统的气量；实验过程中，通过调节供气瓶1调压阀，控制系统的压力，使其达到目标压力；同时，通过调节供气瓶1调压阀，控制气体流量，进而改变气流冲刷力的大小。

步骤5：开启数据采集与分析系统37，自动获取记录各测试分管16节点的压力变化，通过温度计34记录测试管起终点温度变化。

更换测试管的管材和管径，重复以上步骤，可获取不同实验结果。

该实验方法可模拟带压环道，模拟现场集输管道实际流动状况，分析现场集输管道流动规律，测量带压溶气工况下的原油在凝点以下粘附量和管道压差变化，测量带压溶气工况下的原油集输管道临界粘壁温度；测试不同气液比条件下对原油在凝点以下粘附规律影响，尤其适用于油气集输管道粘附规律室内模拟实验研究；可测试在带压环境下，考虑不同气液比的高含水原油乳状液与管壁表面的粘附规律，较为真实地测量混合条件下溶气原油临界粘壁温度，可以与室内机理研究和室外现场试验验证互相结合，有效支撑后续溶气原油不加热集输应用研究，具有如下效果：(1)可测试在带压环境下，考虑不同气液比的高含水原油乳状液与管壁表面的粘附规律，较为真实地实现了模拟和控制混合条件下溶气原油流动参数，测量混合条件下溶气原油临界粘壁温度，尤其是避免了传统搅拌罐难以直接获取和控制流体综合含水率和乳化含水率的问题；(2)可以在满足实验温度控制的要求下，实现不同管材、管径的实验，可满足多工况多用户实验需求，并且可以与室内机理研究和室外现场试验验证互相结合，有效支撑后续溶气原油不加热集输应用研究；(3)三相分离器2内部可实现油、水温度分别控制，由于水的比热容较大，通过只加热油温，同时降低水温，可以有效节省实现装置的油水混合管段的长度，同时降低系统的总能耗；(4)可以用于研究不同气液比条件下，原油粘附规律、以及测试带压环境下，原油临界粘壁温度，也可以用于研究不同气体流量剪切冲刷作用与原油粘附作用之间的关系；(5)有效支撑后续溶气原油不加热集输微观机理研究，进一步优化高含水油田的集输温度，为不加热集输工艺在各油田更大范围更深层次推广，实现降本增效，建设低碳、绿色油田，创造有利条件。

以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。