摘要

為改善稠油管道輸送效果，本文采用哈克 RS6000 流變儀和實驗室規(guī)模流動環(huán)路，對稠油及其混合物的流變特性與降黏效果展開實驗研究，重點分析了表觀黏度、觸變特性、屈服應力及黏彈性。流變測試結果表明：隨著柴油體積濃度的增加，混合物的黏性模量與觸變特性顯著降低，而稠油的彈性模量略有升高；在管道流動啟動速率恒定的條件下，屈服應力隨溫度升高呈指數(shù)級下降。通過對比流變測試與管道流動數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，利用流變儀測得的屈服應力，可通過線性插值法預測管道流動啟動階段的屈服應力。

在管道流動過程中，加熱和摻入稀油均能大幅降低稠油黏度，進而顯著減小壓力降；而注氣降阻僅在低溫或高表觀油速條件下生效。此外，基于 50℃時的黏度數(shù)據(jù)，本文建立了一種新的稠油黏度預測模型，可用于預測中國多個油田稠油的黏度。結果顯示，該模型預測效果良好。考慮到實驗數(shù)據(jù)覆蓋了較寬的黏度范圍，本文提出的模型在工業(yè)實際應用中具有可行性。

關鍵詞

稠油；管道輸送；流變特性；降阻；黏度預測

1 引言

稠油是一類流動性差的原油，其美國石油學會（API）重度介于 10 至 20 之間，且黏度較高（Keles?oglu 等，2012）。在非常規(guī)石油資源開發(fā)領域，稠油與特稠油備受關注。然而，在保障產(chǎn)量快速增長的同時，如何高效、經(jīng)濟地實現(xiàn)稠油管道輸送，已成為亟待解決的關鍵問題。目前，針對稠油管道輸送的研究主要集中在降黏技術以及原油及其混合物的流變特性方面（Martinez-Palou 等，2011）。

在降黏方法方面，現(xiàn)有技術主要包括原油預熱、促進水包油乳液形成、添加減阻劑等。此外，管道輸送中還常采用引入第二相的方式實現(xiàn)降阻，例如水輔助油核環(huán)狀流、注氣 / 注蒸汽輸送、摻入稀油或醇類等。Bannwart（2001）提出了油核環(huán)狀流降黏法，該方法使原油聚集在管道中心，周圍形成一層由潤滑流體（通常為水）構成的薄環(huán)。研究發(fā)現(xiàn)，在總體積流量相同的情況下，采用該方法的壓力降與僅輸送水時的壓力降相當。Xu 等（2007，2009）針對冪律流體注氣降阻展開了實驗與理論研究，提出了預測最大降阻率的方法，結論表明流體的剪切變稀特性越強，降阻效果越顯著。Ashrafizadeh 與 Kamran（2010）以兩種伊朗原油為研究對象，探究了水包油乳液的穩(wěn)定性、黏度及其在稠油管道輸送中的應用，結果顯示乳化處理可降低原油黏度，且乳液黏度隨含油體積分數(shù)和表面活性劑濃度的增加而升高。Ghannam 等（2012）測量了稠油及其與稀油混合物的降黏效果，發(fā)現(xiàn)向稠油中摻入 10% 的稀油，不僅能大幅降低黏度，還能完全消除表觀屈服應力。盡管降黏方法眾多，但相關理論模型仍不夠完善。近期，Centeno 等（2011）對文獻中 17 種用于預測石油及其餾分表觀黏度的混合關系模型的準確性進行了驗證，發(fā)現(xiàn)沒有任何一種模型能適用于所有原油的黏度預測，因此稠油黏度預測仍是一項具有挑戰(zhàn)性的任務。

稠油及其混合物的流變特性是另一需深入研究的課題。由于稠油中飽和分、芳香分、膠質和瀝青質的組成比例不同，其流變特性相較于稀油更為復雜，表現(xiàn)出剪切變稀、觸變性、屈服應力和黏彈性等特征（Martinez-Palou 等，2011）。其中，觸變性體現(xiàn)為流體的記憶依賴性，即觸變流體的黏度會隨剪切時間的延長而瞬時下降至較低值（Barnes，1997）。Mortazavi-manesh 與 Shaw（2014）采用滯后環(huán)法、剪切速率階躍變化法和啟動實驗法三種測量方法，研究了不同溫度下瑪雅原油的觸變特性，結果表明隨著溫度降低，原油的觸變特性增強，且觸變性與溫度的關系可通過滯后環(huán)面積和應力衰減來表征。屈服應力是稠油管道輸送中的另一重要流變參數(shù)，當外力小于屈服應力時，流體無法流動。Hasan 等（2010）研究了溫度對屈服應力的影響，發(fā)現(xiàn)啟動流動所需的屈服點隨溫度升高而降低；同時，摻入 10% 體積分數(shù)的稀油可消除屈服應力，這意味著在稠油中加入稀油后，無需施加額外應力即可實現(xiàn)流體流動。針對含蠟原油及其乳液的黏彈性，Li 等（2015）實驗研究了溫度和含水率對彈性模量、損耗模量及損耗角的影響，發(fā)現(xiàn)升高溫度或降低含水率可削弱凝膠結構，具體表現(xiàn)為線性黏彈區(qū)變窄，彈性模量和損耗模量降低。

深入了解稠油及其混合物的特性與行為，可為管道運營商和煉油廠提供經(jīng)濟高效的解決方案（Martinez-Palou 等，2011；Zhang 等，2014）。然而，現(xiàn)有研究大多僅通過流變儀測量來評估流體的流動特性，同時結合流變測試與管道流動實驗的研究較少。在實際應用中，難以將流變儀測得的流變特性直接用于表征管道流動中的復雜流動行為和物理現(xiàn)象（Vielma 等，2011；Zhang 與 Xu，2016）。因此，為全面掌握中國綏中油田稠油及其混合物的流動特性與內在機理，本研究開展了以下工作：第一部分測量稠油及其混合物（如在不同溫度下與稀油混合）的流變特性；第二部分研究管道流動中的降黏方法（如原油預熱、注氣降阻、摻入稀油）及管道啟動流動時的屈服應力；最后，基于本研究及文獻中的大量實驗數(shù)據(jù)，建立新的模型以預測稠油及其混合物的黏度。

2 實驗方案

2.1 實驗材料

本研究使用的稠油取自中國渤海灣綏中油田。在 30℃條件下，該原油的密度為 955kg/m3，零剪切黏度為 5240mPa?s。稀釋實驗采用中國石化生產(chǎn)的 0# 柴油作為混合介質，其在 20℃時的密度為 845kg/m3。稠油與 0# 柴油按 5 種不同體積比例混合，柴油體積分數(shù)分別為 0%、5%、10%、15%、25%。

2.2 流變特性測量

采用哈克 RS6000 流變儀，搭配同軸圓筒傳感器系統(tǒng)（Z38 DIN，間隙寬度 2.5mm，樣品體積 30.8cm3）進行流變特性測量。該流變儀的剪切速率范圍為 10?3s?1 至 1000s?1，黏度測量范圍為 0.001Pa?s 至 1000Pa?s。在振蕩測量前，先在固定頻率 1Hz 下進行振幅掃描，以確保所選應力處于線性黏彈區(qū)內，隨后再進行頻率掃描。流變儀的液體溫控單元可將傳感器系統(tǒng)加熱至設定溫度，并在整個實驗過程中保持溫度穩(wěn)定。

制備稠油混合物樣品時，每次制備 500mL，先預熱至設定測試溫度，然后使用三葉攪拌器以 1000r/min 的固定轉速攪拌 600s，使樣品均勻混合?；旌贤瓿珊螅昧髯儍x對樣品進行測試，測試內容包括黏度曲線、觸變性、屈服應力和黏彈性。其中，屈服應力采用槳式轉子 FL22（直徑 40mm，四槳葉，間隙寬度 1.5mm）測量，并選取 0.005s?1、0.01s?1、0.05s?1 和 0.1s?1 四種剪切速率，以研究剪切速率對屈服應力的影響。

2.3 管道流動實驗裝置與步驟

為研究原油及其混合物的啟動屈服應力和降黏效果，搭建了內徑 47mm、絕對粗糙度 0.2mm、總長度約 15m 的流動環(huán)路（如圖 1 所示）。實驗系統(tǒng)采用密封設計，以防止柴油揮發(fā)，混合罐內壓力維持在 3 個大氣壓。在管道末端安裝泄壓閥，確保系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。表 1 為管道流動實驗的測試矩陣。由于稠油黏度較高，在所有實驗條件下，混合物的雷諾數(shù)均小于 600，因此流體流動處于層流區(qū)。

圖1.流動環(huán)路示意圖

表 1 管道流動實驗測試矩陣

該實驗系統(tǒng)采用兩臺羅斯蒙特（3051TG）壓力傳感器（精度 ±0.75%）測量管道不同位置的壓力波動，采用羅斯蒙特（3051CD）差壓傳感器（精度 ±0.75%）測量壓力梯度。此外，還配備了艾默生公司的科里奧利質量流量計（Micro Motion F050），用于監(jiān)測稠油及其混合物的密度、溫度和質量流量。

2.3.1 稠油預熱實驗

本部分實驗通過調節(jié)油罐加熱系統(tǒng)的溫度來改變稠油黏度。實驗開始前，將流動環(huán)路內充滿恒溫稠油，然后利用纏繞在不銹鋼管上的加熱電纜維持管內摩擦生熱與管壁傳熱之間的平衡。采用變頻器控制泵的流量，并通過齒輪流量計測量流量。實驗中，稠油黏度從 40℃時的 2.412Pa?s 降至 70℃時的 0.292Pa?s，實驗溫度分別設定為 46℃、53℃、58℃、62℃和 67℃，油相流量分別設定為 2m3/h、4m3/h、6m3/h、8m3/h 和 10m3/h。

2.3.2 0# 柴油稀釋實驗

制備 5 種不同體積濃度的混合樣品，向稠油中加入定量 0# 柴油后輕輕攪拌，避免出現(xiàn)分層現(xiàn)象。采用定容密度瓶測量各混合樣品的密度，并在每次恒定混合速度實驗前后測量流體的流變特性。實驗結果顯示，混合物黏度的平均偏差不超過 8.6%，因此在濃度固定的情況下，可認為混合物的組成保持不變。

2.3.3 注氣降阻實驗

實驗所用氣體由空氣壓縮機提供，稠油從油罐輸送至管道，氣液兩相通過 Y 型接頭進入管道。兩相的體積流量可獨立調節(jié)，氣相流量通過質量流量計測量，油相流量通過渦輪流量計測量?？諝饬髁坑嫷淖畲笳`差為滿量程的 ±1.5%，油流量計的最大誤差為滿量程的 ±0.5%。

2.3.4 稠油啟動流動實驗

啟動實驗開始前，先將流動環(huán)路內充滿恒溫稠油，然后啟動泵推動稠油流動，同時記錄流量、壓力梯度和溫度，以獲取相應的啟動參數(shù)。采樣頻率為 1000Hz，共采集 300,000 個樣本，對應采樣時間為 300s。

3 結果與討論

3.1 流變特性

3.1.1 流變曲線

圖 2 為不同溫度下稠油的流變曲線。由圖可知，在固定溫度下，黏度不隨剪切速率變化，尤其是在高溫條件下，這表明稠油可視為牛頓流體。隨著溫度升高，稠油黏度顯著降低：當溫度從 30℃升至 65℃時，黏度從 6.8Pa?s 降至 0.4Pa?s。圖 3 為不同柴油體積濃度下稠油 - 柴油混合物的流變曲線，可見柴油體積濃度對混合物黏度影響顯著。圖 4 顯示，混合物黏度隨柴油體積濃度的增加呈指數(shù)級下降：當柴油體積分數(shù)增至 10% 時，混合物黏度從 6.8Pa?s 降至 1.7mPa?s，降黏率達 75%；當柴油體積分數(shù)進一步增至 25% 時，降黏率高達 96%。

圖 4. 稠油 - 柴油混合物黏度與柴油體積濃度的關系圖

3.1.2 黏彈性行為

固體的彈性遵循胡克定律，即應力與應變成正比；黏性液體的剪切應力與剪切速率成正比，可用牛頓黏度定律描述。而稠油同時具有黏性和彈性特性，當管道中存在交變載荷時，需考慮稠油的黏彈性行為。

圖 5 為稠油在 30℃、40℃、60℃和 80℃下的黏彈性行為。由圖可見，隨著頻率從 0.1Hz 增至 100Hz，彈性模量（G'）和黏性模量（G''）均呈上升趨勢；在低頻區(qū)域，流體表現(xiàn)出類液態(tài)特性（G'＜G''），在高頻區(qū)域則表現(xiàn)出類固態(tài)特性（G'＞G''）。交叉頻率（G'=G''）受溫度影響顯著，即溫度對稠油黏彈性行為起關鍵作用。隨著溫度升高，黏性模量顯著降低，而彈性模量變化不明顯。因此，在高頻載荷作用下，需重點考慮稠油的彈性；在低頻載荷作用下，則需重視稠油的黏性。圖 6 為固定溫度和頻率下，不同柴油體積濃度的稠油 - 柴油混合物的黏彈性行為。由圖可知，隨著柴油體積濃度增加，復數(shù)黏度和黏性模量快速降低，而彈性模量緩慢升高，這表明加入稀油不會顯著改變稠油的彈性行為。

圖 5 稠油在不同溫度下的黏彈性行為

圖 6. 稠油 - 柴油混合物的黏彈性行為與柴油體積濃度的關系圖

3.1.3 屈服應力

在稠油管道輸送過程中，需施加足夠大的壓力才能使稠油流動。當施加較小外力時，稠油會發(fā)生有限的彈性形變；當外力足夠大時，稠油會發(fā)生無限形變，此時可將其視為黏性液體流動。通常，稠油開始發(fā)生屈服時的剪切應力定義為屈服應力，因此需對屈服應力及其特性進行研究。

圖 7 為稠油屈服應力隨溫度和剪切速率的變化關系。由圖可知，在固定剪切速率 0.5s?1 下，屈服應力隨溫度升高呈指數(shù)級下降；在固定溫度 30℃下，屈服應力隨剪切速率增加呈線性上升。這表明溫度和剪切速率均對屈服應力行為有顯著影響。圖 8 為柴油體積濃度對屈服應力的影響（柴油體積濃度范圍為 0%~25%）。與混合物黏度變化類似，屈服應力隨柴油體積濃度的增加也近似呈指數(shù)級下降。

圖 7 稠油屈服應力隨溫度和剪切速率的變化關系

圖 8 柴油體積濃度對屈服應力的影響

3.1.4 觸變特性

觸變特性是指當剪切力消失后，稠油結構恢復存在延遲的現(xiàn)象。圖 9 展示了稠油的觸變特性：剪切速率先從 0 增至 300s?1，再降至 0，相應的剪切應力曲線形成觸變環(huán)，觸變環(huán)的面積用于表征稠油觸變特性的強弱。由圖可知，隨著溫度升高，觸變環(huán)面積逐漸減小。這是因為在低溫下，稠油形成較強的蠟晶結構，觸變性較強，因此滯后環(huán)面積較大；而在高溫下，蠟晶結構較弱，滯后環(huán)面積隨之減?。∕ortazavi-manesh 與 Shaw，2014）。此外，上升曲線始終高于下降曲線，表明稠油結構的破壞速度快于恢復速度。

圖 9 稠油的觸變行為

圖 10 為稠油 - 柴油混合物的觸變環(huán)面積隨柴油體積濃度的變化關系。與混合物黏度變化類似，觸變特性隨柴油體積濃度的增加呈指數(shù)級下降。因此，向稠油中加入一定量柴油，不僅能降低黏度，還能減弱觸變性。

圖 10. 稠油 - 柴油混合物的觸變環(huán)面積與柴油體積濃度的關系圖

3.2 管道流動特性

如前所述，本研究的主要目的是改善稠油管道輸送效果，因此下文將介紹稠油及其混合物在管道中的流動特性，具體包括啟動屈服應力、原油預熱、摻入稀油和注氣降阻四個方面。

3.2.1 啟動屈服應力

停輸與重啟是稠油輸送中的常見問題，準確確定重啟壓力降是成功重啟的關鍵。本部分實驗通過固定流量重啟稠油管道，研究重啟壓力降，并基于單相流動特性將測得的壓力降（ΔP/L）轉換為剪切應力，公式如下：

其中，τ_w 為壁面剪切應力，D 為管道直徑，ΔP 為壓力降，L 為管道長度。

對于牛頓流體，在層流狀態(tài)下，可將流量轉換為剪切速率，公式如下：

其中，γ?為剪切速率，Q 為混合物流量（單位：m3/s），D 為管道直徑（單位：m）。

圖 11 為 45℃下，不同剪切速率下重啟過程中剪切應力隨時間的變化關系，對應的啟動速率分別為 40s?1、70s?1、134s?1 和 163s?1。由圖可知，重啟過程可分為三個階段：屈服前應力上升階段、屈服時應力穩(wěn)定階段和屈服后應力下降階段。重啟過程中剪切應力的最大值點定義為屈服點，且隨著啟動速率增加，屈服應力逐漸升高。

圖 11. 重啟過程中管道壁面剪切應力隨時間的變化圖

圖 12 為溫度對屈服應力的影響。結果表明，當管道流動啟動速率固定時，屈服應力隨溫度升高呈指數(shù)級下降，這與流變研究結果一致。為進一步研究流變特性與管道流動的關系，圖 13 對比了不同溫度下流變儀測得的屈服應力與管道流動實驗獲得的屈服應力（空心點表示流變測試結果，實心點表示管道流動數(shù)據(jù)）。由圖可知，兩種方法測得的屈服應力呈線性關系，即通過流變儀測得的屈服應力，可采用線性插值法預測管道流動啟動階段的屈服應力。

圖 12. 管道流動中恒定啟動速率下屈服應力與溫度的關系圖

圖 13. 流變儀測得的屈服應力與管道流動實驗獲得的屈服應力對比圖

3.2.2 原油預熱實驗

實驗測量了單相流動時稠油壓力降隨溫度的變化關系。結果表明，隨著溫度升高，壓力降逐漸降低；隨著流量增加，壓力降曲線急劇下降。這主要是因為高溫下稠油黏度降低。圖 14 對比了管道中混合物黏度與溫度的關系曲線（由實驗數(shù)據(jù)反算得到）和流變儀測得的黏度曲線（實線表示流變儀測試結果，空心點表示管道流動實驗結果），實驗溫度分別為 52℃、58℃、64℃和 67℃，管道流量分別為 2m3/h、4m3/h、6m3/h、8m3/h 和 10m3/h。由圖可知，管道流動實驗獲得的黏度值略高于流變儀測得的黏度值，且混合物黏度與溫度呈指數(shù)關系。

圖 14. 流變儀測得的黏度與管道流動實驗獲得的黏度對比圖

3.2.3 柴油摻入實驗

摻入稀油是降阻方法之一，柴油體積濃度對混合物黏度有顯著影響。本部分實驗測量了管道流動中不同柴油體積濃度下壓力降隨流量的變化關系。分析實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著流量增加，壓力降近似線性上升；在相同流量下，隨著柴油體積濃度增加，壓力降降低。

圖 15 對比了流變儀測得的黏度與管道流動實驗獲得的黏度（稠油 - 柴油混合物的流量分別為 1.6m3/h、2.6m3/h、4.8m3/h、6.0m3/h、7.2m3/h 和 9.6m3/h）。與流變測試結果類似，混合物黏度隨柴油體積濃度增加呈指數(shù)級下降；在高柴油體積濃度下，流變測試結果與管道流動實驗數(shù)據(jù)基本一致；隨著柴油體積濃度降低，管道流動實驗測得的黏度值高于流變儀測試結果。結合圖 3 分析，這可能是因為在低溫和高剪切速率下，混合物具有一定的剪切變稀特性。因此，對于高體積濃度的稠油 - 柴油混合物，在計算管道輸送過程中的雷諾數(shù)和摩擦系數(shù)時，可采用流變測試獲得的混合物黏度數(shù)據(jù)，以保證計算準確性。

圖 15. 流變儀測得的黏度與管道流動實驗過程中獲得的黏度對比圖

3.2.4 注氣降阻實驗

注氣是另一種降阻方法。已有研究表明，向稠油中加入少量氣體可大幅降低壓力降（Xu 等，2007，2009）。受實驗條件（尤其是泵揚程）限制，本研究中最大表觀油速為 1.6m/s。實驗在固定表觀油速下進行，通過調節(jié)進氣量使氣相體積分數(shù)在 0.01~0.15 范圍內變化。根據(jù)前期研究（Chen 等，2016），當氣相分數(shù)低于 15% 時，科里奧利質量流量計的測量結果平均相對誤差為 0.82%，滿足測量要求，因此在低液相流量下未進一步提高表觀氣速。

圖 16 為固定表觀油速下，壓力降隨表觀氣速的變化關系，表觀油速分別為 0.32m/s、0.64m/s、0.96m/s、1.28m/s 和 1.6m/s。由圖可知，當表觀油速為 1.6m/s 時，注氣可實現(xiàn)降阻；隨著表觀油速降低，注氣降阻效果逐漸減弱；當表觀油速為 0.32m/s 時，未觀察到降阻現(xiàn)象。

圖 16. 固定表觀油速下壓力降與表觀氣速的關系圖

圖 17 為不同溫度下，壓力降隨表觀氣速的變化關系（溫度分別為 48℃、52℃、60℃和 66℃，表觀油速為 1.60m/s）。由圖可知，當溫度為 48℃時，注氣可降阻；隨著溫度升高，降阻效果消失，且壓力降與表觀氣速無關。結合圖 16 可得出結論：注氣降阻僅在低溫或高表觀油速條件下生效。一方面，隨著氣相流量增加，兩相流混合物黏度降低，必然導致壓力降減?。涣硪环矫?，氣相流量增加會加劇對液相的擾動，使附加壓力損失增大，進而導致兩相流壓力降升高。因此，在固定表觀液相速度下向稠油管道流動中注氣時，這兩種相反趨勢的共同作用最終會使兩相流壓力降呈現(xiàn)升高、降低或保持不變的變化趨勢。

圖 17. 不同溫度下壓力降與表觀速度的關系圖

3.3 黏度預測

3.3.1 稠油黏度預測

基于上述實驗數(shù)據(jù)，本研究對文獻中現(xiàn)有的稠油黏度預測模型進行了評估，表 2 列出了主要的稠油黏度預測模型。通常，這些模型包含兩個關鍵參數(shù)：API 重度和系統(tǒng)溫度。表中，T 為攝氏溫度（℃），T_f 為華氏溫度（℉），T_r 為蘭金溫度（°R）。API 重度是衡量石油液體相對水輕重程度的指標，其與相對密度的換算公式如下（De Ghetto 等，1995）：

其中，ρ 為密度，下標 o 和 w 分別表示稠油和水。

圖 18 對比了本研究實驗測得的黏度數(shù)據(jù)與文獻中各模型的預測結果。由圖可知，Hossain 等（2005）提出的模型預測結果與實驗值最為接近，但黏度隨溫度的變化速率略快于實驗值；Alomair 等（2014）提出的模型預測效果最差，預測值遠低于實際值；Beggs 與 Robinson（1975）提出的模型預測的黏度隨溫度升高下降最快；而 Labedi（1992）和 Alomair 等（2014）提出的模型預測曲線隨溫度升高變化緩慢，表明在這些模型中溫度對黏度的影響較小?？傮w而言，大多數(shù)預測模型均低估了稠油黏度，這間接表明綏中油田稠油中膠質、瀝青質等組分含量較高，導致其黏度較大。因此，有必要建立適用于中國油田高黏度原油的黏度預測模型。

圖 18. 本研究實測數(shù)據(jù)與文獻中各模型預測數(shù)據(jù)的對比圖

為建立新的預測模型，本研究收集了中國多個油田的 35 組黏度數(shù)據(jù)（Zhang 等，2005；Wang 等，2015；Kang 與 Zhang，2005），黏度范圍為 10mPa?s 至 10?mPa?s，對應溫度范圍為 20℃至 90℃，具體數(shù)據(jù)如表 3 所示。首先分析黏度與溫度的關系，未發(fā)現(xiàn)統(tǒng)一規(guī)律，即即使在相同溫度下，不同稠油的黏度差異也較大。這表明溫度并非影響稠油黏度的唯一因素（Cruz 等，2013）?；趯嶒炗^察，本研究引入 50℃時的黏度（η??）作為另一影響因素，因為 η??可用于表征稠油的類型（Zhang 等，2005）。

圖 19 為不同溫度（20℃、30℃、40℃、60℃、70℃、80℃和 90℃）下稠油黏度隨 η??的變化關系。由圖可知，所有曲線均呈現(xiàn)相似規(guī)律：在固定溫度下，稠油黏度隨 η??的增加而逐漸升高。這主要是因為 η??可作為區(qū)分稠油類型的基準，在相同溫度下，η??越大，原油越黏稠，黏度也越高。因此，基于現(xiàn)有研究成果（Zhang 等，2005），本研究采用冪律關系，通過 Mathematica 軟件對實驗數(shù)據(jù)進行分析，提取出黏度與 η??的關系如下：

其中，c 和 n 為兩個參數(shù)。擬合結果良好（R2＞0.98），表明中國各油田稠油的特性具有一定相似性。

圖 19 不同溫度下稠油黏度隨 η??的變化關系

表 2 主要稠油黏度預測模型匯總

表 3 用于模型建立的中國油田黏度數(shù)據(jù)

圖 20 為參數(shù) c 和 n 隨無量綱溫度（溫度與 50℃的比值）的變化關系。由圖可知，隨著溫度升高，參數(shù) c 增大，參數(shù) n 減小。因此，采用以下公式對這兩個參數(shù)進行擬合：

通過回歸分析得到四個經(jīng)驗系數(shù)：a?=1.123，a?=-0.823，b?=9.926，b?=1.006。實驗數(shù)據(jù)與擬合結果吻合良好，其中 c 的擬合決定系數(shù) R2=0.96，n 的擬合決定系數(shù) R2=0.99。

圖 20. 式（4）中兩個參數(shù)隨無量綱溫度的變化圖

本研究采用平均絕對相對誤差（% AARD）評估所建模型的準確性，并與其他文獻模型進行對比，計算公式如下：

其中，η_cal 為通過所建模型和文獻模型計算得到的黏度，η_exp 為實驗測得的黏度，n 為實驗數(shù)據(jù)點數(shù)量（本研究中 n≈202）。文獻中各模型的分析結果如表 2 所示，可見對于中國各類稠油，現(xiàn)有模型的預測誤差范圍為 28.7%~97.2%，誤差較大。

圖 21 對比了本研究模型預測的黏度與實驗測得的黏度。由圖可知，所建關聯(lián)式對大多數(shù)實驗數(shù)據(jù)的預測誤差在 ±20% 以內，平均絕對相對誤差（Er=% AARD）為 13.7%，優(yōu)于其他模型?？紤]到實驗數(shù)據(jù)覆蓋了較寬的黏度范圍，本研究提出的關聯(lián)式在工業(yè)實際應用中具有可行性。

圖 21. 稠油實驗測得黏度與預測黏度的對比圖

3.3.2 稠油 - 柴油混合物黏度預測

由圖 4 和圖 14 可知，稠油 - 柴油混合物的黏度隨柴油體積濃度的增加呈指數(shù)級下降。因此，采用指數(shù)方程描述混合物黏度與柴油體積濃度的關系：

其中，α 為柴油體積濃度，a?和 b?為參數(shù)。當 α=0 時，η_o-mix=η_o=a?；當 α=1 時，η_o-mix=η_l，可得 ln (η_l/η_o)=b?（其中 η_o 為稠油黏度，η_l 為柴油黏度）。因此，公式（8）可改寫為：

其中，η_o 可通過公式（4）計算得到。在已知柴油黏度和體積濃度的情況下，可利用上述公式預測混合物黏度。

圖 22 對比了采用公式（8）計算混合物黏度后，理論預測的管道流動壓力降與實驗測得的壓力降（實線表示計算得到的壓力降，數(shù)據(jù)點表示管道流動實驗測得的壓力降）。由圖可知，理論預測結果準確性較高，且壓力降隨柴油體積濃度的增加呈指數(shù)級下降。總體而言，摻入稀油是一種有效的降阻方法。

圖 22. 管道流動過程中預測壓力降與實測壓力降的對比圖

4 結論

本研究采用哈克 RS6000 流變儀和實驗室規(guī)模流動環(huán)路，對中國綏中油田稠油及其混合物進行了流變測試和管道流動實驗，旨在改善稠油管道輸送效果，主要結論如下：

1. 流變測試表明，當稠油承受交變載荷時，需考慮其黏彈性行為。隨著柴油體積濃度增加，混合物的黏性模量和觸變特性顯著降低，而稠油的彈性模量略有升高；在管道流動啟動速率恒定的條件下，屈服應力隨溫度升高呈指數(shù)級下降；此外，利用流變儀測得的屈服應力，可通過線性插值法預測管道流動啟動階段的屈服應力。

2. 加熱可顯著降低稠油黏度，從而大幅減小管道壓力降；柴油體積濃度對混合物黏度影響顯著，隨著柴油體積濃度增加，混合物黏度呈指數(shù)級下降；注氣降阻僅在低溫或高表觀油速條件下生效。

3. 基于中國多個油田的實驗數(shù)據(jù)，建立了稠油及其與柴油混合物的黏度預測模型。結果表明，所建模型預測準確，且由于實驗數(shù)據(jù)覆蓋了較寬的黏度范圍，該模型在工業(yè)實際應用中具有可行性。

致謝

本研究得到中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項（項目編號：XDB22030101）和國家自然科學基金（項目編號：51509235）的資助。

參考文獻

（略，同原文參考文獻列表）