混合原油粘度计算模型

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　油 　气 　储 　运 　　　　　　　　　　　 　　　2007 年 　 设计计算 混合原油粘度计算模型 孟 庆 萍 3 (西安长庆科技工程有限公司) 孟庆萍 :混合原油粘度计算模型 ,油气储运 ,2007 ,26 (10) 22～24 ,34。 　　摘 　要 　高粘原油降粘通常采用稠油与轻质原油混合输送的方式。针对目前混合原油粘度的 计算还没有普遍适用的粘度计算模型问题 ,通过参考各种文献 ,给出了常用的混合原油粘度计算式 及其适用范围。以吐哈 —南疆 —北疆 (重质油)混合原油为例 ,给出了粘度模型筛选过程 ,从而为实 际应用提供了参考。 　　主题词 　混合原油 　　粘度计算 　　经验模型 　　混合规则 　　关于混合原油的粘度计算 ,目前还没有比较完 善的理论。因为粘度大小取决于流体分子的性质及 分子间的相互作用 ,所以混合原油作为一种复杂混 合物 ,通常的混合规则并不适用计算其粘度。另外 某些原油呈现的非牛顿流体的性质 ,使其粘度计算 变得更加复杂。国内外一些学者提出了一些粘度模 型 ,每一种粘度模型都有一定的适用范围 ,但是目前 还没有普遍适用的粘度计算模型。在实际应用中 , 应该在试验数据的基础上 ,选取合适的粘度模型或 对其修正计算粘度。 一、常用的粘度模型 　　1、　Kendal2Monroe 模型 Kendal2Monroe 模型适于组分性质相似及分子 量相近的混合物 ,据美国石油协会 ( A PI) 11. A3. 1 资料 ,该模型对 1 300 组该种混合油粘度数据预测 的平均误差为 5. 7 % ,据此 ,美国石油协会 (A PI) 推 荐粘度比在 1～100 范围内 ,计算低压下纯烃类混合 物的粘度可用该式 ,该模型的适用范围相当有限。 Kendal2Monroe 模型〔1〕: μ1/ 3 = ∑ n i = 1 X iμi 1/ 3 (1) 式中 　X i ———第 i 种组分油体积比例 ; 　　　μ ———混合油粘度 ,mPa ·s ; 　　　μi ———第 i 种组分油粘度 ,mPa ·s。 2、　Arrhenius 粘度模型 1887 年 ,Arrhenius 基于理想溶液提出了对数 混合规则。该模型对混合原油粘度计算影响较大 , 被推荐用于计算混合原油粘度 ,后来有学者基于该 模型提出了修正模型 ,如单对数模型、lederer 模型 等。该模型是建立在高粘度比的基础上 ,计算稠油 (沥青)和轻质油混合粘度较好 ,还可用于掺轻油降 粘的管道输送、轻油洗井、强化采油等设计计算。但 Lederer 模型不适用于计算低粘度比和混合油中含 有过多沥青质沉淀的系统。 在 Lederer 粘度模型中 ,经验常数α都是在大 量粘度数据的基础上进行回归得到 ,使得模型的应 用范围和计算精度受到了限制。1984 年 ,印度学者 Shu 研究发现 ,经验常数α与组分油的比重和粘度 有关 ,并给出了三者之间的关系式。Shu 的发现改 进了 Lederer 粘度模型 ,使其应用范围及计算精度 有很大的提高。在应用该式预测胜利 —阿曼混合原 油粘度时 ,其最大相对偏差为 7. 09 % ,预测的准确 度相当高。可以说 ,对于粘度比很高的两组分混合 原油粘度 ,应用 Lederer 粘度模型计算精度很高 ,近 年来的许多研究也证实了这一点。 Arrhenius 模型〔1〕: 　3 710021 ,陕西省西安市未央路长庆兴隆园小区 ;电话 : (029) 88383967。 ·22· lgμ= ∑ n i = 1 X i lgμi (2) 单对数模型〔1 ,2〕: lgμ= ∑ n i = 1 X i lgμi + ∑ n j = 1 ∑ n k = 1 B jk C jk X j X k (3) Cjk = 2 (2 lgμjk - lgμj - lgμk ) B jk = lg (100 X k) lg (100 X j ) lnμ = αX 1αX 1 + X2 lnμ1 + X2 αX 1 + X2 lnμ2 (4) α = 17 . 04 (γ1 - γ2 ) 0 . 523 7γ1 3 . 274 5γ2 1 . 631 6 ln (μ1 /μ2 ) 式中 　X i ———第 i 种组分油体积比例 ; 　 X j 、X k ———组分油的体积比例 ; 　　　X1 ———稠油质量比例 ; 　　　X2 ———稀油质量比例 ; 　　　μ ———混合油粘度 ,mPa ·s ; 　　　μi ———第 i 种组分油粘度 ,mPa ·s ; 　　　α ———经验常数 ; 　　γ1 、γ2 ———组分油的密度。 3、　双对数模型 双对数公式在求混合油品粘度时应用广泛 ,但 呈现出非牛顿性的混合原油不宜采用此式。双对数 公式不适于计算非牛顿体混合油的 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 观粘度 ,以及 组分油粘度指数相差较大的混合油粘度。李闯文在 研究新疆混合原油物性中 ,发现混合原油实测粘度 与双对数公式计算值的差值随配比按一定规律变 化 ,即随低粘油原油的比例增加而增加 ,达到最大时 又逐渐减小。于是李闯文修正了双对数公式 ,修正 式包括配比范围修正和油品性质修正。 双对数粘度模型〔1〕: lglgμ = ∑ n i = 1 X i lglgμi (5) 李闯文粘度模型〔2〕: lglgμ = ∑ n i = 1 X i lglgμi + ∑ n j = 1 ∑ n k = 1 B jk C jk X j X k (6) Cjk = 2 (2 lglgμjk - lglgμj - lglgμk ) B jk = lg (100 X k)lg (100 X j ) 式中 　X i ———第 i 种组分油体积比例 ; 　　　X j ———稠油体积比例 ; 　　　X k ———稀油体积比例 ; 　　　μ ———混合油粘度 ,mPa ·s ; 　　μi ———第 i 种组分油粘度 ,mPa ·s ; 　　μj ———稠油粘度 ,mPa ·s ; 　　μk ———稀油粘度 ,mPa ·s ; 　　μjk ———质量或体积比 1 ∶1 的混合油粘度 , mPa ·s。 4、　Bingham 粘度模型 1932 年 ,Bingham 基于理想溶液提出了倒数规 则 ,1992 年 ,李闯文利用 13 组两组分混合油粘度进 行模型检验对比 ,得到其修正模型。 Bingham 公式〔1〕: μ- 1 = ∑ n i = 1 X iμi - 1 (7) Bingham 修正公式〔2〕: μ- 1 = ∑ n i = 1 X iμi - 1 + ∑ n j = 1 ∑ n k = 1 B jk C jk X j X k (8) B jk = lg (100 X k ) lg (100 X j ) Cjk = 2 (2μjk - 1 - μj - 1 - μk - 1 ) 5、　Cragoe 粘度模型 稠油系统粘度比值一般大于 103 。对于稠油混 合系统的粘度计算方法 , Cragoe 提出采用混合原 理〔3〕计算粘度 ,并对粘度函数 L 定义为 : μ = 5 ×10 - 4 exp 1 000 ln20L (9) L = P1 L 1 + P2 L 2 Cragoe 修正模型 Ⅰ: L m = ∑ n i = 1 X iL i + ∑ n - 1 j = 1 ∑ n k = j +1 Cjk X i X j (10) L i = 1 000 ×ln20 [ lnμi - ln (5 ×10 - 4 ) ] Cjk = 2 (2 L jk - L j - L k ) 二、混合原油粘度模型的筛选 　　1、　混合原油的配制方法 将 80 ℃预处理的基础油样 (北疆重质原油、吐 哈原油、南疆原油) 按不同比例混合后 ,为了使油样 混合均匀 ,在室温下搅拌 30 min 后用于粘度测试。 2、　试验测试粘度的方法 将一定比例混合均匀的混合原油 ,室温装样 ,当 测试温度低于室温时 ,按 0. 5 ℃/ min 的速率降温到 测量温度 ,恒温 20 min 后用旋转粘度计测量粘度。 若测量温度高于室温 ,则直接升温至测量温度 ,恒温 20 min 后测量。 通过试验测试了 6 种吐哈 —南疆 —北疆 (重质 ·32·第 26 卷第 10 期 　　　　　　　　　　　　　孟庆萍 :混合原油粘度计算模型 　　　　　　 油)混合原油在 9 个温度下的 54 组粘度 ,其实测粘 度值见表 1。在试验数据的基础上 ,分析了各模型 的适用条件 ,选取了单对数、李闯文、刘天佑 3 个数 学模型分别计算粘度 ,不同温度下各模型的预测粘 度与实测值的平均偏差及其对比见表 2、表 3 以及 图 1～图 3。 表 1 　混合原油粘度实测值 温度 ( ℃) 原油粘度 (mPa ·s) 吐哈 南疆 北疆 不同比例混合原油粘度 (mPa ·s) 1 号 2 号 3 号 4 号 5 号 6 号 50 2. 65 　8. 03 52. 33 11. 23 11. 52 　9. 57 12. 90 13. 33 16. 60 40 3. 09 10. 33 82. 43 15. 37 15. 08 12. 60 17. 33 17. 20 24. 80 30 3. 81 13. 62 　138. 67 21. 43 21. 20 17. 27 24. 80 24. 40 35. 00 25 4. 30 16. 40 　192. 33 25. 00 25. 35 20. 21 30. 20 30. 33 42. 30 20 4. 84 19. 63 　262. 67 31. 23 32. 40 25. 12 37. 17 37. 50 56. 56 15 6. 63 25. 83 　368. 67 39. 20 45. 70 34. 96 44. 57 46. 57 67. 27 10 11. 29 35. 50 　573. 00 55. 73 60. 21 48. 63 63. 37 66. 03 95. 32 5 43. 35 69. 97 　912. 00 88. 96 98. 26 80. 42 74. 79 78. 57 110. 18 2 63. 93 163. 03 1 265. 38 129. 36 129. 51 121. 32 92. 66 104. 93 146. 00 　注　1 号～6 号分别为吐哈∶南疆∶北疆混合原油比例 0. 1352 ∶0. 5053 ∶0. 3594 ;0. 3770 ∶0. 1190 ∶0. 504 ;0. 184 ∶0. 5044 ∶0. 3016 ; 0. 127 ∶0. 4773 ∶0. 3957 ;10 ∶0. 50 ∶0. 40 ;0. 655 ∶0. 4045 ∶0. 53。 表 2 　三种混合原油粘度模型预测结果 模型 不同混合原油温度下原油粘度的相对偏差 % 50 ℃ 40 ℃ 30 ℃ 25 ℃ 20 ℃ 15 ℃ 10 ℃ 5 ℃ 2 ℃ 单对数 - 1. 27 2. 26 - 0. 32 1. 44 - 1. 82 - 6. 44 0. 64 0. 24 - 1. 22 李闯文 　5. 43 8. 13 　9. 14 10. 35 　6. 75 - 1. 03 4. 35 1. 38 - 2. 55 刘天佑 　3. 60 6. 42 　5. 27 7. 21 　4. 06 - 0. 95 5. 28 5. 83 　1. 48 　　　　注　相对偏差 Xi = (计算值—测量值) / 测量值。 表 3 　三种混合原油粘度模型预测结果对比 模型 绝对平均偏差 % 牛顿体段 非牛顿体段 最大相对偏差 % 牛顿体段 非牛顿体段 单对数 4. 97 3. 33 10. 47 10. 00 李闯文 7. 19 5. 95 19. 01 15. 57 刘天佑 5. 62 7. 03 14. 21 14. 42 　　　　　　　注　绝对平均偏差 = 1 n ∑ n i = 1 Xi ;最大偏差 = max xi 。 图 1 　单对数模型计算值与测量值对比图 图 2 　李闯文模型计算值与实测值对比 (下转第 34 页) ·42· 油 　气 　储 　运 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2007 年 　 三、试验结果与现场实测结果对比 　　在新疆油田现场实际测量了埋深 1. 6 m、外包 50 mm 厚黄夹克、<273 mm 的 401 管道周围的温度 场 ,现场测试数据和试验数据对比结果见表 1。 表 1 　实测数据与试验数据对比结果 测点 温度 ( ℃) 实测值 试验值 1 - 1 - 15. 98 - 17. 29 1 - 3 4. 01 4. 37 2 - 1 9. 45 　10. 85 2 - 2 7. 86 8. 49 3 - 3 0. 21 0. 25 3 - 4 6. 13 6. 62 3 - 5 6. 98 7. 87 3 - 7 9. 23 9. 74 4 - 4 1. 67 1. 87 4 - 7 9. 68 10. 11 5 - 4 - 0. 62 - 0. 51 5 - 6 5. 45 5. 87 6 - 3 - 5. 97 - 5. 62 6 - 7 8. 89 9. 37 7 - 5 0. 63 0. 75 7 - 7 8. 84 9. 24 　　从表 1 可以看出 ,试验数据与实测数据的平均 误差小于 0. 5 ℃,对比结果是令人满意。 四、结　论 　　(1)根据测试数据可以绘制管道周围沙场的温 度场及管内多相介质的温度图。每个工况的非稳态 数据每半小时取一次数据。 (2)通过对停输管道原油的温降曲线进行数学 回归 ,并对回归方程的可信度进行了统计分析 ,结果 表明回归曲线和测试结果拟合的很好。因此试验方 案设计满足相似理论要求 ,该试验设计是合理的。 参 考 文 献 1 , 　吴国忠　庞丽萍 :埋地输油管道非稳态热力计算模型研究 ,油气 田地面工程 ,2002 ,21 (1) 。 2 , 　吴国忠　鲁　刚 :电加热埋地油气集输管道热力计算与实验研 究 ,哈尔滨工业大学学报 ,2004 ,36 (8) 。 (收稿日期 :2006208221) 编辑 :孟凡强 (上接第 24 页) 图 3 　刘天佑模型计算值与测量值对比 　　由表 2 和图 1～图 3 可见 ,单对数模型最好 ,牛 顿体段的绝对平均偏差为 4. 97 % ,最大相对偏差为 10. 47 % ,非牛顿体段绝对平均偏差为 3. 33 % ,最大 相对偏差为 10. 00 % ;李闯文模型最差 ,牛顿体段绝 对平均偏差为 7. 19 % ,最大相对偏差为 19. 01 % ,非 牛顿体段的绝对平均偏差为 5. 95 % ,最大相对偏差 为 15. 57 % ;刘天佑模型 Ⅰ较好 ,牛顿体段的绝对平 均偏差为 5. 62 % ,最大相对偏差为 14. 21 % ,非牛顿 体段的绝对平均偏差为 7. 03 % ,最大相对偏差为 14. 42 %。 三、结　论 　　(1)目前计算混合原油粘度的理论还不够成熟 , 有待进一步发展 ,已有的计算混合原油粘度经验模 型大都是建立在大量试验数据的基础上的 ,每种模 型的适用范围都有一定的局限性 ,因此对于粘度模 型的选用一定要慎重。 (2)在实际应用中 ,预测某种混合原油粘度时 , 需根据混合原油的性质和试验测试的粘度数据 ,分 析和筛选出合适的粘度模型 ,如果筛选得到的粘度 模型不能满足计算精度的要求 ,还需在此基础上进 一步修正。 参 考 文 献 1 , 　Degiorgis GL ,Maturano S ,et al : Oil Mixture Viscocity Behav2 ior :Use in Pipeline Design. SPE ,2001. 2 , 　李闯文 :混合原油流变性及其配伍规律的研究 (硕士论文) ,石油 大学 (北京) ,1996。 3 , 　Crageo C S : Changes in t he Viscosity of Liquids Wit h Tempera2 t ure , Pressure and composition. Proc. World Ptt rol Pet . Cong. London ,1933 (2) . (收稿日期 :2006207203) 编辑 :孟凡强 ·43· 油 　气 　储 　运 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2007 年 　 作　者　介　绍 马成荣　经济师 ,1974 年生 ,1998 年毕业于大庆石油学院石油工程系石油专业 ,现在长庆油田公司第一输油 处计划科从事技术管理工作。 王琳平　副教授 ,1967 年生 ,1987 年毕业于中国石油大学 (华东) 工程测量专业 ,2006 年获得天津大学硕士 学位 , 现在中国石油管道学院从事教学工作。 刘 　兵　工程师 ,1974 年生 ,1995 年毕业于北京化工大学高分子材料专业 ,现在中国石油管道公司管道研究 中心应用化学所从事管输化学添加剂研制及应用研究工作。 房旭鹏　工程师 ,1972 年生 ,1996 年毕业于西安石油学院工业电气自动化专业 ,现在西部管道公司甘肃管理 处工作。 董凤娟　1980 年生 ,2004 年毕业于西安石油大学油气储运工程专业 ,现为西安石油大学在读硕士研究生 ,主 要从事多相流及油气集输技术研究工作。 孟庆萍　1970 年生 ,硕士 ,2005 年毕业于中国石油大学 (北京)石油天然气储运工程专业 ,现在西安长庆科技 工程有限责任公司从事油田地面工程设计工作。 唐海燕　工程师 ,1972 年生 ,2001 年硕士毕业于中国石油大学 (北京)油气储运专业 ,现在中国石油规划总院 管道所工作。 彭星煜　1982 年生 ,2007 年硕士毕业于西南石油大学城市燃气专业 ,现为西南石油大学油气储运专业在读 博士研究生 ,主要从事油气长输管道定量风险评价技术研究工作。 陈 　超　助理工程师 ,1980 年生 ,2002 年毕业于大庆石油学院化工设备与机械专业 ,2005 年硕士毕业于大 庆石油学院热能工程专业 ,现在武钢研究院从事长输管道的优化运行工作。 马华伟　1978 年生 ,2005 年硕士毕业于石油大学 (华东) 油气储运专业 ,现为中国石油大学 (华东) 储运与建 筑工程学院在读博士研究生 ,主要从事多相流动与油气田集输系统的研究工作。 赵名师　1981 年生 ,2004 年毕业于辽宁石油化工大学测控技术与仪器专业 ,现为辽宁石油化工大学油气储 运专业在读硕士生。 杨 　红　工程师 ,1974 年生 ,2003 年硕士毕业于西南石油学院油气储运专业 ,现在西南油气田公司输气管理 处研究所从事管道保护工作。 徐秀生　高级工程师 ,1964 年生 ,1987 年毕业于沈阳农业大学机制专业 ,现在山东长志泵业有限公司从事容 积式转子泵及离心泵的设计研究工作。 赵业林　助理工程师 ,1968 年生 ,1996 年毕业于原中国石油天然气管道局职工学院仪表自动化专业 ,现任中 国石油管道公司大连输油分公司熊岳输油站站长。 张火箭　工程师 ,1971 年生 ,1994 年毕业于石油大学 (北京)采油工程专业 ,现在西气东输管道公司生产运行 处从事计量管理工作。 万 　波　1980 年生 ,2003 年毕业于辽宁石油化工大学过程装备与控制技术专业 ,现为中国石油大学 (北京) 机电工程学院博士研究生 ,从事储运设备可靠性分析及风险评价研究工作。 尹广增　助理工程师 ,1975 年生 ,1998 年毕业于重庆石油高等专科学校内燃机制造与维修专业 ,现任中国石 油管道公司兰州输气分公司涩北首站副站长。 曾 　威　工程师 ,1974 年生 ,1997 年毕业于西南石油学院计算机应用专业 ,现在中石化管道储运公司新乡输 油处工作。 ·26· 油 　气 　储 　运 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2007 年