1.前言

资料显示，在我国的各大油田都具有规模不同的高粘、高凝油储量，随着稀油资源的不断枯竭，各大油田越来越重视高粘、高凝原油的开采，但高粘、高凝原油的低成本开采问题成为各大油田的瓶颈，由于常规方法需要对开采的高粘、高凝原油进行加热降粘，从而导致消耗大量的电资源和煤炭、燃料油资源，在当今日益重视环保的大环境下，加热降粘法显然不符合时代的要求；化学添加剂降粘的方法虽然能够降低高粘、高凝原油的粘度[1]，但由于其受到高粘、高凝原油成分的影响较大，从而导致其应用面较窄，需要针对不同成分的高粘、高凝原油研制对应的降粘剂，这不仅大大增加了科研投入，同时由于降粘剂的加入增加了高粘、高凝原油开采的成本，还对后期的炼油中分离这些降粘剂增加了困难；现场生产过程中采用的第三种降粘方法就是掺稀油法，这种方法虽然降粘效果较好，不受高粘、高凝原油成分的影响，但是由于稀油资源日益短缺而导致这种方法受到的局限性越来越大，加之掺稀油法需要使用脱水稀油，当将其掺入高粘、高凝原油中后需要重复脱水，从而大大增加了原油后期处理的费用。综上所述，高粘、高凝原油的低成本开采就成为目前各大油田亟待解决的难题。虽然许多大学及研究院所、现场工程技术人员在不间断地对高粘、高凝原油的低成本开采进行研究，提出了诸如微波加热法、高粘、高凝原油乳化降粘法等多种措施方法，但均由于其适应性较差而停留在小范围试验阶段，不能大面积推广应用，不能形成规模效益。

在对上述各种高粘、高凝原油开采方法大量调研的基础上[2][3][4][5][6]，分析了上述常用三种降粘方法的优缺点，提出了水力切割法开采原油的方案。水力切割技术是国外70年代开发、80年代发展起来的高新技术，已广泛应用于工业、医疗、食品加工等领域[7]。这种方法以往在油田生产中主要应用于采油、煤层气的油管、套管切割中[8][9][10]。因高粘、高凝原油具有非牛顿流体剪切特性[11]，在其凝固点附近可以利用水力切割方法将连续的高粘、高凝原油切割成小的原油颗粒或者原油絮状物，使其漂浮在连续水相中，这样，不仅大大降低了高粘、高凝原油输送过程中的粘滞阻力，同时也能够防止开采输油过程中导致的“灌肠”现象，为高粘、高凝原油的开采提供了一种有效的技术措施。

2.水力切割法开采原油机理及实验研究

2.1.高粘、高凝原油特性

资料显示，高粘、高凝原油属于非牛顿流体，因而在其粘温特性方面存在着特殊性[12][13]。高粘、高凝原油主要特点体现在以下三个方面：一是粘度大、密度大、流动性差；普通原油的粘度通常小于500 mPa/s，而普通稠油的粘度约在500～1500 mPa/s之间，高粘、高凝原油的粘度通常在10,000～20,000 mPa/s的范围内，从这里可以看出其粘度之高。并且高粘、高凝原油的密度通常都在0.95 g/cm3左右，与水的密度非常接近。二是粘度对温度敏感：图1是高粘、高凝原油普遍的粘温特性曲线，从图1中可以看出，当高粘、高凝原油的温度在凝固点以下时(图中原油的凝固点约为48℃)，其粘度大幅度上升，而当原油温度在凝固点之上时，原油呈现出低粘度的特性。高粘、高凝原油的第三个特点是原油中的轻烃组分少，沥青质、胶质成分多：其平均含量在20%～30%之间[14]。

Figure curve of high-viscosity and pour-point crude oil图1.高粘高凝原油粘温曲线

从上述高粘、高凝原油的特性分析，这些特性无疑为水力切割法管输奠定了良好的基础。

2.2.高粘、高凝原油水力切割实验

2.2.1.实验装置及实验样品筛选

Figure 2.Flow chart of hydraulic cutting test图2.水力切割法试验流程图

图2是高粘、高凝原油水力切割实验的装置流程示意图，该实验装置主要由高压水泵、蓄能器、喷嘴、油水混合物罐、原油增压泵等部分组成。各部分的主要作用是：高压水泵的主要作用是为水力切割提供具有一定压力的动力源，能够根据水力切割的不同压力需求将水加压到实验要求的水压；蓄能器的主要作用是平稳高压水泵工作时形成的水压脉动，由于高压水泵通常为柱塞泵，因此从高压水泵输出端输出的水压通常呈周期性波动，这个波动将会使实验数据变得不稳定，为了消除由于水压波动给实验带来的不必要影响，在试验流程中增加了蓄能器。蓄能器的另外一个作用就是能存储一定的压力，在体积变化不大的情况下保持压力的稳定，这也为准确的获得实验数据提供了条件；油水混合罐是实验的关键设备，在这里，高压水通过喷嘴将处于凝固点附近的高粘、高凝原油切打碎，形成原油碎块与水的混合物，然后通过另外一个端口将油水混合物输送到高压输油泵的吸入口内，由管输高压泵完成对油水混合物的加压输送；原油增压泵的主要作用是将高粘、高凝原油输送至油水混合罐内，在高压水喷嘴处完成破碎。由于高粘、高凝原油在凝固点附近时粘度很高，因而在本次试验中采用螺杆泵作为输送设备。螺杆泵输送高粘、高凝原油的优点是，通过螺杆泵输送过程中对高粘、高凝原油的挤压、剪切作用，也可以使高粘、高凝原油的粘度有所下降，这样就大大降低了高粘、高凝原油分子之间的相互作用力，更加有利于水力切割。

文章来源：《实验力学》 网址: http://www.sylxzz.cn/qikandaodu/2021/0309/514.html