專利名稱：通過(guò)芯環(huán)流輸運(yùn)粘性產(chǎn)品的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過(guò)芯-環(huán)流(core annular flow)在管道中輸運(yùn)粘性產(chǎn)品，并涉及用于限制使粘性產(chǎn)品流動(dòng)所需的再啟動(dòng)壓力的方法。
在本領(lǐng)域中通常所稱的芯-環(huán)流(CAF)是指一種具有管壁潤(rùn)滑的流態(tài)。
具體地，該方法可應(yīng)用于通過(guò)芯-環(huán)流輸運(yùn)重油，以便在循環(huán)流動(dòng)停止階段阻止橫向油位移。
背景技術(shù)：
高粘性油的輸運(yùn)目前仍是明顯的技術(shù)挑戰(zhàn)。例如，可以提及管道輸運(yùn)瀝青的重油或超重油。因此，使這類油品在管道中流通所需的泵送功率很高，甚至高得驚人。采用芯-環(huán)流技術(shù)能夠顯著降低泵送功率。例如在以下文獻(xiàn)中有過(guò)描述-Joseph D.D.，Chen K.P.，Y.Y.Renardy，(1997).“Core Annular Flows”，Ann.，Rev.Fluid Mech，第29卷，第65頁(yè)。
芯-環(huán)流態(tài)是一種兩相流態(tài)，基于將低粘度流體(例如水性流體)注入管道以產(chǎn)生環(huán)流。待輸運(yùn)的通常為高粘度流體(如油品)，被限制在管道的中心部分，而上述被注入的流體則作為周圍膜層流動(dòng)。上述被注入的流體通過(guò)降低待輸運(yùn)的粘性流體的壁摩擦而起到潤(rùn)滑劑的作用，因此能極大地降低輸運(yùn)所需的壓降。
然而，在工業(yè)范圍，許多因素使環(huán)形膜不穩(wěn)定，例如，在許多領(lǐng)域如石油工業(yè)中原油輸運(yùn)中需要流通停止階段。
本方法提出，按形成環(huán)形膜的流體的性質(zhì)以芯-環(huán)流為形式輸運(yùn)粘性產(chǎn)品。
發(fā)明概述因此，本發(fā)明涉及在管道中輸運(yùn)粘性產(chǎn)品的方法。該方法包括通過(guò)泵送裝置使所述產(chǎn)品流動(dòng)；以及將一種流體注入所述管道，以便在管壁和所述粘性產(chǎn)品之間產(chǎn)生一層潤(rùn)滑層，從而形成芯-環(huán)流流動(dòng)方式。該方法的特征在于，所注入的流體是一種具有預(yù)定屈服點(diǎn)值的流體(屈服應(yīng)力流體)。
這種屈服點(diǎn)可以通過(guò)根據(jù)所述管道的幾何特征(直徑等)和粘性產(chǎn)品的物理特性(密度等)計(jì)算出最小屈服應(yīng)力從而來(lái)確定。
根據(jù)本發(fā)明，屈服應(yīng)力流體可以是水和一定比例的添加劑的混合物，添加劑的比例應(yīng)足以使帶有剪切致稀特性的所述混合物具有預(yù)定的屈服點(diǎn)。
這些添加劑例如是合成的可水溶的聚合物、天然的可水溶的聚合物、締合聚合物或這些不同聚合物間的任何締合物。更具體地，這種類型的添加劑可選自以下添加劑多糖、黃原膠、藻酸鹽、淀粉、瓜耳膠、明膠以及它們的衍生物。這些添加劑還可以是粘土，如蒙脫石和laponite。最后，這些添加劑還可以是所有這些不同添加劑的混合物。
添加劑的比例可根據(jù)所述粘性產(chǎn)品的密度來(lái)確定。該變量還可以根據(jù)使所述粘性產(chǎn)品流動(dòng)所用的泵送裝置來(lái)確定。
本發(fā)明還涉及一種輸運(yùn)粘性產(chǎn)品的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括使所述產(chǎn)品流動(dòng)的泵送裝置；用于注入流體以便在管壁和粘性產(chǎn)品之間形成潤(rùn)滑層的裝置，從而在流動(dòng)期間形成芯-環(huán)流態(tài)。該系統(tǒng)的特征在于，所注入的流體是屈服應(yīng)力流體。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明結(jié)合附圖，閱讀非限制性實(shí)施方式的實(shí)例的說(shuō)明，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)都將是顯而易見(jiàn)的，其中

圖1A和1B示出流體流動(dòng)時(shí)CAF體系的液相分布(圖1A)和流體靜態(tài)時(shí)CAF體系的液相分布(圖1B)；圖2示出流體處于靜態(tài)時(shí)各種力的平衡；圖3示出對(duì)于兩種典型的管道直徑屈服應(yīng)力作為重油密度的函數(shù)的變化情況；圖4示出加入到黃原膠聚合物中的水性流體的流變性；圖5示出100s-1下的表觀粘度作為黃原膠濃度的函數(shù)的變化情況；圖6示出加入到多糖中的水性流體的流變性。
本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式采用芯-環(huán)流技術(shù)能夠顯著降低管道輸運(yùn)粘性流體所需的泵送功率。然而，在許多工業(yè)領(lǐng)域所需要的停止流通階段使環(huán)形膜不穩(wěn)定。實(shí)際上，在這些階段，兩種流體的密度(環(huán)形膜密度(FNV)和中心區(qū)密度(FV))的差產(chǎn)生粘性流通的橫向位移，因此，在管道內(nèi)發(fā)生層化(C)，如圖1A(流動(dòng))和1B(流通停止)所示。芯-環(huán)流態(tài)被層化流態(tài)所替代。因此，流通停止會(huì)使芯-環(huán)流態(tài)發(fā)生變化，成為層化流態(tài)，這會(huì)使再啟動(dòng)壓力增加，因?yàn)楦哒承圆糠中枰M(jìn)行剪切，從而導(dǎo)致很高的壁壓力。
為了改進(jìn)粘性產(chǎn)品以芯-環(huán)流態(tài)進(jìn)行輸運(yùn)的過(guò)程，本方法提出按形成環(huán)形膜的流體的性質(zhì)進(jìn)行操作。本方法包括在潤(rùn)滑層中使用屈服應(yīng)力流體。屈服應(yīng)力流體是一種具有特定性能的流體，因?yàn)槠淞髯冃阅苌婕扒?yīng)力如果施加在該流體上的應(yīng)力小于此屈服應(yīng)力，則該流體不能流動(dòng)。因此，在粘性產(chǎn)品以芯-環(huán)流進(jìn)行輸運(yùn)的情況下，當(dāng)流體在流通時(shí)，在屈服應(yīng)力流體上的應(yīng)力應(yīng)使流體發(fā)生形變并在有限的壁摩擦下流動(dòng)。另一方面，在流體流通停止期間，壁層流體上的應(yīng)力不足以使該流體發(fā)生形變。因此這種流體凝為膠體，從而限制被輸運(yùn)的粘性產(chǎn)品向管壁的橫向位移。
該方法在石油工業(yè)范圍內(nèi)描述，用于通過(guò)注入水以芯-環(huán)流的方式對(duì)重油進(jìn)行輸運(yùn)。然而，該方法能方便地應(yīng)用于以芯-環(huán)流為方式的粘性流體的任何輸運(yùn)類型，所述粘性流體包括含砂類粗固體和/或粘土型細(xì)固體的流體。
重油的特性是粘度極高，但是密度較低且接近水。水與原油的密度差用Δρ表示，通常在0-100kg/m3范圍。阿基米德和重力的合力(FA)導(dǎo)致油圓柱體(FV)橫向向上運(yùn)動(dòng)，該合力在這種條件下保持較小值。本發(fā)明的方法提出，利用屈服應(yīng)力流體(FS)來(lái)產(chǎn)生阻力FD，從而抵消合力FA的效果并因此抵消原油朝著管壁的移動(dòng)，如圖2所示。實(shí)際上，屈服應(yīng)力流體的屈服應(yīng)力τ0特性將在油圓柱體上產(chǎn)生阻力FD。
屈服應(yīng)力τ0可以由力平衡方程確定。實(shí)際上，力FD取決于τ0。因此，假設(shè)管道是水平的，則我們有FA＝FD＝f(τ0)。然后推導(dǎo)出τ0τ0＝f1(FA)。函數(shù)f還取決于油圓柱體的直徑，而FA取決于兩種流體的密度，由油圓柱體的直徑和兩種流體的密度可以確定屈服應(yīng)力τ0。
一種方法包括在油圓柱體表面上對(duì)屈服應(yīng)力求積分，來(lái)簡(jiǎn)單估算FDFD＝τ0.2π.R0.L (1)式中R0是油圓柱體的半徑，
L是油圓柱體的長(zhǎng)度，τ0是屈服應(yīng)力。
類似地，阿基米德和重力的合力(FA)可表示如下FA=π.R02.ρh.g.L-π.R02.ρe.g.L=π.R02.Δρ.g.L---(2)]]>式中ρh是油的密度，ρe是水的密度。
在這種條件下，考慮到在單位長(zhǎng)度上阻力FD阻滯合力FA，油圓柱體沒(méi)有運(yùn)動(dòng)π.R02.Δρ.g=τ0.2π.R0---(3)]]>因此，可以寫出能給出防止橫向油移動(dòng)所需的屈服應(yīng)力值的平衡條件。
τ0=12R0.Δρ.g---(4)]]>還可以利用Jossic和Magnin的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值來(lái)確定所需的屈服應(yīng)力L.Jossic，A.Magnin，2001，“Drag and stability of objects in a yieldstress fluid”，AIChE，47，12 522。
它們通過(guò)實(shí)驗(yàn)顯示出，屈服應(yīng)力流體和水平圓柱體之間的平衡會(huì)推導(dǎo)出τ0=17R0.Δρ.g---(5)]]>NB預(yù)因子(1/7)不同于公式(4)，因?yàn)獒槍?duì)方程(2)簡(jiǎn)化了在油圓柱體上的應(yīng)力的積分計(jì)算。
所需屈服應(yīng)力也可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試來(lái)確定。
注意到，當(dāng)所輸運(yùn)的流體較壁層注入流體更稠密時(shí)，對(duì)應(yīng)于橫向移動(dòng)的合力FA會(huì)為零。
因此，利用屈服應(yīng)力流體，通過(guò)用阻力FD來(lái)抵消阿基米德和重力的合力(FA)的效果，便能夠及時(shí)避免或者限制所輸運(yùn)的流體圓柱體朝著管壁的橫向運(yùn)動(dòng)，因此，靜態(tài)流體層化。該阻力FD是屈服應(yīng)力流體的屈服應(yīng)力的函數(shù)。后者可以例如根據(jù)原油密度和管道半徑(壁層在幾毫米數(shù)量級(jí)，可認(rèn)為R0非常接近管半徑)來(lái)計(jì)算。
因此，這種方法包括注入一種屈服應(yīng)力流體，該流體具有足夠大的屈服應(yīng)力以能抵消造成橫向移動(dòng)的力。
對(duì)半徑10厘米的圓柱管道和密度為950kg/m3的重質(zhì)原油，估算出屈服應(yīng)力τ0為7Pa能夠防止靜態(tài)的流體層化。圖3示出對(duì)兩種典型重質(zhì)原油輸運(yùn)管道(20厘米(D20)和10厘米(D10))，作為重質(zhì)原油密度(μ)的函數(shù)的所需屈服應(yīng)力(τ0)。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，經(jīng)常使用水來(lái)產(chǎn)生壁層。這種情況下，通過(guò)注入一定比例的添加劑來(lái)獲得剪切稀化的屈服應(yīng)力流體，便有可能在該水層中產(chǎn)生屈服應(yīng)力。有可能估算出抵消橫向移動(dòng)力的作用所需的最小屈服應(yīng)力。然后，可以確定在水層中產(chǎn)生足夠的屈服應(yīng)力(至少等于最小應(yīng)力)所需的添加劑的比例。
示出的第一個(gè)實(shí)例中使用黃原膠聚合物作為添加劑。根據(jù)聚合物在水中的比例制備各種溶液。圖4示出對(duì)于不同比例的黃原膠聚合物0.5g/l(X05)、3g/l(X3)和6g/l(X6)，用Couette流變儀測(cè)定作為形變速率(TD)的函數(shù)的剪切應(yīng)力(CS)從而獲得的三個(gè)流變圖。這些流變測(cè)定值顯示，該流體的流變性可用Herschel-Buckley型流體性能進(jìn)行建模，其中，剪切應(yīng)力τ可用以下公式描述τ＝τ0+k·γn式中k是稠度(以Pa·s表示)γ是速率梯度(形變速率)n是稱作“梯度指數(shù)”的一種指數(shù)。
因此，屈服應(yīng)力τ0表現(xiàn)為所用產(chǎn)品量的函數(shù)。例如，有可能用水中6g/l聚合物獲得6Pa的屈服應(yīng)力。
第二個(gè)實(shí)例中，使用Degussa公司(德國(guó))銷售的稱為ActigumTMCS6的多糖。這種聚合物能以不同濃度溶解于水中，用施加應(yīng)力流變儀AR2000TM(TA-Instruments(UK))，配有錐形/平面幾何體(直徑6厘米，角1°)，獲得流變圖。圖6所示的三個(gè)流變圖示出對(duì)不同量多糖ActigumTMCS6(0.5g/l(X05)、0.1g/l(X01)和0.005g/l(X005))作為形變速率(TD)的函數(shù)的剪切應(yīng)力(CS)。對(duì)濃度大于1g/l的聚合物水溶液，該溶液顯示的屈服應(yīng)力流體的性能可用Herschel-Buckley型流體性能進(jìn)行建模。這種類型的流體的屈服應(yīng)力τ0能用于本發(fā)明情況，以限制甚至防止原油向管壁的任何運(yùn)動(dòng)。因此，聚合物濃度為5g/l時(shí)，屈服應(yīng)力τ0在20℃為3.7Pa。此外，這種類型的聚合物能提供具有顯著剪切稀化特性的溶液，這種特性可用數(shù)量級(jí)為0.65的梯度指數(shù)n表征。因此，當(dāng)流體流動(dòng)時(shí)，表觀粘度(η)在形變速率(γ)增加時(shí)明顯減小。聚合物濃度仍為5g/l時(shí)，在形變速率為100s-1條件下水溶液在20℃的粘度只有54mPa。
可以使用其它類型的添加劑來(lái)改進(jìn)潤(rùn)滑層的流變性。以非窮盡的方式述及的添加劑如下-合成或天然的可水溶的聚合物多糖、黃原膠、藻酸鹽、淀粉、瓜耳膠、明膠等，以及它們的衍生物；-締合聚合物，即聚合物由多數(shù)的親水基團(tuán)和少數(shù)的疏水性基團(tuán)組成；-可分散的粘土，如，蒙脫石或laponite，它們能與水混合，并得到三維結(jié)構(gòu)和屈服點(diǎn)；-各種添加劑的混合物。
在締合聚合物的情況，在水中疏水基團(tuán)間的締合能夠在沒(méi)有剪切條件下獲得凝膠。這種類型的聚合物可以通過(guò)對(duì)親水性聚合物進(jìn)行化學(xué)改性獲得，或者通過(guò)親水性單體和疏水性單體的共聚獲得。疏水性官能團(tuán)可以沿鏈無(wú)規(guī)分布或者分布在鏈端，或者可以是嵌段形式。
在泵送壓方面，必須確保添加這些添加劑在流通期間不會(huì)使壁層粘度太高。事實(shí)上，芯-環(huán)流能降低粘性流體在壁上的應(yīng)力，因此降低泵送壓。因此，泵送壓必須確保注入的屈服應(yīng)力流體(通過(guò)混合水和添加劑獲得)具有一定的屈服應(yīng)力，在停止流通時(shí)能使粘性流體不會(huì)沿管壁向上流動(dòng)，并且在流通期間屈服應(yīng)力流體的粘度相對(duì)于輸運(yùn)的粘性流體，能使壁上應(yīng)力明顯減小。因此測(cè)得對(duì)100s-1形變速率，作為黃原膠濃度([X])的函數(shù)，測(cè)得了壁層表觀粘度(η)(圖5)。圖5示出表觀粘度增高與存在聚合物有關(guān)。然而，該粘度明顯低于原油的粘度，這允許在芯-環(huán)流輸運(yùn)情形下使用這種流體。在圖5的實(shí)例中，用黃原膠達(dá)到100mPa·s，而重質(zhì)原油為其10至10,000倍。
再啟動(dòng)壓力方面，必須克服屈服壓力，因此必須檢查所需的再啟動(dòng)壓力是否可以接受且低于沒(méi)有添加劑時(shí)的再啟動(dòng)壓力。再啟動(dòng)流通時(shí)管道中壓降可由以下公式得出ΔpL=2.τ0R---(6)]]>式中R是管半徑，Δρ是壓降，L是管長(zhǎng)度，
τ0是屈服應(yīng)力。
對(duì)半徑10厘米管道中要達(dá)到7Pa的屈服應(yīng)力(τ0)，壓降Δρ為140Pa/m。在一個(gè)管道中提出可接受的最大值為300Pa/m的情況，該值為完全合理的，可產(chǎn)生15Pa的最大屈服應(yīng)力。
因此，注入的屈服應(yīng)力流體的屈服應(yīng)力取決于阿基米德和重力的合力(FA)。這樣允許估算用來(lái)限制橫向位移的應(yīng)力的合理下限。然而，只要相對(duì)于所輸運(yùn)的粘性流體其粘性足夠低，就可以使用具有更高屈服應(yīng)力的流體。這種情況下，受到泵送站容量的限制。
在廣義上對(duì)管道中運(yùn)輸方面描述了本發(fā)明。本發(fā)明方法用于石油工業(yè)，也可以應(yīng)用于管道中的表面運(yùn)輸或應(yīng)用于油井中泵送烴，這種情況的管道對(duì)應(yīng)于導(dǎo)向油井垂直部件的排料管。
根據(jù)本發(fā)明，實(shí)施本發(fā)明方法的設(shè)施包括以下部件-流通粘性流體的管道，-用來(lái)使管道中流體流通的泵送裝置，-將流體注入管道以產(chǎn)生芯-環(huán)流態(tài)的裝置，-將添加劑注入已注入的流體中的裝置。
權(quán)利要求
1.管道中輸運(yùn)粘性產(chǎn)品的方法，該方法包括借助于泵送裝置使所述產(chǎn)品流通，并在所述管道中注入流體，因而在管壁與所述粘性產(chǎn)品之間產(chǎn)生潤(rùn)滑層，使具有芯-環(huán)流流通狀態(tài)，其特征在于，所注入的流體是預(yù)定值的屈服應(yīng)力流體。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述屈服應(yīng)力流體的屈服點(diǎn)通過(guò)估算由所述管道的幾何特征和所述粘性產(chǎn)品的物理特性得出的最小屈服應(yīng)力來(lái)確定。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述屈服應(yīng)力流體是水和添加劑的混合物，所述添加劑的量足以使帶有剪切致稀特性的所述混合物具有預(yù)定的屈服應(yīng)力。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，至少一種添加劑選自以下添加劑合成可水溶聚合物、天然可水溶聚合物、締合聚合物以及這些聚合物間的締合物。
5.如權(quán)利要求3或4所述的方法，其特征在于，至少一種添加劑選自以下添加劑多糖、黃原膠、藻酸鹽、淀粉、瓜耳膠、明膠和它們的衍生物。
6.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，至少一種添加劑是粘土。
7.如權(quán)利要求3-6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，至少一種添加劑選自以下添加劑蒙脫石和laponite。
8.如權(quán)利要求3-7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，至少一種添加劑是聚合物和粘土間的締合物。
9.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，添加劑比例是根據(jù)所述粘性產(chǎn)品的密度來(lái)確定的。
10.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，添加劑比例是根據(jù)用于使所述粘性產(chǎn)品流通的泵送裝置來(lái)確定的。
11.運(yùn)輸粘性產(chǎn)品的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用來(lái)流通所述產(chǎn)品的泵送裝置、注入流體以在所述管壁和所述粘性產(chǎn)品間產(chǎn)生潤(rùn)滑層的裝置，使具有芯-環(huán)流流通狀態(tài)，其特征在于，所注入的流體是屈服應(yīng)力流體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過(guò)腔潤(rùn)滑流技術(shù)在管道(C)中輸運(yùn)粘性產(chǎn)品并且限制使該粘性產(chǎn)品流通所需的再啟動(dòng)壓力的方法。腔流是一種在管道中能以減小的壓降來(lái)輸運(yùn)非常粘的產(chǎn)品的技術(shù)。然而，當(dāng)不同流體之間有密度差時(shí)，粘性產(chǎn)品朝著管壁的橫向移動(dòng)會(huì)引起層化，然后，再啟動(dòng)壓力便非常高，因?yàn)檎承圆糠直仨氉冃巍榱讼拗七@種壓力，提出了應(yīng)該通過(guò)將能阻止橫向移動(dòng)產(chǎn)生的閾流體注入所述管道中來(lái)限制這種橫向移動(dòng)。為了獲得這種閾流體，可以向目前使用的水層中加入添加劑。本發(fā)明對(duì)于輸運(yùn)粘性碳?xì)浠衔锾貏e有用。
文檔編號(hào)F17D1/16GK101061322SQ200580039344
公開(kāi)日2007年10月24日 申請(qǐng)日期2005年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月18日
發(fā)明者Y.佩頌, P.加提奧, J.－F.阿吉里爾 申請(qǐng)人:Ifp公司