（油气储运工程专业论文）大庆原油启动触变特性研究.pdf

s t u d yo nt h et h i x o t r o p i cc h a r a c t e r i s t i c so fd a q i n g g e u e d c r u d e0 n h u r o n g ( o i l & g a ss t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz 3 t a n g g u o - z h o n g a b s t r a c t t h et h i x o t r o p i cp r o p e r t i e so fd a q i n gg e l l e dc r u d eo i lw h i c hh a s c e r t a i nh e a th i s t o r ya n ds h e a rh i s t o r y d a r i n g n sf a s tb r e a k d o w na r e s t u d i e di nt h i sp a p e r t h er a t eo ft h ec r u d eo i lb r e a k d o w na n di t s i n f l u e n c i n gf a c t o r ss u c ha st h er e s t a r tt e m p e r a t u r e ，t h es t a t i ct e m p e r a t u r e d r o pa n dt h er e s t a r ts h e a rr a t ea r ea n a l y z e d as e r i e so f t h i x o t r o p i cm o d e l s a r ee x a m i n e db a s e do nt h ee x p e r i m e n t st os e et h e i rf i t t i n ge f f e c t s t h e i 己s u l t ss h o wt h a tt h eh y p e r b o l i cm o d e li sm o r ep r o p e ri n f i t t i n gt h e e x p e r i m e n t a lc u r v e s t h ep a r a m e t e r si nt h i sm o d e la r ef u r t h e d i s c u s s e d t h r o u g ht h em u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o nm e t h o d , af u n c t i o n a le x p r e s s i o n d e s c r i b i n gt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r si nt h e h y p e r b o l i c m o d e la n dt h ei n f l u e n t i a l 白c t o r s i n c l u d i n gt h e r e s t a r t t e m p e r a t u r e ，t h es t a t i ct e m p e r a t u r ed r o pa n dt h er e s t a r ts h e a rr a t ei s d e d u c e d ；f u t h e r m o r e ，ac o m p u t a t i o nm e t h o do fc r u d eo i lt h i x o t r o p y p a r a m e t e r su s i n gf e e d - f o r w a r db pn e t w o r ki sp u tf o r w a r d t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h i sm e t h o di so fh i 曲a c c u r a c ya n dn o td e p e n d e n to n f u n c t i o nf o r m b e s i d e s ，t h ep e a kp o i n ta n dt h ee q u i l i b r i u mp o i mo nt h e t h i x o t r o p i cc u r v ea r eo fs p e c i a li m p o r t a n c et h a tt h er e l m t o n sb e t w e e n t h e s et w op o i n t sa n dt h ei n f l u e n t i a lf a c t o r sa l es e tu pr e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：t h i x o 缸o p y , c r u d eo i l ，t h i x o t r o p i em o d e l ，b r e a kd o w n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：j 呻1 年6 月q 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：塑垒a 叫年与月 日 导师签名：垄型：。刁年f 月1 7 日 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第l 章前言 第1 章前言 含蜡原油的组成异常复杂，其受力而流动的相互响应呈多样性、 复杂性。它不仅取决于组成，还与经历的热历史、剪切历史、剪切作 用时间等外因有关，即含蜡原油的流变性与外场密切相关。含蜡原油 的相态和内部物理结构的变化与温度密切相关，从而使其流变性随环 境温度而变化。当温度降至凝点附近时，静置含蜡原油中析出的蜡晶 相互交联形成具有一定强度的网络结构并成为连续相。此时的含蜡原 油具有触变、屈服假塑性体特征。只有当外力达到某值时，才能使 蜡晶网络被破坏，含蜡原油产生流动，被破坏的分子团又会碰撞絮凝， 使得原油具有显著的触变性 1 】，随着剪切作用时问的延长，拆散和絮 凝达到动平衡态。目前，对表现出与时间无关的含蜡原油流体的流变 性的研究已比较系统完善；对表现出与时间有关的含蜡原油流体( 指 触变假塑性流体、触变屈服假塑性流体) 的流变特征的研究工作则起 步较晚，进展也比较缓慢。现在，其研究方法及定量描述不够深入。 低于某温度下的含蜡原油，是一种天然的触变屈服性流体，研究它的 触变特征，将对管输含蜡原油的工艺设计和生产管理有重要意义。 本文以大庆含蜡原油为研究对象，应用旋转流变仪，对特定历史 条件下形成的低温含蜡原油在恒定剪切率下的触变直至动平衡过程 进行研究，进一步深入了解含蜡原油的这一重要流变性质。 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章舍蜡原油的触变性 第2 章含蜡原油的触变性 2 1 触变性回顾 触变性【2 】是分散体系流变学研究的重要内容之一。触变现象最早 是f l j s c h a l e k 和s z e g v a r i 于1 9 2 3 年发现的。s c h a l e k 和s z e g v a d 在研究过 程中发现“水合氧化铁”凝胶具有一种显著的性质，即仅仅通过振动就 可以完全转变为液体；这种液化的凝胶在外观上与原始溶胶很难区 分。这些凝胶通过振动而液化，经过一段时间静置后又重新固化。这 种凝胶一溶胶状态的变化可以通过晃动搅拌而重复多次发生，而体系 中却看不到其它变化。 1 9 2 7 年，f r e u d l i c h 和r a w i t z e r 最早给出了触变性的定义：触变性是 指浓凝胶体系的一种现象静止时能固化为凝胶，而搅动时能液化为 溶胶。重新固化的过程可以在恒定温度下以同样的速度重复出现”。 这种定义只是依据体系状态的变化给出的，与现在的定义相差甚远。 1 9 3 4 年，p r y c e - j o n e s 提出“触变性的真正含义是在静止状态下粘 度升高，而在受到固定的剪切应力作用下，粘度降低”。 经过几十年的研究发展至今天，关于触变性的理解分为两种观点： 第一种坚持p r y c e - j o n e s 的观点，认为触变性是在剪切时或剪切停止后 微观结构随时问的响应。他们在研究触变性时，只强调体系静止和受 到外力作用时的粘度变化，而不考虑从类凝胶到类液体的可逆转变； 第二种观点( 主要在工业界) 坚持f r e u n d l i c h 和r a w i t z e r 关于触变性的解 释，即在剪切时凝胶转变成溶胶，而在静置时溶胶又转变为凝胶。触 变性物料如油漆、粘合剂和涂料在实际生活和生产中便利用了这一特 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章含蜡原油的触变性 性。关于触变性的定义，在目前一些流行的科学文献中如科技词典和 百科全书中都反映了以上两种观点，其中和很多是不全面的： 牛津物理百科全书：触变性是物质的一种特定行为，即在外加应 力很小时，表现出固体特征；而在较大的外力作用下就会转变为液体； 当撤销外力后，物质又恢复到最初的状态。这种变化实际上与特定的 胶体有关，这种胶体在静置时是凝胶，当被搅动或振动时则变为溶胶， 这是由于固相的重新分布引起的。 c h a m b e r 蝌学技术字典( 1 9 7 1 年) ：触变性是流体和弹性固体的 一种流变性质，即在低应力下具有高粘度，但当外力增大时，粘度却 降低。这对油漆是一种有用的性质，因为只需要较简单的工作就可利 用触变性得到较厚的油漆膜。 m c g r a w - h i l l 科学技术术语字典：触变性是特定凝胶的一种性 质，当施加振动力如超声波或仅仅摇动都能使凝胶液化，静置后又重 新固化。 v a nn o s t r a n d 科学百科全书( 1 9 7 6 年) ：触变性流体是指其粘度不仅 是剪切应力的函数，而且与其流动历史有关。随流体流动时间的延长， 其粘度通常降低。这种体系一般为高分子量物质的浓溶液或胶体分散 体。 聚合物科学字典：触变性是一种与时间有关的流体行为，即表观 粘度随剪切时间延长而降低，当剪切移去后又慢慢恢复到或接近于原 来的数值。侠复过程可能需要很长时间。在一些分子结构随剪切时间 而破坏的聚合物体系中有时会产生此现象。 目前，大多数流变学家比较一致的观点是，触变性反映了微结构 变化的时间效应。通常情况下，也经常采用由剪切一静止作用引起凝 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章含蜡原油的触变性 胶一溶胶转变的老观点，因为它可以直观的判断一个体系是否属于触 变性体系。但在理论研究中，这个定义就不够严谨了。 2 2 触变性机理的解释 触变首次出现是因为由剪切引起的任何微观结构的改变都需要 一段有限的时间。通过应力拆散过程和流动导致的碰撞过程的相互作 用，微观结构达到一种新的平衡，这个时间可以是几分钟。然后，当 流动停止时，布朗运动能够缓慢移动这些微观结构的元素，将它们移 至更有利的位置，重新形成结构。这可能要花费几小时去完成。整个 过程是完全可逆的u j 。 低于某温度下的含蜡原油【3 】，其析出的蜡晶增多，并长大成为大 分子、小颗粒，成为可溶性边缘的溶质，分散的沥青质会附着在蜡晶 上或共晶成分散相，而液态烃、胶质等为连续相，两者组成一定浓度 的分散悬浮体系，此时含蜡原油会呈现出与时间有关的非牛顿流体特 性。即在恒定温度下，含蜡原油经受恒定剪切率的剪切，体系中的蜡 晶颗粒的大小、形状、排列、取向等等将发生变化，需要一个可以度 量的时间才能逐渐调整到与流动阻力相适应的状态，表观粘度将随剪 切作用时间的延长而减少，直至出现表观粘度基本不变的动平衡状 态。在停止剪切作用后，体系内的大分子、小颗粒由于范德华引力起 主要作用而缔合或恢复，逐渐恢复到内能最小的稳定状态，又形成较 稳定的结构，其表观粘度又随静置时间的延长而增长。 触变性可以被解释为是流体内悬浮颗粒聚集的结果。在分散体系 中，颗粒之间由于范德华力而相互吸引，而又由于静电斥力和空间斥 力而相互排斥。体系最终的稳定状态将取决于这两种力的相对大小。 如果分散体系处于静止，颗粒聚集体能形成空间网络结构。当然，网 络结构强度必须足够强，以阻止热布朗运动效应对结构的破坏。如果 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章含蜡原油的触变性 体系被剪切，弱的物理作用键被破坏，网络结构破碎成各自独立的聚 集体，这种聚集体又会进一步破碎成较小的称作流动单元的碎块。另 一方面，热运动以及流动剪切造成流动单元之间的相互碰撞，进而使 颗粒聚集体尺寸增长、数目增加。经过定的时间后，达到与给定的 剪切速率相适应的聚集体破坏与增长的动平衡状态。如果在更高的剪 切速率下剪切，动平衡将向颗粒进一步分散的方向变化。 触变性流体结构破坏与恢复过程之间的动平衡决定于热运动和 剪切的同时作用。假定体系中新的作用键的形成速率正比于单位体积 内的颗粒数，这是因为颗粒的碰撞几率随颗粒浓度的增加而增加；而 在一个平均聚集体内颗粒问作用键的破坏速率正比于当前存在的作 用键数，那么，作用键随时间的变化速率可以用以下运动方程表示： d _ i v _ v ：k l n k 2 y ( 2 1 ) d t 1 式中，、，是一个平均聚集体内的作用键数，是单位体积内 的颗粒数，k 卜k 2 分别是决定于剪切速率的作用键形成与破坏的比 例常数。从该公式可以看出，在恒定的剪切速率作用下( k l 、k 2 均 为常数) ，颗粒间的作用键数随时间而变化，并最终达到一个对应于 d v l d t = o 平衡值y ，( 尹) 。因此，体系的粘度也将随时间而变化，并最终 达到一个动平衡值。( 户) 。 2 3 触变性的描述 研究含蜡胶凝原油的流动特性，则需要对胶凝原油触变性进行描 述。触变模式主要分为三类，即直接结构模式、间接结构模式、直接 数据回归模式。其不足之处在于现有的触变模式均是针对某特定温 度下的含蜡原油建立起来的，没有建立模型参数与温度的关系。 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章舍蜡原油的触变性 区互她接结构模式 从上述流体的触变性机理可见，为了描述触变性流体的流变状 态，必须首先掌握聚集体内颗粒之间作用键的实际数目，将流体中链 连接的数目作为流体结构的强度参数，由于链连接数目的测定难度 较大，该种模式的应用受到限制。 圃间接结构模式 这是应用较多的一类模式。该类型模式的特点是，首先引入结构 参数力及其变化率，其速率方程为： 警= g 伉刀= 口( 1 一6 一嘶4 ( 2 2 ) 此类触变模式有很多，下面列举一些较典型的模式： c h e n g 模式【4 】：认为凝油的触交性是由结构变化导致屈服值裂 降引起的，而稠度没有变化。针对含蜡原油，他提出触变性流变模型： f=f。+k矿(2-3) 勺=tyo+五0l(2-4) 警= 口( 1 一力一6 肜 ( 2 - 5 ) 式中：f 。一结构完全破坏时的屈服应力； f y l 一结构完全恢复时屈服应力的增量。 h o u s k a 模式嘲： f = 毋+ r ：2 + ( i + 础) 户4 ( 2 - 6 ) 警= “l 一一嘶” ( 2 7 ) 式中：如、钿、七、从、疗均为物性常数，且被认为只与温度有关； 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章含蜡原油的触变性 a 为结构建立系数：b 为结构裂降系数；m 决定了胶凝结构的变化速 率。h o u s k a 模式认为原油的触变性应归咎于屈服值和结构稠度同时 裂降作用，且两者的裂降速率是一致的。 陈宏建等 6 1 在h o u s k a 模式的基础上，经实验研究及理论分析， 建立了反映含蜡原油触变性的模型： f = f ，o + 2 1 r y l + ( x + 乃置妒” ( 2 8 ) 鲁= 口1 ( 1 一五) 一 尹 ( 拍) 警钏：( 1 一如) - b 2 如户” ( 2 - 1 0 ) 该模型与h o u s k a 模型的区别在于，模型中引入了两个独立的速 率方程，不是等速度裂降。 蒋永兴针对恒剪切速率下结构的破坏过程和改变剪切速率时 平衡状态的过渡过程进行研究，提出新的流变模式1 7 ，并指出：具有 触变结构的胶凝原油受剪后，其结构破坏由两部分组成。一方面是蜡 晶微团之间弱连接的断裂，这种触变行为不可恢复，反映在流变参数 上就是原油屈服值的裂降；另一方面是由于不规则蜡晶本身的定向化 作用，这种触变行为是可以恢复的，反映在流变参数上就是结构稠度 的裂降。其流变方程组为： f = f 。+ 后，户” ( 2 - 1 1 ) = + 2 a r y i ( 2 1 2 ) t = k 。+ 五2 k l ( 2 - 1 3 ) = 丑oe x p ( 一b l 尹”f ) ( 2 1 4 ) ：r e = 如。+ ( 兄2 0 一k 。) e x p l - ( a 2 + 6 2 尹”) f 】 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章含蜡原油的触变性 ( 2 1 5 ) 五c2 而a 2 a 。( 2 - 1 6 ) 他们使用r v - i i 粘度计进行流变实验，包括恒剪切速率下的结构 破坏和改变剪切速率时平衡状态的过渡过程。测试结果表明，当胶凝 原油无任何剪切历史时，原油中的蜡晶微团之间的弱连接是存在的。 施加剪切作用时，原油的触变性包括两部分，即蜡晶微团弱连结的断 裂破坏和微团的取向调整。当剪切充分后，弱连结极度破坏，再施加 更高剪速剪切作用时，仅存在蜡晶的取向调整，故剪切应力随时间变 化比上述情况要平缓得多。 若结构原油被充分剪切后，恒温静止足够长的时间，胶凝结构达 不到无剪切历史时的状态。其原因在于蜡晶微团弱连结的不可恢复 性，而蜡晶微团的取向由于布朗运动的结果总趋于无序分布。 曹学文【8 】在其论文中描述了用粘度计测试含蜡原油等结构线 的方法，实验结果显示，油样受剪后，结构的恢复是相当慢的，甚至 在足够长的观察时间内是不可恢复的。他指出，含蜡原油是一种流裂 性的触变性流体，或称不可逆触变体，等结构线的测试比较困难。他 还指出，只要保证实验前一批油样处理的过程十分严格，测试结果完 全可以重复，可认为相同处理条件下得到的低温试样的结构是基本相 同的，并据此来测试等结构线。他推荐濮阳原油触变模型方程如下： f 2 f l + t t 。= 西 f l = a b ，+ 咕一曲，+ b ，。) 8 ( 2 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章含蜡原油的触变性 d 击x = 叫尹一丸) 一肜2 ( 名一以) 3 ( 五 也) ( 2 - 2 0 ) 譬：0 ( z 墨以) 出 ( 2 - 2 1 ) 式中：牛顿粘度；丘一最高结构水平时无限大剪速下的粘度；f ，一 动态屈服值；占稠度系数；玎流变指数形式 显然要积分速率方程获得解析解是困难的，只有在特殊情况下才 能得到。考虑恒剪切速率情况，积分速率方程并代入状态方程得到： t 高+ 丙拦斋，唧 研k 2酚b ( 玎一仉) 2 【r ，+ ( p 一) 尹+ b 户4 】2 ( 2 2 2 ) 实验表明，上面的模型方程可以很好的描述他对濮阳含蜡原油所 做的实验数据，各参数的确定也较简单，物料常数p 、b 、甩可 以从等结构线的测试结果求得，、口、k 可直接对恒剪速剪切实验 数据用最小二乘法回归得到( 假设丘、b 、疗已知) 。以上常数 只与含蜡原油及其温度有关，因为温度直接影响到蜡晶结构的形成及 强度。 ( 3 ) 直接数据回归模式 直接数据回归模式是根据f 一矿一t 曲线法建立起来的。所谓 f 一矿一t 曲线法，就是对静置并已形成稳定结构的触变流体以恒定的 剪切率进行剪切，初次剪切时剪切应力迅速下降，随着剪切时间的延 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章舍蜡原油的触变性 长，剪切应力不再下降即达到平衡值，从而可得一条剪切应力衰减曲 线。由于选用不同的剪切率，对流体内部结构的拆散程度不同，所以 改变剪切率可得不同的剪切应力衰减曲线。图2 1 为经过静置形成稳 定结构的某含蜡原油在不同启动剪切速率下再启动后的初次裂解曲 线。 r h _ 冀遗1 1 0 h p 1 一。p 柏 pfs h w 8 - 瓣l 1 1 s 1 l p ，1 1 ，p e 卜 s h 暂s b i 辩 舅逮m 1 s h 。p i ，p 4 9 卜 1s h e a r 3 m ，幅 奄- 一瞻 图2 - 1含蜡原油屈服裂降曲线 从上述定义可以看出：f 一尹一t 曲线法是针对流体处于特定条件 而言的，所以由此方法确定的剪切应力衰减曲线也仅表示了流体在特 定条件下静置并形成稳定结构下的触变特征。建立在t 一尹一t 曲线法 基础上的触变流体的直接数据回归模式主要有： 啪模式1 】【9 1 鼢时和g o v i e r 将具有触变性非牛顿流体中网络或颗粒聚集体的 形成过程比拟为二级化学反应，而网络结构的破坏则类比于一系列的 l o 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章含蜡原油的触变性 一级化学反应；并认为触变流体受剪切作用时所产生的总剪切应力是 由牛顿应力分量和结构应力分量所构成，提出了计算剪切应力的r - g 模型方程。该模式直接以f 、户、t 三个物理量来表达： f=f。+l(2-23) 。k 【柚 ：- k 。f 啦l g t l g k d r ( 2 - 2 4 ) l 一7 k 。：堕兰粤 ( 2 2 5 ) f s l f 蛐一f 蛳 杜云在其论文中指出【1 0 】，预剪后的裂降过程可表示为： f = f 。+ ( f o f 。) p 一“( 2 - 2 6 ) 其中各个参数均与剪切速率有关，用实验验证了2 9 * ( 2 中原原油经 2 3 4 s _ 1 剪速预剪平衡后再受剪切的触变规律。 同时她指出，r - g 模式能较好地定量描述非牛顿含蜡原油在初始 裂降过程中的触变规律，并通过实验得到朝阳沟原油( 经5 0 c ) j n 熟， 静态降温至3 0 c ，恒温2 0 m i n 后) 的触变方程组。 张足斌f 1 1 】在杜云触变模式的基础上，强化了时间的影响，并 模拟了实际工业管道的停输再启动过程。首先将油样在热处理罐里进 行规定温度的热处理，然后进行动态剪切；剪切到一定温度后，在某 一方式下静止降温；到达规定温度后再启泵剪切，测试此时油样的触 变性。指出下式能够很好地描述胜利原油触变特性： f = t + ( 如一巳) e x p ( - k t ”) ( 2 2 7 ) 该模式中的4 个参数都有明确的物理意义。f 0 表示对油样施加某 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章含蜡原油的触变性 一剪切速率时所必需的最大剪切应力；乃表示保持该剪切速率时可能 达到的最小剪切应力；f o z e 表示该剪切速率对油样内部结构的最大 破坏程度；k 表示在该剪切速率下初始单位时间内结构被破坏的程度， k 越大，则该油样的剪切应力在初始一段时间内下降很快，即容易被 剪切到动平衡；m 表示随着剪切时间的延长，结构被继续破坏的快慢 程度，m 越大，越容易被剪切到动平衡。根据东营原油库的油样进行 的实验所得的数据进行了回归，并研究了剪切历史、不同静置降温方 式、启动剪切率对触变性的影响。 刘刚等。羽利用机械比拟原理，建立了将胶凝原油的触变性和 粘弹性统一起来的本构方程，即粘弹触变方程，用来描述恒剪切速 率实验中胶凝原油的应力裂降过程。模型由m a x w e l l 元件和触变元件 并联得到，即模型承受的总剪切应力f 由对应于m a x w e l l 体的剪应力 f l 和对应于触变元件的剪应力组成。整个力学模型的总剪切应力可 以表述为： f = a + b e x p ( - c t ) + d e x p ( 刊( 2 - 2 8 ) 鼽嘞嘲舟d 一钏一号 d = 毗“d 耽”t l 一赤) ，p = w c 2 五个参数分别为粘性系数刁、弹性模量g 、与原油中蜡晶絮凝体 尺寸相关的特征参数b 、结构破坏速率常数d 和破坏速率方程指数 利用该回归方程对测试数据进行回归，效果很好( 相关系数为 0 9 8 以上) 。新回归方程能够较准确地描述恒剪切速率实验中胶凝原 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章含蜡原油的触变性 油的f f 曲线。回归所得的参数可反映出胶凝原油的相关特性。 除了在直接数据回归模式中，以指数方程的形式建构的触变 模型有三参数模式f 1 叫和在此基础上加以改进得出的四参数模式【l l l ，以 及五参数模式旧等最为常用外，双曲形式触变模型也较为常用。而传 统的三参数双曲模式1 3 1 f = t ( a + 研) + c 描述含蜡原油的触变性，虽 具有使用简便、适于工程计算等优点，但其精度较差，且三个参数的 物理意义并不明确。董平省掣1 4 1 对三参数双曲模式加以改进，更好地 描述了含蜡原油的触变特性。改进后的双曲模式如下 r = f 。+ 二旦生 ( 2 3 0 ) 。 l + 蔚“ 在对新型模式的数据验证中，分别采用德国h a a k e 公司的型号为 r v - 1 0 0 的旋转粘度计和石油大学储运教研室的管流实验装置进行了 数据验证，结果表明采用该模式的拟合曲线很好的符合实测数据点。 并将双曲模式与四参数指数模式f = t e + ( f o l ) e x p ( - k t “) 对实验数 据进行回归的结果进行比较，发现用改进的双曲模式回归的相关系数 比四参数指数模式回归的相关系数高。对比五参数指数模式 ( f = 4e x p ( b j t ) + c le x p ( d i f ) + e 1 ) 发现，提出的指数形式回归数据 的精度与之相差无几，但比五参数的指数形式表达式来得直接、简洁， 且表达式中各参数的物理意义更加明确。 ( 4 ) 基于粘弹性的触变模式 在一个本构方程中，同时体现流体的粘弹性和触变性，将比较全 面地描述流体的力学行为。建立此类型的本构方程有两种方法：将粘 弹性本构方程中的参数取为流体结构参数的函数形式；在状态方程 中，将剪应力响应分为两部分之和，一部分满足粘弹性本构方程，另 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章含蜡原油的触变性 一部分满足触变性本构方程。 侯磊、张劲军【1 5 】试图从粘弹性力学分析的角度，研究含蜡原油在 触变过程中的力学响应，在合理假设的基础上推导出了新的触变模 型。在触变过程中，总的剪切应力为弹性应力和粘性应力之和。根据 分子网络结构理论，引入结构参量，建立蜡晶结构参量随时间的变化 关系，最终建立 羔= - k i p ；t + k 2 ( i - d ( 2 - 3 1 ) f = a 尹6 + c 尹6 ( 1 一a ) ( 2 - 3 2 ) 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章实验简介 第3 章实验简介 3 1 实验仪器及实验油样 3 1 1 仪器简介 本文所用主要仪器为德国a n t o np a a r 公司生产的l h y s i c am c r ( m o d u l a rc o m p a c tr h e o m e t e r 模块化紧凑流变仪) 系列中的l h y s i c a m c r 3 0 1 。主要技术参数见表3 1 。 表3 - 1m c r 3 0 1 系统相关参数 端面效 应修正 转子外筒间隙比装样体积系数 ( 经验 值) d l ( m m ) e j ：兰 矿 ( r a m ) ( m m ) ( m 1 ) q 2 6 6 7 63 9 9 9 62 8 9 21 0 8 4 1 2 11 91 1 0 转换系数 最小扭矩最大扭矩 最大可测最大剪 ( 仪器常数)剪应力切速率 c 船 c s r ： s 一1 m i n 一 ( “ 7 两) ( m n m ) f ， p a m n m( p a )( j 一1 ) 2 6 6 7 63 9 9 9 60 12 0 0 3 7 6 3 5 43 8 9 8 1 p h y s i c am c r 系列流交仪独特的关键组成部分之一就是由空气轴 承支持的同步马达。固定于一个小转盘上的高能永磁产生恒定的磁 场，从而产生快速的即时响应。转子与由一系列线圈组成的定子以相 同速度运动，即同步运动。扭矩可以调节，使其与定子电流的总量保 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章实验简介 持线性关系。因此定子电流改变，扭矩便立即改变。和感应马达相反， 同步马达的转子不会变化，因此不会产生涡电流，从而也不会发热， 而发热正是显著改变马达特性和导致信号漂移的根本原因。快速的线 性响应加上先进的控制电子部件使p h y s i e a 系列流变仪速度和应变控 制无与伦比。由于电磁铁马达扭矩和定子电流之间保持线性关系因此 可得到绝对的扭矩校正；可对大范围内的应力、应变及频率范围进行 受控剪切应力( c s s ) 压t 受控剪切速率( c s r ) 实验；转场恒定，没有热量 产生，信号不会漂移。 此流变仪有很宽的扭矩和转速范围( 1 0 锰l _ 3 0 0 0 m i n d )， 马达的响应时间非常短，达到1 0 0 0 m i n 1 的转速只需1 5 0 m s 。此套设 备的控温系统利用珀尔帖效应( p e l f i e re f f e c t ) 实现精确控温，测温 范围一3 0 c - - 2 0 0 c 。珀尔帖效应的工作原理是当直流电通过两种不同 导电材料构成的回路时，接点上将产生吸热或放热现象。冷端的热量 被移到热端，导致冷端温度降低，热端温度升高。对于半导体材料， 珀尔帖效应特别显著。当电流方向从空穴半导体流向电子半导体时， 接头处温度升高并放出热量；反之，接头处温度降低并从外界吸收热 量。半导体制冷器有两个端面，当一个端面为冷端时，另一个端面就 为热端，每个端面都可作冷端，热端使用。当温度高于设定温度时， 密闭容器需要降温，此时，半导体制冷器工作在制冷状态，与铜块接 触的端面为冷端，而与散热器接触的端面为热端。而当密闭容器温度 低于设定温度时，需要加热，此时与铜块接触的端面为热端，而与散 热器接触的端面为冷端，从而实现了快速制冷和加热。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章实验简介 3 1 2 实验油样 本实验所用油样为大庆原油，其主要参数见表3 - 2 。 表3 - 2 原油基本参数 l 沥青质含 l油样 凝点反常点胶质含量蜡含量 l w 量 w w i大庆 3 44 52 6 4o 3 32 6 3 3 2 实验步骤及实验安排 3 2 1 实验步骤 实验主要包括五个步骤：油样预处理、装油、动态降温、静态降 温( 或静态恒温) 和再启动过程，从而在各种设计的实验条件下的获 得如图2 一l 所示的大庆原油初次裂降曲线。 油样预处理：将从现场取回的油样充分搅拌均匀，并分装到较小 的磨口瓶中( 分装磨口瓶的数量视预定实验数目而定) 。然后将磨口 瓶放入水浴中，静态加热至6 04 c 并恒温2 h ，使瓶内的原油依靠分子 的热运动达到均匀状态，然后在室温条件下，静置自然冷却4 8 h 以上， 完成预处理过程。预处理的目的是消除含蜡原油对以前历史的记忆效 应，使油样处于同一初始状态，以保证测量结果具有重复性和可比性， 从而可以开始正式试验。 现在以下面一组实验为例来具体说明实验步骤： 6 0 cj 坚也- 3 0 j 幽堕屿2 6 ( ，1 = 6 0 s - 1 ，2 = l o s 。1 ) ( 1 ) 原油预热：将预处理后准备好的磨口瓶内的油样在水浴中 加热到6 0 并恒温稳定后，然后适当晃动，使油样充分混合均匀； ( 2 ) 开启流变仪，根据实验目的设定实验程序，并设定仪器初 t 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章实验简介 始温度为6 0 ； ( 3 ) 装样：将加热好的油样装入p h y s i c am c r 3 0 1 流变仪( 油品 加入量应在筒内标记线的高度，此刻度处的装样容积为1 9 m l ) ； ( 4 ) 动态降温测试：设定预剪切速率厂。、降温速率、动态降温 起始和终了温度及数据采集时间闻隔。本组实验中，设定y = 6 0 s 1 ， 控制o 1 c m i n 的降温速率将油样从6 0 1 2 剪切降温至3 0 c ，同时进行 数据采集，数据采集时间间隔为5 分钟( 即每隔o 5 读取一个数据 点) ，数据点个数为6 1 个； ( 5 ) 静态降温阶段：动态降温至3 0 1 2 后，设定静态降温时间为 5 h ，静置降温至2 8 ； ( 6 ) 再启动测试过程：静态降温终了，原油已在特定条件下静 置并形成稳定结构，以恒定的启动剪切速率y 2 = l o s 1 进行剪切，由于 初次剪切时剪切应力在极短的时间内( 2 0 m s 以内) 达到最大值，之 后结构便迅速裂降，剪切应力迅速下降。因而在初始剪切的一段时间 内，数据采集时间间隔取5 m s ，数据点取5 0 0 个；之后剪切应力下降 速率大大减小，采样间隔取l o s ，设定采集数据点个数为3 6 0 。l h 后 结构裂降基本达到平衡，停止剪切。 ( 7 ) 保存数据，按顺序关闭仪器，结束实验。 3 2 2 实验安排 本文拟测定经历一定热历史和剪切历史后的大庆原油再启动过 程中的触变过程直至达到动平衡过程，分析该过程中不同启动温度、 温降幅度、启动剪切速率对启动触变特性的影响，并针对初次裂降曲 线寻找和验证有效的适用于大庆含蜡原油的触变模型方程。根据实验 宴互垫查兰! 兰奎! 塑主堡奎 苎i 兰壅墼笪坌 内容，共安排了4 5 组实验，见表3 - 3 所示。 表3 - 3 实验安排 启动剪切 实验序 动态降温静态降温 启动温度 终了温度间隔r 速率，2 号 ( ) ( )( ) ( 占一1 ) l 5 2 2 6o1 0 3 2 0 4 5 5 2 82 1 0 6 2 6 2 0 7 5 83 0 41 0 9 2 0 1 0 5 1 1 3 481 0 1 22 0 1 3 5 1 42 8o 1 0 1 5 2 0 1 6 5 1 73 0 2 1 0 1 82 0 1 9 2 8 5 2 03 24 1 0 2 1 2 0 2 2 5 2 3 3 68l o 2 42 0 2 5 3 05 2 6 3 0o 1 0 2 7 2 0 2 85 2 9 3 221 0 3 0 2 0 3 1 5 3 2 3 441 0 3 3 2 0 3 4 3 885 3 5 l o 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章实验简介 3 62 0 3 73 0 3 8 3 02 2 8 4 0 3 96 0 4 08 0 4 1 2 82 2 6 4 0 4 26 0 4 33 0 4 43 223 04 0 4 56 0 注：以上大庆原油实验中静态降温时间均为5 h ，预剪切速率均为6 0 s 一。 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第5 章大庆原油触变特性研究 第4 章大庆原油动态流变性研究 4 1 动态全粘温曲线 本实验中，使用p h y s i c am c r 3 0 1 流变仪模拟原油在实际管道中 流动并缓慢降温的过程，测定原油的动态流变性。在实验中，选择一 定的剪切速率，连续剪切试样，同时以一定冷却速率降温，连续测取 对应的剪切应力f 粘度或表观粘度) 随温度的变化关系。在半对数坐 标中，粘度或表观粘度随温度的变化关系曲线即称为动态全粘温曲 线，见图4 1 ；相应的流变方程可称之为动态流变方程，见表4 - l 。 颈剪速9 01 s “nv i s c o s i t y 预剪速6 01 i s 一n v t s c o s i t y 预剪速4 01 s + nv m c o s 钟 岛- h 图4 1 大庆原油动态全粘温曲线( 初始温度= 6 0 c ) 中国石油大学( 华东) 硬士论文第5 章大庆原油触变特性研究 表4 - 1 大庆含蜡原油动态流变性实验结果 粘度剪速 ( s 1 ) ( m p h ) 9 0 6 0 4 0 方程 | 汝f ( ) n 6 0 1 5 4 9 5 5 9 51 5 7 4 9 5 91 6 0 4 4 5 8 51 6 3 5 2 5 81 6 6 5 2 5 7 51 6 9 6 0 5 71 7 2 7 2 5 6 51 7 5 9 9 5 61 7 9 3 1 5 5 51 8 2 6 5 5 51 8 6 1 2 5 4 51 8 9 5 7 l g y 2 - - - 2 1 4 8 4 3 - 0 0 1 5 9 8 t 5 41 9 3 0 9 5 3 51 9 6 6 8 5 32 0 0 2 9 5 2 52 0 3 9 6 5 22 0 7 6 6 5 1 5 2 1 1 4 7 5 12 1 5 3 8 5 0 52 1 9 4 1 5 02 2 3 5 3 4 9 52 2 7 8 4 92 3 2 2 8 4 8 52 3 7 0 4 4 82 4 2 2 1 4 7 52 4 8 0 1 4 72 5 4 6 6 4 6 52 6 2 6 7 l g y 2 - - 2 7 1 2 7 5 - 0 0 2 7 7 1 t 4 62 7 2 4 4 5 52 8 3 7 5 4 52 9 6 8 8 4 06 7 加17 6 5 6 78 6 1 5 6 f = o 2 6 6 0 4 y 2 0 。 3 9 。57 7 2 3 7 8 8 8 4 51 0 2 3 l f = o 3 6 7 0 4 y 2 0 “1 中国石油大学f 华东) 硕士论文第5 章大庆原油触变特性研究 3 98 9 2 5 41 0 4 4 71 2 2 5 2 f = o 5 1 6 6 9 y 2 0 6 0 9 7 3 3 8 51 0 3 7 51 2 3 4 21 4 6 9 2 f = o 7 1 4 7 5 ) 2 o ”1 3 8 1 2 1 4 41 4 6 0 91 7 5 6 1 r = o 9 4 0 6 4 ) 2 0 5 4 5 0 9 3 7 51 4 3 1 21 7 3 4 52 0 9 8 l f = l 1 9 7 2 9 ) 2 0 5 2 8 3 71 6 8 7 62 0 4 8 1 2 4 9 7 7 f = 1 4 8 0 2 8 y 2 0 5 ” 3 6 51 9 7 8 72 3 9 8 32 9 4 1 2 r = 1 7 6 6 9 8 ) 2 “蜘6 3 62 2 8 3 l2 7 6 4 8 3 4 1 5 3 r = 2 0 9 6 9 ) 2 蝴 3 5 52 5 6 9 33 1 2 1 23 8 7 6 2 r - - 2 4 7 0 4 1 厂2 0 4 “8 3 52 8 2 9 73 4 2 3 94 2 8 4 6 r - - - 2 7 4 8 8 1 ，2 o ” 3 43 2 8 3 93 9 5 2 64 9 7 0 7 f = 3 1 5 7 3 8 9 0 4 9 5 9 7 3 2 4 1 4 8 75 2 2 1 76 6 6 6 2 f = 1 0 4 6 0 8 1 + 1 6 2 1 6 8 ) 2 0 6 2 3 9 8 3 1 54 3 6 7 0 25 5 0 9 7 8 7 0 9 3 2 3 f = 1 4 3 3 2 9 8 + 1 0 2 1 9 4 9 2 0 7 1 0 3 3 05 1 6 1 86 4 8 7 48 4 3 8 f = 2 2 4 0 3 4 3 + 0 3 7 2 3 8 ) 2 o ”6 2 8 2 8 56 3 2 3 4 98 0 4 7 81 0 3 1 8 9 f - - 2 9 1 4 6 5 + 0 3 1 0 7 1r 2 4 2 实验结论及分析 由4 1 节的实验数据可得出如下结论： ( 1 ) 由图4 1 可以看出，在动态剪切条件下，大庆含蜡原油的析 蜡点是4 9 1 2 ，反常点是4 5 。从6 0 - 4 5 的温度范围内，粘温曲线 基本上重合，大庆原油的粘度是温度的单值函数，即在这一温度区间 大庆原油是牛顿流体，并且在4 9 。c 处，粘温曲线出现转折，但粘温关 系拟合结果仍满足牛顿流体规律，并且从全粘温曲线图中可以看出析 蜡点并不是很明显。 ( 2 ) 在4 5 c 3 2 的区间内，大庆含蜡原油呈现幂律流体流型。在 中国石油大学( 华东) 硕士论文第5 章大庆原油触变特性研究 此范围内，根据各测量所得数据回归的k 、胛值，得到珈lk - t 的关 系如下： n = - 2 3 6 8 4 3 - 1 - 0 0 7 6 5 t k - - - - 2 8 8 0 8 0 0 9 + 2 6 1 5 2 4t - 0 7 6 3 1 3 t 2 + 0 0 0 7