國(guó)麗萍， 張勁軍

( 1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249； 2. 東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318 )

0 引言

在凝點(diǎn)溫度附近時(shí)，由于蠟晶的析出和交聯(lián)而發(fā)生膠凝，含蠟原油具有屈服應(yīng)力和觸變性等特性[1-3].屈服-觸變特性是膠凝含蠟原油重要的依時(shí)流變特性，是含蠟原油膠凝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的體現(xiàn).人們對(duì)恒定剪切應(yīng)力、剪切應(yīng)力連續(xù)增加、剪切應(yīng)力階躍增加、剪切應(yīng)力振蕩、恒定剪切速率等加載條件下的含蠟原油屈服特性進(jìn)行研究，分析屈服應(yīng)力對(duì)加載條件和時(shí)間的依賴性[3-11].對(duì)于膠凝含蠟原油屈服后的觸變性也有研究，但大多是針對(duì)恒定剪切速率下的剪切應(yīng)力(或表觀黏度)衰減特性的[12-16]，對(duì)于剪切速率勻速變化加載條件下的含蠟原油屈服-觸變性研究很少.通過實(shí)驗(yàn)，研究在剪切速率線性增大后又線性減小循環(huán)加載方式條件下，大慶原油、中原原油、大慶-南堡混合油、蘇丹原油等4種含蠟原油的屈服-觸變性，給出屈服時(shí)間與剪切速率變化率之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 儀器及樣品

實(shí)驗(yàn)儀器主要有德國(guó)HAAKE公司產(chǎn)RS150H流變儀，使用其Z41Ti同軸圓筒測(cè)量系統(tǒng)，F(xiàn)6/8程控水浴控溫精度為0.1 ℃.

實(shí)驗(yàn)所用4種含蠟原油的物性見表1.為確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有重復(fù)性和可比性，對(duì)實(shí)驗(yàn)油樣進(jìn)行預(yù)處理，以消除原油歷史“記憶”效應(yīng).首先將盛有油樣的磨口瓶放入水浴內(nèi)，靜置加熱至80 ℃，并恒溫2 h，使磨口瓶?jī)?nèi)原油借助于分子熱運(yùn)動(dòng)達(dá)到均勻狀態(tài)；然后在室溫條件下靜置48 h以上，作為實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)油樣.

1.2 方案

將盛有預(yù)處理好油樣的磨口瓶置于水浴內(nèi)靜置30 min，水浴的溫度為凝點(diǎn)測(cè)試時(shí)的加熱溫度(見表1)；然后將油樣裝入流變儀測(cè)量筒內(nèi)并恒溫5 min，裝油樣時(shí)保證油樣和流變儀測(cè)量系統(tǒng)的溫度一致，以消除裝油樣時(shí)油溫驟升或驟降對(duì)其流變性可能造成的影響；最后以0.5 ℃/min的降溫速率靜冷至測(cè)量溫度，恒溫靜置40 min使膠凝結(jié)構(gòu)充分形成后開始測(cè)量.

表1 實(shí)驗(yàn)油樣物性

剪切速率變化率分別為2，1.562 5，1，0.5，0.2，0.05，0.025 s-2，剪切速率的上升時(shí)間分別為12.5，16，25，50，125，500，1 000 s；實(shí)驗(yàn)溫度選在各油樣凝點(diǎn)溫度附近.剪切速率按隨時(shí)間線性變化加載：

(1)

式中：R為剪切速率變化率(在某次實(shí)驗(yàn)中為常數(shù))；t1為剪切速率上升的時(shí)間.

2 結(jié)果分析

進(jìn)行4種不同物性含蠟原油、13個(gè)溫度、7個(gè)剪切速率變化率條件下的實(shí)驗(yàn).35 ℃大慶原油剪切速率變化率為1.0，0.5 s-2時(shí)的實(shí)驗(yàn)曲線見圖1.

圖1 35 ℃大慶原油不同剪切速率變化率條件下的實(shí)驗(yàn)曲線

由圖1可見，由于在凝點(diǎn)溫度附近含蠟原油的蠟晶結(jié)構(gòu)有一定的強(qiáng)度，因此加載的初始階段油樣處于一個(gè)蠕變過程，表現(xiàn)為隨剪切速率增大，剪切應(yīng)力快速上升的線段.對(duì)于膠凝原油蠕變-屈服過程，文獻(xiàn)[10]認(rèn)為判定膠凝原油是否屈服流動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)不是屈服應(yīng)力，而是屈服應(yīng)變，即在一定外力作用下，膠凝原油表現(xiàn)出蠕變特征，如果在應(yīng)變沒有達(dá)到屈服應(yīng)變前消除施加的應(yīng)力，其變形表現(xiàn)出一定的黏彈性回復(fù)；如果產(chǎn)生的應(yīng)變達(dá)到并超過屈服應(yīng)變，膠凝原油將屈服而流動(dòng).文獻(xiàn)[11]利用大慶原油進(jìn)一步驗(yàn)證屈服應(yīng)變的客觀存在，并認(rèn)為膠凝原油的屈服應(yīng)變不隨加載條件的變化而變化，可作為膠凝原油結(jié)構(gòu)屈服的判據(jù).膠凝原油在加載后、屈服前的蠕變過程所經(jīng)歷的時(shí)間稱作屈服時(shí)間.在屈服應(yīng)變一定的條件下，加載條件不同，屈服時(shí)間不同，其對(duì)應(yīng)的達(dá)到屈服應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力也不同.

表2 35 ℃時(shí)大慶原油不同剪切速率變化率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在文中加載條件下，開始以較低剪切速率對(duì)膠凝原油結(jié)構(gòu)施加剪切而產(chǎn)生應(yīng)變，隨著剪切作用的增加，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到屈服應(yīng)變時(shí)結(jié)構(gòu)開始裂解而產(chǎn)生流動(dòng)，此時(shí)的剪切應(yīng)力即為相應(yīng)加載條件下的屈服應(yīng)力，也就是圖1每條曲線的第一個(gè)峰值，相應(yīng)的時(shí)間為屈服時(shí)間.該加載條件下的屈服應(yīng)力與剪切速率變化率有關(guān)(見表2)，由表2可見，剪切速率變化率越小，測(cè)得的屈服應(yīng)力越小，對(duì)應(yīng)的屈服時(shí)間越長(zhǎng).這是因?yàn)殡S著剪切速率變化率降低，處于同一水平的剪切作用持續(xù)時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)，則此水平剪切作用造成的應(yīng)變?cè)龃?，因而最終應(yīng)變達(dá)到屈服應(yīng)變時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力相對(duì)減小，屈服時(shí)間相對(duì)增加.各實(shí)驗(yàn)油樣具有類似的規(guī)律性.

應(yīng)變達(dá)到屈服應(yīng)變后蠟晶結(jié)構(gòu)開始裂解產(chǎn)生流動(dòng).在剪切速率增大的上行過程中，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)和剪切速率的勻速增大，一方面，膠凝體系內(nèi)部的蠟晶結(jié)構(gòu)裂降速率大于恢復(fù)速率，使流動(dòng)阻力逐漸降低，即剪切應(yīng)力呈現(xiàn)減小趨勢(shì)；另一方面，由于剪切速率增加，相應(yīng)的剪切應(yīng)力呈現(xiàn)增大趨勢(shì).屈服后的初始階段，前者起主導(dǎo)作用，隨著剪切速率增大，剪切應(yīng)力反而大幅度下降，即圖1曲線峰值后的下降段；當(dāng)剪切速率增大到一定值時(shí)，上面兩種作用在某一瞬時(shí)相等，即圖1第一個(gè)滯回環(huán)上行曲線中的極小值點(diǎn).之后，結(jié)構(gòu)裂降速率進(jìn)一步減小，變形速率進(jìn)一步加大，曲線轉(zhuǎn)而呈現(xiàn)剪切應(yīng)力隨剪切速率增大而增大的常見情形.在剪切速率減小的下行過程中，剪切速率的降低導(dǎo)致剪切應(yīng)力的減小和蠟晶結(jié)構(gòu)的恢復(fù)引起剪切應(yīng)力增加兩種因素共同作用，蠟晶結(jié)構(gòu)恢復(fù)速率較慢，前者起主導(dǎo)作用，表現(xiàn)在圖1是下行實(shí)驗(yàn)曲線隨著剪切速率的減小，剪切應(yīng)力在逐漸降低.繼續(xù)循環(huán)加載，滯后環(huán)逐漸減小，并向剪切速率軸方向移動(dòng)，自第二個(gè)滯回環(huán)開始，環(huán)的面積已經(jīng)很小，此時(shí)的體系觸變性已大為減弱.因此，在研究含蠟原油的滯回環(huán)時(shí)，應(yīng)該主要考慮第一個(gè)環(huán).

圖2 34 ℃大慶原油在不同剪切速率變化率條件下的實(shí)驗(yàn)曲線

34 ℃大慶原油不同剪切速率變化率實(shí)驗(yàn)曲線見圖2.由圖2可見，當(dāng)剪切速率變化率較大時(shí)，剪切時(shí)間相對(duì)較短，在相同剪切速率下蠟晶結(jié)構(gòu)破壞程度相對(duì)較弱、剪切應(yīng)力相對(duì)較大，滯回環(huán)向離開剪切速率軸方向移動(dòng)，環(huán)的面積相對(duì)較大.反之，當(dāng)剪切速率變化率較小時(shí)，剪切時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，在相同剪切速率下蠟晶結(jié)構(gòu)破壞程度相對(duì)嚴(yán)重、剪切應(yīng)力相對(duì)較小，滯回環(huán)向剪切速率軸方向移動(dòng)，環(huán)的面積相對(duì)較小.

3 屈服時(shí)間與剪切速率變化率的關(guān)系

將4種含蠟原油的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪于雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖中.為使圖能夠清晰些，列出其中8組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(見圖3).由圖3可見，對(duì)于4種不同物性的含蠟原油，無論實(shí)驗(yàn)結(jié)果的每一組數(shù)據(jù)還是從總體數(shù)據(jù)的分布，剪切速率變化率與屈服時(shí)間在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中呈良好的線性關(guān)系.因此，屈服時(shí)間與剪切速率變化率的關(guān)系為

lgty+klgR=C,

(2)

式中：ty為屈服時(shí)間；k，C為由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合確定的參數(shù).

對(duì)4種原油、13個(gè)溫度、7個(gè)剪切速率變化率下的91組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果見表3.由表3可見，4種原油各組數(shù)據(jù)回歸的相關(guān)因數(shù)均大于0.98，平均相關(guān)因數(shù)為0.991 6.

圖3 剪切速率變化率與屈服時(shí)間的關(guān)系曲線

表3 4種原油油樣的擬合結(jié)果

4 結(jié)論

(1)研究大慶原油、中原原油、大慶-南堡混合油、蘇丹原油等4種含蠟原油在剪切速率線性增大后又線性減小循環(huán)加載方式條件下的觸變行為.由于蠟晶結(jié)構(gòu)恢復(fù)速度較慢，在研究含蠟原油的滯回環(huán)時(shí)，應(yīng)該主要考慮第一個(gè)環(huán).

(2)在同一溫度下，以不同的剪切速率變化率對(duì)含蠟原油進(jìn)行剪切時(shí)，當(dāng)剪切速率變化率變大時(shí)，滯回環(huán)向離開剪切速率軸方向移動(dòng)，環(huán)的面積相對(duì)較大.反之，當(dāng)剪切速率變化率變小時(shí)，滯回環(huán)向剪切速率軸方向移動(dòng)，環(huán)的面積相對(duì)較小.

(3)分析剪切速率變化率與屈服時(shí)間、屈服應(yīng)力之間的關(guān)系，隨著剪切速率變化率的降低，相應(yīng)的屈服應(yīng)力減小，屈服時(shí)間增加.根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出屈服時(shí)間與剪切速率變化率之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式.