基于剪切速率勻速加載條件的含蠟原油屈服-觸變特性

國麗萍， 張勁軍

( 1. 中國石油大學(北京) 城市油氣輸配技術北京市重點實驗室，北京 102249； 2. 東北石油大學 石油工程學院，黑龍江 大慶 163318 )

0 引言

在凝點溫度附近時，由于蠟晶的析出和交聯而發生膠凝，含蠟原油具有屈服應力和觸變性等特性[1-3].屈服-觸變特性是膠凝含蠟原油重要的依時流變特性，是含蠟原油膠凝結構強度的體現.人們對恒定剪切應力、剪切應力連續增加、剪切應力階躍增加、剪切應力振蕩、恒定剪切速率等加載條件下的含蠟原油屈服特性進行研究，分析屈服應力對加載條件和時間的依賴性[3-11].對于膠凝含蠟原油屈服后的觸變性也有研究，但大多是針對恒定剪切速率下的剪切應力(或表觀黏度)衰減特性的[12-16]，對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.通過實驗，研究在剪切速率線性增大后又線性減小循環加載方式條件下，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，給出屈服時間與剪切速率變化率之間關系的經驗表達式.

1 實驗

1.1 儀器及樣品

實驗儀器主要有德國HAAKE公司產RS150H流變儀，使用其Z41Ti同軸圓筒測量系統，F6/8程控水浴控溫精度為0.1 ℃.

實驗所用4種含蠟原油的物性見表1.為確保實驗數據具有重復性和可比性，對實驗油樣進行預處理，以消除原油歷史“記憶”效應.首先將盛有油樣的磨口瓶放入水浴內，靜置加熱至80 ℃，并恒溫2 h，使磨口瓶內原油借助于分子熱運動達到均勻狀態；然后在室溫條件下靜置48 h以上，作為實驗的基礎油樣.

1.2 方案

將盛有預處理好油樣的磨口瓶置于水浴內靜置30 min，水浴的溫度為凝點測試時的加熱溫度(見表1)；然后將油樣裝入流變儀測量筒內并恒溫5 min，裝油樣時保證油樣和流變儀測量系統的溫度一致，以消除裝油樣時油溫驟升或驟降對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量溫度，恒溫靜置40 min使膠凝結構充分形成后開始測量.

表1 實驗油樣物性

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，剪切速率的上升時間分別為12.5，16，25，50，125，500，1 000 s；實驗溫度選在各油樣凝點溫度附近.剪切速率按隨時間線性變化加載：

(1)

式中：R為剪切速率變化率(在某次實驗中為常數)；t1為剪切速率上升的時間.

2 結果分析

進行4種不同物性含蠟原油、13個溫度、7個剪切速率變化率條件下的實驗.35 ℃大慶原油剪切速率變化率為1.0，0.5 s-2時的實驗曲線見圖1.

圖1 35 ℃大慶原油不同剪切速率變化率條件下的實驗曲線

由圖1可見，由于在凝點溫度附近含蠟原油的蠟晶結構有一定的強度，因此加載的初始階段油樣處于一個蠕變過程，表現為隨剪切速率增大，剪切應力快速上升的線段.對于膠凝原油蠕變-屈服過程，文獻[10]認為判定膠凝原油是否屈服流動的標準不是屈服應力，而是屈服應變，即在一定外力作用下，膠凝原油表現出蠕變特征，如果在應變沒有達到屈服應變前消除施加的應力，其變形表現出一定的黏彈性回復；如果產生的應變達到并超過屈服應變，膠凝原油將屈服而流動.文獻[11]利用大慶原油進一步驗證屈服應變的客觀存在，并認為膠凝原油的屈服應變不隨加載條件的變化而變化，可作為膠凝原油結構屈服的判據.膠凝原油在加載后、屈服前的蠕變過程所經歷的時間稱作屈服時間.在屈服應變一定的條件下，加載條件不同，屈服時間不同，其對應的達到屈服應變時的應力也不同.

表2 35 ℃時大慶原油不同剪切速率變化率實驗結果

在文中加載條件下，開始以較低剪切速率對膠凝原油結構施加剪切而產生應變，隨著剪切作用的增加，當應變達到屈服應變時結構開始裂解而產生流動，此時的剪切應力即為相應加載條件下的屈服應力，也就是圖1每條曲線的第一個峰值，相應的時間為屈服時間.該加載條件下的屈服應力與剪切速率變化率有關(見表2)，由表2可見，剪切速率變化率越小，測得的屈服應力越小，對應的屈服時間越長.這是因為隨著剪切速率變化率降低，處于同一水平的剪切作用持續時間相對延長，則此水平剪切作用造成的應變增大，因而最終應變達到屈服應變時所對應的應力相對減小，屈服時間相對增加.各實驗油樣具有類似的規律性.

應變達到屈服應變后蠟晶結構開始裂解產生流動.在剪切速率增大的上行過程中，隨著時間的延長和剪切速率的勻速增大，一方面，膠凝體系內部的蠟晶結構裂降速率大于恢復速率，使流動阻力逐漸降低，即剪切應力呈現減小趨勢；另一方面，由于剪切速率增加，相應的剪切應力呈現增大趨勢.屈服后的初始階段，前者起主導作用，隨著剪切速率增大，剪切應力反而大幅度下降，即圖1曲線峰值后的下降段；當剪切速率增大到一定值時，上面兩種作用在某一瞬時相等，即圖1第一個滯回環上行曲線中的極小值點.之后，結構裂降速率進一步減小，變形速率進一步加大，曲線轉而呈現剪切應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，剪切速率的降低導致剪切應力的減小和蠟晶結構的恢復引起剪切應力增加兩種因素共同作用，蠟晶結構恢復速率較慢，前者起主導作用，表現在圖1是下行實驗曲線隨著剪切速率的減小，剪切應力在逐漸降低.繼續循環加載，滯后環逐漸減小，并向剪切速率軸方向移動，自第二個滯回環開始，環的面積已經很小，此時的體系觸變性已大為減弱.因此，在研究含蠟原油的滯回環時，應該主要考慮第一個環.

圖2 34 ℃大慶原油在不同剪切速率變化率條件下的實驗曲線

34 ℃大慶原油不同剪切速率變化率實驗曲線見圖2.由圖2可見，當剪切速率變化率較大時，剪切時間相對較短，在相同剪切速率下蠟晶結構破壞程度相對較弱、剪切應力相對較大，滯回環向離開剪切速率軸方向移動，環的面積相對較大.反之，當剪切速率變化率較小時，剪切時間相對較長，在相同剪切速率下蠟晶結構破壞程度相對嚴重、剪切應力相對較小，滯回環向剪切速率軸方向移動，環的面積相對較小.

3 屈服時間與剪切速率變化率的關系

將4種含蠟原油的實驗數據繪于雙對數坐標圖中.為使圖能夠清晰些，列出其中8組實驗數據(見圖3).由圖3可見，對于4種不同物性的含蠟原油，無論實驗結果的每一組數據還是從總體數據的分布，剪切速率變化率與屈服時間在雙對數坐標系中呈良好的線性關系.因此，屈服時間與剪切速率變化率的關系為

lgty+klgR=C,

(2)

式中：ty為屈服時間；k，C為由實驗數據擬合確定的參數.

對4種原油、13個溫度、7個剪切速率變化率下的91組實驗數據進行擬合，結果見表3.由表3可見，4種原油各組數據回歸的相關因數均大于0.98，平均相關因數為0.991 6.

圖3 剪切速率變化率與屈服時間的關系曲線

表3 4種原油油樣的擬合結果

4 結論

(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加載方式條件下的觸變行為.由于蠟晶結構恢復速度較慢，在研究含蠟原油的滯回環時，應該主要考慮第一個環.

(2)在同一溫度下，以不同的剪切速率變化率對含蠟原油進行剪切時，當剪切速率變化率變大時，滯回環向離開剪切速率軸方向移動，環的面積相對較大.反之，當剪切速率變化率變小時，滯回環向剪切速率軸方向移動，環的面積相對較小.

(3)分析剪切速率變化率與屈服時間、屈服應力之間的關系，隨著剪切速率變化率的降低，相應的屈服應力減小，屈服時間增加.根據實驗結果，提出屈服時間與剪切速率變化率之間關系的經驗表達式.