基于勻變速剪切對含蠟原油觸變性的研究

韓洪升，李勇生，管慶安，陳 欣

（ 1. 東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 2. 勝利油田高原石油裝備有限責(zé)任公司，山東 東營 257091; 3. 中國石油天然氣管道局第四工程分公司，河北 廊坊 065000）

基于勻變速剪切對含蠟原油觸變性的研究

韓洪升1，李勇生1，管慶安2，陳 欣3

（ 1. 東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 2. 勝利油田高原石油裝備有限責(zé)任公司，山東 東營 257091; 3. 中國石油天然氣管道局第四工程分公司，河北 廊坊 065000）

含蠟原油的膠凝問題是管道運輸過程中一個重要的研究問題。通過對經(jīng)歷不同降溫速率溫度降至凝點附近的原油做勻加速剪切，剪切至某值后再做勻減速剪切，形成一個環(huán)形剪切。測量剪切應(yīng)力隨剪切速率變化的曲線關(guān)系，結(jié)果表明：在這樣循環(huán)勻變速剪切的作用下，樣品的剪切應(yīng)力各點連線也呈現(xiàn)一個環(huán)形，即稱作含蠟原油的滯回環(huán)。在膠凝原油發(fā)生屈服之前，剪切應(yīng)力隨剪切速率增大急劇增大，持續(xù)的剪切會有效阻止蠟晶結(jié)構(gòu)的形成；降溫速率越低，原油形成的蠟晶結(jié)構(gòu)強度越大。

蠟晶；剪切應(yīng)力；滯回環(huán)；屈服應(yīng)力

大慶原油最明顯的幾個特性：凝點高、含蠟高、粘度高。作為“三高”原油，大慶原油流動性很差，在實際的管道運輸中，通常會添加降凝劑，但主要的方法還是加熱來提高油品溫度以達(dá)到降粘防凝的目的[1]，這樣做也是耗能巨大的，而且運輸過程中遇到特殊情況，如果溫度降低至析蠟點附近，原油中的蠟析出，達(dá)到一定數(shù)量他們就會聚集形成空間網(wǎng)格蠟晶結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)會像籠子一樣把液態(tài)油包圍，使得原油成為分散相[2]，這時的原油具有屈服應(yīng)力和觸變性[3]，宏觀表現(xiàn)為原油流動變差，甚至失去流動性，形成膠凝結(jié)構(gòu)，在管道運輸中，就會出現(xiàn)凝管事故，帶來巨大損失。而且研究原油的觸變性在管道的停輸再啟動方面有著重要的意義。

實際管道運輸中除了上述提到的降凝劑和加熱的方法之外，油品在經(jīng)過泵和其他裝置的時候遇到的剪切也會對蠟晶結(jié)構(gòu)有一定的破壞作用[4]，原油粘度降低的程度取決于其抗剪切性。而經(jīng)過剪切之后的原油在一定程度上會恢復(fù)其流動性。本實驗主要測試剪切速率對油品膠凝結(jié)構(gòu)的破壞。

1 實驗部分

1.1 原油物理性質(zhì)(表1)

表1 大慶原油參數(shù)Table 1 Daqing crude oil parameters

1.2 實驗儀器(表2)

表2 實驗儀器Table 2 Experimental apparatus

1.3 原油預(yù)處理

為消除“剪切歷史”和“熱歷史”對實驗效果的影響，確保實驗的可重復(fù)性。需對原油做以下處理：將原油放置在水浴箱中70 ℃恒溫24 h，然后放在室溫（約20 ℃）環(huán)境中自然冷卻48 h待用。此時，認(rèn)為已經(jīng)形成了結(jié)構(gòu)相同的原油樣品。

1.4 實驗方法

將準(zhǔn)備好的油樣分成3份，水浴加熱到45 ℃，然后裝入流變儀測量筒中恒溫10 min，之后分別以以0.5、0.8、1.0 ℃/min三種不同的降溫速率溫降至凝點附近（32 ℃），保持恒溫60 min充分形成膠凝結(jié)構(gòu)。

調(diào)節(jié)流變儀程序，使得剪切速率以每秒增加1 s-1的增幅從0增加到100 s-1，然后再從100 s-1以每秒減小1 s-1的速度減至0。循環(huán)勻變速剪切，全程定時測量剪切應(yīng)力。對油樣共進(jìn)行三個循環(huán)剪切，相鄰兩循環(huán)之間無時間間隔。

2 結(jié)果分析

2.1 第一組實驗結(jié)果分析

如圖1可以看出，第一次循環(huán)剪切曲線中，在剛開始時，剪切應(yīng)力隨剪切速率增大而急劇增大，短時間內(nèi)即達(dá)到極大值，接著隨剪切速率的增大反而減小，減小到一定值后，又隨剪切速率增大而逐漸增大。最終隨剪切速率增大而增至曲線的最大值，剪切應(yīng)力也達(dá)到了最大值。應(yīng)力又隨著剪切速率的勻速變小而逐漸下降，最后回到了原點。整個過程剪切應(yīng)力形成一個環(huán)形封閉曲線，叫做滯回環(huán)[5]。

圖1 剪切應(yīng)力隨剪切速率變化曲線（降溫速率0.5 ℃/min）Fig.1 The curves of shear stress with shear rate（cooling rate 0.5 ℃/min）

接下來實驗繼續(xù)進(jìn)行，得到的第二和第三個滯回環(huán)，從圖1中可以看出，他們形成的環(huán)面積很小。

滯回環(huán)1中剪切應(yīng)力急劇上升過程，是因為剪切初期，油樣已經(jīng)形成穩(wěn)定的膠凝結(jié)構(gòu)，隨著剪切速率的增大，油樣會產(chǎn)生一個蠕變過程，也就是宏觀表現(xiàn)中的剪切應(yīng)力迅速上升，即穩(wěn)定的膠凝結(jié)構(gòu)給抗剪切提供了相當(dāng)大的阻力。蠟晶結(jié)構(gòu)的恢復(fù)大于低速剪切帶來的破壞。但是隨著應(yīng)力的不斷積累，蠟晶網(wǎng)格結(jié)構(gòu)不斷遭到破壞，當(dāng)外力達(dá)到原油的屈服應(yīng)力之后，結(jié)構(gòu)裂解，分散的油相流出并聚集，原油產(chǎn)生流動，滯回環(huán)1中的第一個極大值就是原油發(fā)生屈服對應(yīng)的點。

結(jié)構(gòu)裂解之后，其恢復(fù)的速度小于裂解速度，因此在屈服應(yīng)力點過后應(yīng)力逐漸下降，解釋了滯回環(huán)1中曲線第一次下降的原因。當(dāng)曲線下降到一個極小值，此時原油裂解帶來的應(yīng)力下降和剪切速率增大帶來的應(yīng)力上升達(dá)到平衡。且在隨后的過程中，剪切速率的增大占據(jù)主導(dǎo)作用，使得剪切應(yīng)力也隨之增大，也就是滯回環(huán)1中極小值之后的曲線逐漸上升。此時的曲線符合正常的應(yīng)力隨剪切速率增大而增大的常規(guī)現(xiàn)象。

剪切速率達(dá)到最大值（100 s-1）然后逐漸減小。因為此時樣品中的膠凝結(jié)構(gòu)大部分已經(jīng)被破壞，因此剪切應(yīng)力隨剪切速率的減小而逐漸減小，最終回到原點，整個過程所有數(shù)據(jù)點連線形成一個封閉的環(huán)。

通過觀察第二和第三個滯回環(huán)，樣品的觸變性已經(jīng)變化不大，屬于正常應(yīng)力隨剪切變化的曲線，因此對于研究穩(wěn)定膠凝結(jié)構(gòu)遭到破壞的規(guī)律，主要研究第一個環(huán)。

2.2 三組樣品實驗對比分析

圖2 不同降溫速率條件下應(yīng)力隨剪切速率變化關(guān)系Fig.2 The relationship between stress and shear rate change under the condition of different cooling rate

圖2 中的三個環(huán)形曲線，分別為三組樣品被循環(huán)剪切得到的每個樣品的第一個滯回環(huán)。

三個環(huán)的共同點是環(huán)的起點和終點相同，剪切應(yīng)力最大值接近，在剪切初期都會形成一個剪切應(yīng)力的極大值和極小值，且形成極值點的橫坐標(biāo)大致相同。三個環(huán)的最大不同點是每個環(huán)上的第一個極大值點和極小值點各不相同，也就是使膠凝結(jié)構(gòu)屈服所對應(yīng)的剪切應(yīng)力不同。這是因為三組實驗樣品在開始實驗前的一個處理結(jié)果造成的，三組樣品分別以不同的降溫速率（0.5、0.8、1.0 ℃/min）從45 ℃降溫至32℃，當(dāng)溫度以較低的降溫速率下降時，析出的蠟晶就會有相對充足的時間相互連接形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如果降溫速率過快，雖然也有大量蠟晶析出，但是形成的膠凝結(jié)構(gòu)強度不如前者（降溫速率慢者），因此在實驗開始測量時，破壞前者結(jié)構(gòu)強度所需要的剪切應(yīng)力顯然要大于后者，這也是圖中曲線在稍前部分會有較大差值的原因。但是隨著各樣品原油發(fā)生屈服之后，剪切速率的增加主導(dǎo)了剪切應(yīng)力的基本走向，以至于到最大剪切速率時，三個曲線對應(yīng)的剪切應(yīng)力基本都上升到一個相同的位置，說明此時的油樣性質(zhì)差別不大，這也從后面（剪切速率減小過程）三個曲線差別不大能夠體現(xiàn)。

3 結(jié) 論

（1）對已經(jīng)形成穩(wěn)定膠凝結(jié)構(gòu)的剪切形成的滯回環(huán)面積較大，持續(xù)的剪切會有效阻止蠟晶結(jié)構(gòu)的形成。

（2）原油通過較低的降溫速率使溫度降到析蠟點附近時，形成的蠟晶結(jié)構(gòu)強度較大。

［1］李傳憲, 羅哲鳴. 原油的膠凝結(jié)構(gòu)特性研究[J]. 油氣田地面工程（OGSE）, 1995, 14(3):15.

［2］李傳憲, 史秀敏. 原油屈服值的測量特性[J]. 油氣儲運, 2001, 20(4): 44.

［3］ 國麗萍,張勁軍. 基于剪切速率勻加載條件的含蠟原油屈服-觸變特性[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報,2011,35（3）:72-75.

［4］王飛飛, 王岳. 有剪切歷史和熱歷史加劑原油的流變性[J]. 油氣儲運, 2010,29(5):327-328.

［5］張勁軍, 國麗萍. 基于滯回環(huán)的含蠟原油觸變模型評價[J]. 石油學(xué)報, 2010, 31（3）:494.

Study on Waxy Crude Oil Thixotropy Based on the Uniform Variable Shear

HAN Hong-sheng1，LI yong-sheng1，GUAN qing-an2, CHEN xin3
（1. College of Petroleum Engineering, Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China；2. Shengli Oilfield Highland Petroleum Equipment Co.,Ltd., Shandong Dongying 257091, China；3. China Petroleum Pipeline Bureau No.4 Construction Company, Hebei Langfang 065000, China）

The problem of waxy crude oil gelling is an important research problem in the process of pipeline transport. In this experiment, uniformly accelerated shear of crude oil whose temperature was dropped to freezing point by different cooling rate was carried out; after the shear rate reached to the maximum value, uniform deceleration shear was carried out to form a cyclic shear. The relationship between the shear stress and shear rate change was measured. The results show that: under the action of such a cycle uniform variable shear, the attachment of each shear stress point of sample also presents a ring, which is called the hysteresis loop of waxy crude oil. Before the gelled crude oil yields, shear stress increases sharply with the increase of shear rate, and constant shear will effectively prevent the formation of wax crystal structure; the lower the cooling rate, the higher the wax crystal structure strength.

Wax crystal; Shear stress; Hysteresis loop; Yield stress

TE 624

： A

： 1671-0460（2015）02-0261-03

2014-09-15

韓洪升（1950-），男，教授，東北石油大學(xué)畢業(yè)，現(xiàn)為東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院教授，研究方向：多相管流及數(shù)值模擬。

李勇生，男，碩士，多相管流及數(shù)值模擬。E-mail：dbsy2012@126.com。