國麗萍， 張勁軍

( 1. 中國石油大學(北京) 城市油氣輸配技術(shù)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(lián)而發(fā)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(jié)構(gòu)強度的體現(xiàn).人們對恒定剪切應力、剪切應力連續(xù)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(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，給出屈服時間與剪切速率變化率之間關(guān)系的經(jīng)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(chǎn)RS150H流變儀，使用其Z41Ti同軸圓筒測量系統(tǒng)，F(xiàn)6/8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(shù)據(jù)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(nèi)，靜置加熱至80 ℃，并恒溫2 h，使磨口瓶內(nèi)原油借助于分子熱運動達到均勻狀態(tài)；然后在室溫條件下靜置48 h以上，作為實驗的基礎(chǔ)油樣.

1.2 方案

將盛有預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(nèi)并恒溫5 min，裝油樣時保證油樣和流變儀測量系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(shù))；t1為剪切速率上升的時間.

2 結(jié)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(jié)構(gòu)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)出一定的黏彈性回復；如果產(chǎn)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(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(jié)果

在文中加載條件下，開始以較低剪切速率對膠凝原油結(jié)構(gòu)施加剪切而產(chǎn)生應變，隨著剪切作用的增加，當應變達到屈服應變時結(jié)構(gòu)開始裂解而產(chǎn)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(guān)(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(xù)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(guī)律性.

應變達到屈服應變后蠟晶結(jié)構(gòu)開始裂解產(chǎn)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(nèi)部的蠟晶結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(xiàn)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(huán)上行曲線中的極小值點.之后，結(jié)構(gòu)裂降速率進一步減小，變形速率進一步加大，曲線轉(zhuǎn)而呈現(xiàn)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(jié)構(gòu)的恢復引起剪切應力增加兩種因素共同作用，蠟晶結(jié)構(gòu)恢復速率較慢，前者起主導作用，表現(xiàn)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(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，自第二個滯回環(huán)開始，環(huán)的面積已經(jīng)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(huán)時，應該主要考慮第一個環(huán).

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(jié)構(gòu)破壞程度相對較弱、剪切應力相對較大，滯回環(huán)向離開剪切速率軸方向移動，環(huán)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(jié)構(gòu)破壞程度相對嚴重、剪切應力相對較小，滯回環(huán)向剪切速率軸方向移動，環(huán)的面積相對較小.

3 屈服時間與剪切速率變化率的關(guān)系

將4種含蠟原油的實驗數(shù)據(jù)繪于雙對數(shù)坐標圖中.為使圖能夠清晰些，列出其中8組實驗數(shù)據(jù)(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(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間在雙對數(shù)坐標系中呈良好的線性關(guān)系.因此，屈服時間與剪切速率變化率的關(guān)系為

lgty+klgR=C,

(2)

式中：ty為屈服時間；k，C為由實驗數(shù)據(jù)擬合確定的參數(shù).

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(shù)據(jù)進行擬合，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)恢復速度較慢，在研究含蠟原油的滯回環(huán)時，應該主要考慮第一個環(huán).

(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(huán)向離開剪切速率軸方向移動，環(huán)的面積相對較大.反之，當剪切速率變化率變小時，滯回環(huán)向剪切速率軸方向移動，環(huán)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(guān)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(jù)實驗結(jié)果，提出屈服時間與剪切速率變化率之間關(guān)系的經(jīng)驗表達式.