基于剪切速率匀速加载条件的含蜡原油屈服-触变特性

国丽萍， 张劲军

( 1. 中国石油大学(北京) 城市油气输配技术北京市重点实验室，北京 102249； 2. 东北石油大学 石油工程学院，黑龙江 大庆 163318 )

0 引言

在凝点温度附近时，由于蜡晶的析出和交联而发生胶凝，含蜡原油具有屈服应力和触变性等特性[1-3].屈服-触变特性是胶凝含蜡原油重要的依时流变特性，是含蜡原油胶凝结构强度的体现.人们对恒定剪切应力、剪切应力连续增加、剪切应力阶跃增加、剪切应力振荡、恒定剪切速率等加载条件下的含蜡原油屈服特性进行研究，分析屈服应力对加载条件和时间的依赖性[3-11].对于胶凝含蜡原油屈服后的触变性也有研究，但大多是针对恒定剪切速率下的剪切应力(或表观黏度)衰减特性的[12-16]，对于剪切速率匀速变化加载条件下的含蜡原油屈服-触变性研究很少.通过实验，研究在剪切速率线性增大后又线性减小循环加载方式条件下，大庆原油、中原原油、大庆-南堡混合油、苏丹原油等4种含蜡原油的屈服-触变性，给出屈服时间与剪切速率变化率之间关系的经验表达式.

1 实验

1.1 仪器及样品

实验仪器主要有德国HAAKE公司产RS150H流变仪，使用其Z41Ti同轴圆筒测量系统，F6/8程控水浴控温精度为0.1 ℃.

实验所用4种含蜡原油的物性见表1.为确保实验数据具有重复性和可比性，对实验油样进行预处理，以消除原油历史“记忆”效应.首先将盛有油样的磨口瓶放入水浴内，静置加热至80 ℃，并恒温2 h，使磨口瓶内原油借助于分子热运动达到均匀状态；然后在室温条件下静置48 h以上，作为实验的基础油样.

1.2 方案

将盛有预处理好油样的磨口瓶置于水浴内静置30 min，水浴的温度为凝点测试时的加热温度(见表1)；然后将油样装入流变仪测量筒内并恒温5 min，装油样时保证油样和流变仪测量系统的温度一致，以消除装油样时油温骤升或骤降对其流变性可能造成的影响；最后以0.5 ℃/min的降温速率静冷至测量温度，恒温静置40 min使胶凝结构充分形成后开始测量.

表1 实验油样物性

剪切速率变化率分别为2，1.562 5，1，0.5，0.2，0.05，0.025 s-2，剪切速率的上升时间分别为12.5，16，25，50，125，500，1 000 s；实验温度选在各油样凝点温度附近.剪切速率按随时间线性变化加载：

(1)

式中：R为剪切速率变化率(在某次实验中为常数)；t1为剪切速率上升的时间.

2 结果分析

进行4种不同物性含蜡原油、13个温度、7个剪切速率变化率条件下的实验.35 ℃大庆原油剪切速率变化率为1.0，0.5 s-2时的实验曲线见图1.

图1 35 ℃大庆原油不同剪切速率变化率条件下的实验曲线

由图1可见，由于在凝点温度附近含蜡原油的蜡晶结构有一定的强度，因此加载的初始阶段油样处于一个蠕变过程，表现为随剪切速率增大，剪切应力快速上升的线段.对于胶凝原油蠕变-屈服过程，文献[10]认为判定胶凝原油是否屈服流动的标准不是屈服应力，而是屈服应变，即在一定外力作用下，胶凝原油表现出蠕变特征，如果在应变没有达到屈服应变前消除施加的应力，其变形表现出一定的黏弹性回复；如果产生的应变达到并超过屈服应变，胶凝原油将屈服而流动.文献[11]利用大庆原油进一步验证屈服应变的客观存在，并认为胶凝原油的屈服应变不随加载条件的变化而变化，可作为胶凝原油结构屈服的判据.胶凝原油在加载后、屈服前的蠕变过程所经历的时间称作屈服时间.在屈服应变一定的条件下，加载条件不同，屈服时间不同，其对应的达到屈服应变时的应力也不同.

表2 35 ℃时大庆原油不同剪切速率变化率实验结果

在文中加载条件下，开始以较低剪切速率对胶凝原油结构施加剪切而产生应变，随着剪切作用的增加，当应变达到屈服应变时结构开始裂解而产生流动，此时的剪切应力即为相应加载条件下的屈服应力，也就是图1每条曲线的第一个峰值，相应的时间为屈服时间.该加载条件下的屈服应力与剪切速率变化率有关(见表2)，由表2可见，剪切速率变化率越小，测得的屈服应力越小，对应的屈服时间越长.这是因为随着剪切速率变化率降低，处于同一水平的剪切作用持续时间相对延长，则此水平剪切作用造成的应变增大，因而最终应变达到屈服应变时所对应的应力相对减小，屈服时间相对增加.各实验油样具有类似的规律性.

应变达到屈服应变后蜡晶结构开始裂解产生流动.在剪切速率增大的上行过程中，随着时间的延长和剪切速率的匀速增大，一方面，胶凝体系内部的蜡晶结构裂降速率大于恢复速率，使流动阻力逐渐降低，即剪切应力呈现减小趋势；另一方面，由于剪切速率增加，相应的剪切应力呈现增大趋势.屈服后的初始阶段，前者起主导作用，随着剪切速率增大，剪切应力反而大幅度下降，即图1曲线峰值后的下降段；当剪切速率增大到一定值时，上面两种作用在某一瞬时相等，即图1第一个滞回环上行曲线中的极小值点.之后，结构裂降速率进一步减小，变形速率进一步加大，曲线转而呈现剪切应力随剪切速率增大而增大的常见情形.在剪切速率减小的下行过程中，剪切速率的降低导致剪切应力的减小和蜡晶结构的恢复引起剪切应力增加两种因素共同作用，蜡晶结构恢复速率较慢，前者起主导作用，表现在图1是下行实验曲线随着剪切速率的减小，剪切应力在逐渐降低.继续循环加载，滞后环逐渐减小，并向剪切速率轴方向移动，自第二个滞回环开始，环的面积已经很小，此时的体系触变性已大为减弱.因此，在研究含蜡原油的滞回环时，应该主要考虑第一个环.

图2 34 ℃大庆原油在不同剪切速率变化率条件下的实验曲线

34 ℃大庆原油不同剪切速率变化率实验曲线见图2.由图2可见，当剪切速率变化率较大时，剪切时间相对较短，在相同剪切速率下蜡晶结构破坏程度相对较弱、剪切应力相对较大，滞回环向离开剪切速率轴方向移动，环的面积相对较大.反之，当剪切速率变化率较小时，剪切时间相对较长，在相同剪切速率下蜡晶结构破坏程度相对严重、剪切应力相对较小，滞回环向剪切速率轴方向移动，环的面积相对较小.

3 屈服时间与剪切速率变化率的关系

将4种含蜡原油的实验数据绘于双对数坐标图中.为使图能够清晰些，列出其中8组实验数据(见图3).由图3可见，对于4种不同物性的含蜡原油，无论实验结果的每一组数据还是从总体数据的分布，剪切速率变化率与屈服时间在双对数坐标系中呈良好的线性关系.因此，屈服时间与剪切速率变化率的关系为

lgty+klgR=C,

(2)

式中：ty为屈服时间；k，C为由实验数据拟合确定的参数.

对4种原油、13个温度、7个剪切速率变化率下的91组实验数据进行拟合，结果见表3.由表3可见，4种原油各组数据回归的相关因数均大于0.98，平均相关因数为0.991 6.

图3 剪切速率变化率与屈服时间的关系曲线

表3 4种原油油样的拟合结果

4 结论

(1)研究大庆原油、中原原油、大庆-南堡混合油、苏丹原油等4种含蜡原油在剪切速率线性增大后又线性减小循环加载方式条件下的触变行为.由于蜡晶结构恢复速度较慢，在研究含蜡原油的滞回环时，应该主要考虑第一个环.

(2)在同一温度下，以不同的剪切速率变化率对含蜡原油进行剪切时，当剪切速率变化率变大时，滞回环向离开剪切速率轴方向移动，环的面积相对较大.反之，当剪切速率变化率变小时，滞回环向剪切速率轴方向移动，环的面积相对较小.

(3)分析剪切速率变化率与屈服时间、屈服应力之间的关系，随着剪切速率变化率的降低，相应的屈服应力减小，屈服时间增加.根据实验结果，提出屈服时间与剪切速率变化率之间关系的经验表达式.