油气储运工程毕业设计论文大庆原油触变性研究.doc 42页

'中国石油大学（华东）毕业设计（论文）大庆原油触变特性研究学生姓名：学号：专业班级：指导老师： 摘要本文采用PhysicaMCR301可控应力流变仪测量分析了大庆原油全粘温曲线及其启动触变特性。研究了不同启动温度、启动剪切速率、不同降温幅度下，大庆原油低温再启动触变直至剪切平衡的过程。研究表明：大庆原油在经历特定的降温过程并形成某种结构后，其再启动过程表现出明显的触变特性。并分析了触变过程受以上因素的影响。本文以实验为主，对实验所得的触变曲线采用不同的触变模型进行拟合，并比较得出以下结论：采用三参数进行拟合所得的及值与实测值误差很大，对大庆原油触变曲线不适用；四参数、五参数拟合误差中等；双曲模式拟合误差最小。关键词：粘温曲线；触变性；触变模式；曲线拟合 中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）ABSTRACTThispaperestablishesthefullviscositytemperaturecurveandinvestigatesthethixotropicbehavioroftheDaqingcrudeoilusingPhysicaMCR301concentriccylinderrotaryrheometer.ThethixotropicprocessofDaqingcrudeoilatlowtemperaturesisinvestigatedunderdifferentconditionssuchasdifferentrestarttemperatures,differentrestartshearstressanddifferenttemperatureamplitudes.ItisfoundedthattheDaqingcrudeoilaftercertaincoolingprocessdisplaysanapparentthixotropicbehaviorwhenitisrestartedatlowertemperaturesandtheinfluentialfactorsisalsostudied.Thispaperfocusesontheexperimentsandfitsthethixotropiccurveswithseveralthixotropicmodels.Itisconcludedfromthefittingresultsthat:andfromthethree-parameterfittingmodelisfardifferentfromtheexperimentsanddoesn’tsuittheDaqingcrudeoilthixotropiccurvesasaresult.Hyperbolicmodelfitsthecurvesbest.ThefittingeffectoftheFour-parameterandfive-parametermodelisbetweentheabovetwomodels.Keywords:fullviscositytemperaturecurve;thixotropicbehavior;thixotropicmodel;curvefitting 中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）目录第1章前言1第2章胶凝原油22.1概述22.1.1凝胶的形成机理22.1.2胶凝温度及其影响因素22.2胶凝原油的触变特性32.2.1概述32.2.2触变性测量42.2.3触变性机理及模型52.3胶凝原油再启动11第3章实验简介123.1油样及预处理123.2凝点的测量123.3实验方案123.3.1粘温曲线133.3.2不同条件对原油启动触变特性的影响133.3.3实验步骤13第4章大庆原油全粘温曲线测定及分析15第5章大庆原油触变特性研究195.1触变曲线拟合195.2触变过程规律性研究255.2.1ΔT,一定，k,m与T的关系255.2.2ΔT,T一定，k,m与的关系255.2.3T,一定，k,m与△T的关系30 中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）第6章结论33致谢33参考文献34 中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）第1章前言我国所产原油80%以上为含蜡原油，加热输送仍然是目前主要的管输工艺。所有热油管道均面临着停输后再启动的问题，当正常停输或事故停输一定时间后，由于温降，管内相当一部分原油将处于低温状态，析出的蜡晶相互交联形成具有一定强度的网络结构，使含蜡原油具有触变特性[1]。进一步来说[2]，对于含蜡原油，随着管内油温的下降，粘度不断上升，当油温低于析蜡点时，原油中的蜡晶逐渐析出。随着蜡晶数量的增多，蜡晶之间将形成交联的网络结构，使原油结构强度增大，当原油结构强度超过泵所能提供的启动压力或管路所能承受的压力时，就会凝管。在较低的温度下，含蜡原油具有复杂的流变特性，剪切应力不仅与温度和剪切率有关，而且与时间有关，即原油触变性与管道再启动有密切的关系，要保证管道的安全运行，就必须研究触变性原油停输再启动的压力计算问题。研究含蜡原油的触变特征，对于管输含蜡原油的工艺和生产管理以及原油管道停输再启动的安全性分析都有着重要意义。为此，国内外许多学者对含蜡原油的触变性作了大量的研究[3]。本文拟通过利用PhysicaMCR301流变仪测量分析含蜡原油在特定条件下的流变性质，以及各个因素对大庆原油低温流动性的影响，并对低温大庆原油的再启动过程进行研究。利用几种触变模式对屈服后的触变过程进行曲线拟合，并对各种模式的精度进行比较，得到大庆原油的最佳的触变过程表达式；研究各种条件下大庆原油启动触变特性，并总结大庆原油触变特性规律。本文主要分为五部分：文献综述、实验简介、大庆原油全粘温曲线测定及分析、大庆原油触变特性研究、结论。11 中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）第2章胶凝原油2.1概述当含蜡原油温度降至析蜡点以下时，随着油温的逐渐降低，含蜡原油将经历蜡晶析出、逐渐增多、不断长大并与原油中胶质、沥青质相互作用而形成空间网络结构的过程[4]，液态原油被限制在蜡晶网络结构中，造成原油在总体上失去流动性。胶凝原油具有一定的固体特征，如有一定的弹性和结构强度等。但是胶凝原油的固体特征是有条件的，一旦外加的应力超过原油的结构强度或屈服值，蜡晶网络结构就被破坏，大量的液态油重新获得自由流动的能力，原油又成为溶胶体系，而当这种溶胶体系再次静止后，蜡晶之间又会重新聚集并形成三维网络结构，使原油再次成为凝胶体系。2.1.1凝胶的形成机理含蜡原油中的石蜡在低温下以片状或带状结晶析出，并达到一定的浓度，是造成其凝胶的根本原因[4]。P.Sing等人[5]认为，凝胶是随着油温的降低形成蜡晶后，斜方晶体的蜡晶经过絮凝作用形成的。I.Henaut等人[6]在偏光显微镜下观测蜡晶的形成过程,发现蜡晶具有片状结构而彼此重叠或相互联结，随着温度的降低，这些片状结构的蜡晶逐渐形成晶体骨架，骨架内还有少量的液态油，随即形成类似固体的凝胶附着在管壁上。J.C.Hsu等人[7]认为，蜡沉积在管壁上形成凝胶取决于油温和环境温度的温差。如果环境温度始终大于油温，即便油温降到浊点以下，蜡也不会沉积在管壁上形成凝胶，只有在环境温度始终低于油温时，油温降到浊点以下才能形成凝胶。2.1.2胶凝温度及其影响因素Venkatesan[8]等人指出流变学中的胶凝温度（胶凝点）是指物质的似固体行为开始优于似液体行为时的温度。他们还指出剪切历史和热历史均对胶凝温度有很大的影响。2.1.2.1热历史的影响[8]11 中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）冷却速率越慢，胶凝温度越低。当蜡-油样品在常剪切应力下剪切时，冷却速率越慢意味着晶体形成越慢，油样所受剪切时间越长，网络结构形成得越慢，因此胶凝速度减慢，冷却速率越慢胶凝温度越低。这里所需注意的是，研究冷却速率影响的试验都是在平衡冷却条件（也就是冷却速率小于结晶速率）下进行的。2.1.2.2剪切历史的影响[8]冷却过程中所施加的剪切应力对胶凝温度也有一定的影响。当冷却速率固定时，胶凝温度随施加应力的增加而减小。这是因为剪切力破坏蜡晶所形成的结构，阻止了蜡/油混合物形成凝胶。因此，施加的剪切应力越大，胶凝速度越慢，胶凝温度越低。2.1.2.3其他因素的影响PeterB.Smith[9]等人指出胶凝点与蜡晶的大小和形状有关，因此任何影响蜡晶尺寸和形状的预处理都会对胶凝点产生影响。除此之外，还有一些其他的因素：许多含蜡原油含有胶质，胶质对蜡晶有一种天然的亲和力，因此胶质就成为一种天然的胶凝抑制剂，它们在蜡晶周围聚集起来，阻止蜡晶相互连接形成凝胶。因此，任何阻止胶质在蜡晶周围聚集的预处理都会使胶凝点升高。2.2胶凝原油的触变特性2.2.1概述触变性是含蜡原油的一个重要流变性质，输油管道运行的安全性分析需要对触变行为做出准确的定量描述[10]。触变性概念是1927年由Peterfi提出的，当时是用来描述等温过程中机械扰动下物料胶凝-液化的转变现象。1975年英国标准协会经修定后的定义是：在剪切应力作用下，表观粘度随时间连续下降，并在应力消除后表观粘度又随时间逐渐恢复[11]。含蜡原油一般具有以下触变性特征[11]：11 中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）1．低于某温度以下的含蜡原油，通常都出现触变性，但出现触变性的温度与原油的组成和剪切历史、热历史等有关。2．经历一定历史（包括剪切历史和热历史）的低温含蜡原油，被静置较长时间后，会形成稳定的胶凝状网络结构，其流变性表现出与时间有关。3．对于已具有触变性的含蜡原油，在某一恒定温度下，不再是只有一条流变曲线了，而可得到对应于不同剪切作用时间的一组流变曲线。4．用从低到高，再从高到低连续改变剪切率的方法，测定已形成网络结构含蜡原油的流变性，可得滞回曲线。5．具有触变性的含蜡原油，若已经过预剪切，并已达到动态平衡状态，得到对应的动平衡表观粘度。若改换比预剪高的剪速档继续剪切，则原先的动平衡结构遭破坏，已分散的蜡晶聚集物进一步分散，其大小、形状、排列进一步改变，形成与所施加剪切率相适应的另一动平衡结构，其触变曲线形状与初次裂降曲线大不相同的触变曲线；若改换比预剪低的剪速档继续剪切，由于体系的流动速率变慢，已分散的蜡晶聚集物有产生聚集的趋势，表观粘度会随时间而增加，最后建立起与低剪切率相适应的另一平衡结构。6．静态恢复性：经历一定剪切历史、热历史后的含蜡原油被静置，静置后体系的内部结构会发生变化，已分散的蜡晶颗粒会发生缔合或聚集，形成网络结构，且其强度会随静置时间的延长而增大。经历一定热历史和剪切历史的低温含蜡原油中会形成胶凝网状结构，在剪切应力的作用下，胶凝结构被破坏，原油的表观粘度随时间持续下降直至剪切平衡，即表现出触变性。2.2.2触变性测量本文中将介绍滞回曲线、曲线和等结构曲线三种描述触变性的方法。2.2.2.1滞回曲线法11 中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）触变性流体的力学响应常常以滞回曲线来描述。其测量方法为：在一定时间内，使粘度计从最低转速开始，均衡地逐渐升高转速，到达预选定的某一最高转速值，在升高过程中记录相应的剪切应力数据，得到一条曲线，到达最高转速后再逐渐降低转速，再记录转速下降时所对应的剪切应力，得到另一条曲线。实测结果表明：上行线和下行线不重合，形成一个月牙形的图，称之为滞回曲线。常用滞回曲线所圈的面积衡量流体的触变性。另外，滞回曲线的形成受两种因素的综合影响，即剪切率的连续变化和剪切的作用时间。Green和Weltmann根据影响滞回曲线面积大小的两种因素，提出利用触变系数B和拆散触变系数M对流体触变性的大小进行描述。B的物理意义是：描述流体在某一剪切历史下，其内部结构形态虽随剪切时间的变化，即表观粘度随时间的变化。定义为：B=。M的物理意义是：描述流体的内部结构形态受不同剪切率的影响，即表观粘度随剪切率的变化。定义为：。2.2.2.2曲线法此方法是对静置并已形成稳定结构的触变流体以恒定的剪切速率进行剪切，初次剪切时剪切应力迅速下降，随着剪切作用时间的延长，剪切应力不再下降即达到平衡值，从而可得一条剪切应力衰减曲线。此法是针对流体处于特定条件而言的，所以由此方法确定的剪切应力衰减曲线也仅表示了流体在特定条件下静置并形成稳定结构下的触变特征。2.2.2.3等结构曲线法在选定的参考剪切率下剪切物料，使其内部物理结构达到动平衡状态，形成与选定剪切率相对应的流变结构，此时的平衡剪切应力为，然后突然升高或降低剪切率至或，假定在此突然瞬间，体系的流变结构来不及变化，即剪切率为或的初始瞬间对应的流变体结构与参考剪切率的平衡流变结构是相同的。2.2.3触变性机理及模型2.2.3.1触变性机理对于触变机理，曾用固液两相理论[12]和分子理论[13]11 中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）作了一些解释，由于原油流变性是一种非常复杂的流变行为，因此难以完全解释清楚。固液两相理论将触变性流体作为一种假想的“固-液二相体”，其中流体内的网状结构即为“固体相”。并在此基础上得出了触变性流体的本构方程，如下：（2-1）（2-2）（2-3）其中（2-1）为状态方程，（2-2）为速率方程。各参数的物理意义如下:-流体黏度系数；-比例系数；-流体的剪应变率；-网络结构的剪应变；-对时间的导数。蜡晶结构裂降机理认为受剪原油结构的变化可归咎为以下两个方面：蜡晶之间弱连结的断裂破坏；蜡晶本身在剪切场中的定向化作用。一般认为，触变性起源于液体的微观结构。2.2.3.2触变性模型目前触变模式主要分为三类，即直接结构模式、间接结构模式、直接数据回归模式。（1）直接结构模式该类模式往往将流体中链连接的数目作为流体结构的强度参数，由于链连接数目的测定难度较大，该种模式的应用受到限制。（2）间接结构模式这是应用较多的一类模式。该类模式的特点是：引入了结构参数及其变化率，其速率方程为：（2-4）此类触变模式有很多，下面列举一些较典型的模式：1．Cheng模式[14]：认为凝油的触变性是由结构变化导致屈服值裂降引起的，而稠度没有变化。针对含蜡原油，他提出触变性流变模型：（2-5）11 中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）（2-6）（2-7）式中：——结构完全破坏时的屈服应力；——结构完全恢复时屈服应力的增量。2．Houska模式[15]：（2-8）（2-9）式中：、、、、均为物性常数，且被认为只与温度有关；a为结构建立系数；b为结构裂降系数；m决定了胶凝结构的变化速率。此模式认为原油的触变性应归咎于屈服值和结构稠度同时裂降作用，且两者裂降速率是一致的。3．陈宏建等[2]在Houska模式的基础上，经实验研究及理论分析，建立了双速率含蜡原油触变性模型：（2-10）（2-11）（2-12）该模型与Houska模型的区别在于，模型中引入了两个独立的速率方程，不是等速度裂降。4．蒋永兴[16]指出：具有触变结构的胶凝原油受剪后，其结构破坏由两部分组成。一方面是蜡晶微团之间弱连接的断裂，这种触变行为不可恢复，反映在流变参数上就是原油屈服值的裂降；另一方面是由于不规则蜡晶本身的定向化作用，这种触变形为是可以恢复的，反映在流变参数上就是结构稠度的裂降。其流变方程组如下：11 中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）（2-13）（2-14）（2-15）（2-16）（2-17）（2-18）实验表明：当胶凝原油无任何剪切历史时，原油中的蜡晶微团之间的连接是存在的。施加剪切作用时，原油的触变性包括两部分，即蜡晶微团弱连接的断裂破坏和微团的取向调整。当剪切充分后，弱连结极度破坏，再施加更高剪速剪切作用时，仅存在蜡晶的取向调整，故剪切应力随时间变化比上述情况要平缓得多。5．曹学文[17]在其论文中的实验结果显示，油样受剪后，结构的恢复是相当慢的，甚至在足够长的观察时间内是不可恢复的。他指出，含蜡原油是一种流裂性的触变性流体，或称不可逆触变体，等结构线的测试比较困难。但只要保证实验前一批油样处理的过程十分严格，测试结果完全可以重复，可认为相同处理条件下得到的低温试样的结构是基本相同的，并据此来测试等结构线。他推荐濮阳原油触变模型方程如下：（2-19）（2-20）（2-21）（）（2-22）（）（2-23）式中：——牛顿粘度；——最高结构水平时无限大剪速下的粘度；11 中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）——动态屈服值；——稠度系数；——流变指数形式。考虑恒剪切速率情况，积分速率方程并代入状态方程得到：（2-24）实验表明，上面的模型方程很好地与濮阳含蜡原油的实验数据相吻合，且各参数的确定也较简单，物料常数、、、可以从等结构线的测试结果求得，、、可直接对恒剪速剪切实验数据用最小二乘法回归得到。以上常数只与含蜡原油及其温度有关，因温度直接影响到蜡晶结构的形成及强度。（3）直接数据回归模式本文中主要采用以下几种模式进行数据回归：1．杜云指出[18]，预剪后的裂降过程可表示为：（2-25）她指出：其中各个参数均与剪切速率有关，R-G模式能较好地定量描述非牛顿含蜡原油在初始裂降过程中的触变规律。2．张足斌[19]在杜云触变模式的基础上，强化了时间的影响，指出下式能够很好地描述胜利原油触变特性：（2-26）该模式中的参数都有明确的物理意义。表示对油样施加某一剪切速率时所必需的最大剪切应力；表示保持该剪切速率时可能达到的最小剪切应力；表示该剪切速率对油样内部结构的最大破坏程度；k表示在该剪切速率下初始单位时间内结构被破坏的程度，k越大，则该油样的剪切应力在初始一段时间内下降很快，即容易被剪切到动平衡；m表示随着剪切时间的延长，结构被继续破坏的快慢程度，m越大，越容易被剪切到动平衡。3．刘刚等[20]11 中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）利用机械比拟原理，建立了粘弹-触变方程，用来描述恒剪切速率实验中胶凝原油的应力裂降过程。剪切应力可以表示为：（2-27）其中，，，，（2-28）——粘性系数；——弹性模量；——与原油中蜡晶絮凝体尺寸相关的特征参数；——结构破坏速率常数；——破坏速率方程指数。利用该回归方程对测试数据进行回归，效果很好（相关系数0.98以上）。新回归方程能够较准确地描述恒剪切速率实验中胶凝原油的曲线。4．董平省等[3]对三参数双曲模式加以改进，得到了更好地描述含蜡原油触变特性的双曲模式，其表达式如下：(2-29)在对新型模式的数据验证中，分别采用德国HAAKE公司所产的型号为RV-100的旋转粘度计和石油大学（山东）储运教研室的管流实验装置进行了数据验证，结果表明采用该模式的拟合曲线很好的符合实测数据点。并将双曲模式与四参数指数模式（）对实验数据进行回归的结果进行比较，发现用改进的双曲模式回归的相关系数比四参数指数模式回归的相关系数高。对比五参数指数模式（）发现，提出的指数形式回归数据的精度与之相差无几，但比五参数的指数形式表达式直接、简洁，且表达式中各参数的物理意义更加明确。2.3胶凝原油再启动11 中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）胶凝原油的启动过程非常复杂，相关的影响因素为胶凝原油经历的热历史、原油的屈服特性、触变特性、粘弹性和压缩性、温降收缩和压力传递速度等。孤立的屈服值对实际胶凝管道启动的意义不大[21]。本文主要是以旋转流变仪中所测得的数据为基础来分析启动过程及其影响因素。ChengChang和Q.DNguyen等人[22]提出用三屈服应力来分析管道中原油的运动，根据管道所应用的壁面剪切应力（）与原油初始胶凝强度的关系，分析了启动流的三种可能性。初始胶凝强度通过两个屈服应力来表示：弹性极限屈服应力（）和静屈服应力（）。三种可能的启动是：瞬时启动、延迟启动和启动失败。ChengChang等人没有考虑管道和原油的可压缩性，忽略了剪切应力沿轴向的变化，并且他们的分析都是建立在流变仪所测的三个屈服应力基础上的，在应用此理论时要适当加以修正。Sestak[23]等人采用有更大适用性的Houska的触变性模式研究了含蜡原油管道的再启动问题，指出：胶凝原油流变参数对预测再启动过程起到至关重要的作用。但是在该文献中，触变模式的参数均来自各种粘度计，与管流数据存在差距，并且没有考虑压力传递速度在启动过程中的重要作用。Cawkwell[23]等人在Sestak研究的基础上，考虑了胶凝原油压缩性和流变特性对再启动过程的影响，在连续性方程中引入压缩因子，从而考虑了压力传递速度对胶凝原油管道启动的影响，对深入认识再启动问题很有意义。目前业界已认识到，低温含蜡原油中的压力传播速度比声速低得多。11 中国石油大学（华东）毕业设计（论文）第3章实验简介本实验采用德国生产的PhysicaMCR301可控应力流变仪进行测量，其测量元件是同轴圆筒型。通过本次实验，拟建立大庆原油再启动过程中，启动温度T、启动剪切速率、降温幅度对触变性的影响，并得出大庆原油触变特性规律。3.1油样及预处理本实验所用的油样是大庆含蜡原油，其主要参数为：凝点34℃，反常点38℃，胶质含量26.4w%，沥青质含量0.33w%，蜡含量26.3w%。首先将实验所用油样装在密封的塑料桶内，先进行80℃预热处理，然后把油样摇匀分装到100ml的磨口玻璃瓶内，在室温条件下，静置48小时以上，从而完成预处理过程。预热处理的目的是统一含蜡原油以前的历史记忆效应，使试样处于同一初始状态，以保证测定的流变性具有重复性和可比性。3.2凝点的测量本实验选用《原油流变性及测量》（李传宪、罗哲鸣著）中所提供的凝点测试法对襄樊原油进行凝定测定，具体操作如下：a．水浴加热至60℃；b．将油样分别倒入两只凝点测试管中，安装凝点温度计，然后将其放入凝点测试仪；c．降温，油样温降速率控制在0.5℃/min~1℃/min之间。d．待油样降温至高于预期凝点8℃时，每隔2℃将凝点测试试管水平放置，观察油样的流动性，直至油样在5s内不流动时，记录下最高温度，此温度即为该试样在此条件下的凝点。按照以上操作测得60℃处理温度下大庆含蜡原油的凝点为34℃。3.3实验方案20 中国石油大学（华东）毕业设计（论文）初始温度：T0=60℃；静态降温间隔：T=0℃，2℃，4℃；启动温度：T2=26℃，28℃，30℃；预剪切速率：s-1；启动剪速：=5s-1，10s-1，20s-1；本实验的目的是测定大庆含蜡原油流变性以及不同启动温度、不同启动剪速和不同降温幅度对原油启动特性的影响，本文主要研究屈服后的触变过程，具体实验过程如下：3.3.1粘温曲线确定析蜡点、反常点以及牛顿区温度范围等。60℃28℃（＝40s-1）60℃28℃（＝60s-1）60℃28℃（＝90s-1）3.3.2不同条件对原油启动触变特性的影响为动态降温剪速，为启动剪速。1）60℃26℃26℃（＝60s-1，=5、10、20s-1）60℃28℃26℃（＝60s-1，=5、10、20s-1）60℃30℃26℃（＝60s-1，=5、10、20s-1）2）60℃28℃28℃（＝60s-1，=5、10、20s-1）60℃30℃28℃（＝60s-1，=5、10、20s-1）60℃32℃28℃（＝60s-1，=5、10、20s-1）3）60℃30℃30℃（＝60s-1，=5、10、20s-1）60℃32℃30℃（＝60s-1，=5、10、20s-1）60℃34℃30℃（＝60s-1，=5、10、20s-1）3.3.3实验步骤下面以第8组实验为例来具体说明实验步骤：20 中国石油大学（华东）毕业设计（论文）60℃30℃26℃(＝60s-1,=10s-1)1.原油预热：将小磨口瓶内的油样水浴加热到60℃，然后适当晃动，使油样充分混合均匀；2.设定仪器初始温度为60℃；3.装样：将预处理好油样装入PhysicaMCR301流变仪（油品加入量应在筒内标记线的高度）；4.动态降温测试：设定预剪切速率、降温速率、动态降温终了温度及数据采集时间间隔。本组实验中，设定＝60s-1，控制0.1℃/min的降温速率将油样从60℃剪切降温至30℃，同时进行数据采集，数据采集时间间隔为5分钟，数据点个数为61个；5.静态降温阶段：动态降温至30℃后，设定降温时间为5h，静置降温至28℃；6.再启动测试过程：静态降温终了，原油已在特定条件下静置并形成稳定结构，以恒定的启动剪切速率=10s-1进行剪切，由于初次剪切时剪切应力在极短的时间内（20ms以内）达到最大值，之后便迅速下降，因而在初始剪切的一段时间内，数据采集时间间隔取5ms，数据点取300个；之后间隔取10s，设定采集数据点个数为360。7.保存数据，按顺序关闭仪器，结束实验。20 中国石油大学（华东）毕业设计（论文）第4章大庆原油全粘温曲线测定及分析本实验中，使用PhysicaMCR301流变仪模拟原油在实际管道中流动并缓慢降温的过程，测定原油流变性。在实验中，选择一定的剪切速率，；连续剪切试样，同时以一定冷却速率降温，连续测取对应的剪切应力（粘度或表观粘度）随温度的变化关系，即可得到大庆含蜡原油的全粘温曲线。按照前面所写的粘温曲线的测试方案，进行试验，可得如图4-1所示的大庆含蜡原油的动态全粘温曲线。图4-1大庆原油动态全粘温曲线（初始温度=60℃）不同剪切速率下的大庆原油的表观粘度及各温度下的流变方程见表4-1。20 中国石油大学（华东）毕业设计（论文）表4-1大庆含蜡原油动态流变性实验结果粘剪度速(mPa.s)（s-1）温度（℃）906040方程6015.495lg=2.14843-0.01598T59.515.7495916.04458.516.3525816.65257.516.965717.27256.517.5995617.93155.518.2655518.61254.518.9575419.30953.519.6685320.02952.520.3965220.76651.521.1475121.53850.521.9415022.35349.522.784923.22848.523.704lg=2.71275-0.02771T4824.22147.524.8014725.46646.526.2674627.2445.528.37520 中国石油大学（华东）毕业设计（论文）表4-1大庆含蜡原油动态流变性实验结果（续表）4529.6884067.40176.56786.156=0.266040.6950739.577.23788.845102.31=0.367040.653613989.254104.47122.52=0.516690.6097338.5103.75123.42146.92=0.714750.5710938121.44146.09175.61=0.940640.5450937.5143.12173.45209.81=1.197290.52837168.76204.81249.77=1.480280.517336.5197.87239.83294.12=1.766980.5131636228.31276.48341.53=2.09690.5067335.5256.93312.12387.62=2.470410.4964835282.97342.39428.46=2.748810.4939334328.39395.26497.07=3.157380.4959732414.87522.17666.62=5.705270.41712（=10.46081+1.621680.62398）30516.18648.74843.8=7.701780.39846（=22.40343+0.372380.92628）28681.6878.771111.2=10.40720.3947520 中国石油大学（华东）毕业设计（论文）由图4-1可以看出，在动态剪切条件下，大庆含蜡原油的反常点是45℃，析蜡点是49℃。在40℃-28℃的区间内，大庆含蜡原油呈现幂律流体流型。在此范围内，根据各测量所得数据回归的K、n值，得到n-T，K-T的关系如下：n=-2.36843+0.0765TK=-288.08009+26.1524T-0.76313T2+0.00724T3式中：K的单位是，T的单位是℃。在n与T的关系式中，令n=1，求得T=44.03℃，这与从图4-1中读出的反常点温度（45℃）较为接近。动态剪切可降低含蜡原油出现屈服值的温度。从表4-1中可以看出，当原油温度低于凝点以下2℃时，大庆含蜡原油的流变方程符合屈服-假塑性流体方程。即动态条件下原油出现屈服值的温度比凝点低2℃。20 中国石油大学（华东）毕业设计（论文）第5章大庆原油触变特性研究5.1触变曲线拟合本文采用德国生产的PhysicaMCR301流变仪模拟热油管输条件下含蜡原油启动触变特性，并采用指数方程、指数幂律方程、五参数方程及改进的双曲模式进行拟合。各种模式的具体表达式在第二章中都以详细介绍过，在此不再一一列出。现采用以上四种触变模式的方程对触变过程进行拟合。进行拟合的实验过程如下（以其中一组实验为例）：60℃30℃30℃（＝60s-1，=10s-1）1.采用指数方程回归回归结果如图5-1所示：=18.11178+92.14861exp(-0.86611t)图5-1指数方程回归曲线（3参数）2.采用指数幂律方程回归20 中国石油大学（华东）毕业设计（论文）回归结果如图5-2所示：=17.68599+200.48388exp(-1.58986t0.2691)图5-2指数幂律方程回归曲线（4参数）3.用五参数方程进行回归回归结果如图5-3所示：=116.29987exp(-73.26007t)+83.55903exp(-0.73219t)+17.9421320 中国石油大学（华东）毕业设计（论文）图5-3五参数方程回归曲线（5参数）4.采用双曲模式进行回归回归结果如图5-4所示：=15.19882+197.11559/（1+3.49813t0.44235）图5-4双曲模式回归曲线23 中国石油大学（华东）毕业设计（论文）该组实验对应的数据处理结果如下，触变方程见表5-1；回归参数的比较见表5-2。表5-1不同剪速下的触变方程实验编号方程名称触变方程的回归温度(℃)启动剪速(s-1)30-3053参数=13.73977+70.68575exp(-0.53988t)4参数=13.54752+99.15266exp(-0.86541t0.37236)5参数=42.26595exp(-1.64780t)+34.05681exp(-0.04101t)+13.54135双曲模式=12.33061+90.58934/（1+1.11892t0.59754）103参数=18.11178+92.14861exp(-0.86611t)4参数=17.68599+200.48388exp(-1.58986t0.2691)5参数=116.29987exp(-73.26007t)+83.55903exp(-0.73219t)+17.94213双曲模式=15.19882+197.11559/（1+3.49813t0.44235）23 中国石油大学（华东）毕业设计（论文）表5-1不同剪速下的触变方程（续表）30-30203参数=24.88952+112.63454exp(-1.32668t)4参数=23.70069+413.5829exp(-2.43944t0.21516)5参数=315.0256exp(-122.24939t)+92.39971exp(-0.97965t)+24.0751双曲模式=21.6031+412.83129/(1+9.4968t0.43918)23 中国石油大学（华东）毕业设计（论文）表5-2不同剪速下回归参数的比较实验序号方程偏差%偏差%R温度(℃)剪速(s-1)30-3053参数84.43118.67-28.8513.7412.728.020.9954参数112.70-5.0313.556.530.9985参数89.86-24.2813.546.450.997双曲模式102.92-13.2712.33-3.070.999103参数110.26215.66-48.8718.1116.768.050.9764参数218.171.1617.695.550.9965参数217.800.9917.947.040.996双曲模式212.31-1.5515.20-9.310.996203参数137.52432.15-68.1224.8922.2811.710.9014参数437.281.1923.706.370.9935参数431.50-0.1524.088.080.990双曲模式434.430.5321.60-3.050.994注：，为回归值，，为试验测得值。%=（-）/x100%,%=(-)/x100%；R为相关系数。的单位都是Pa。32 中国石油大学（华东）毕业设计（论文）从表5-1和表5-2可以看出，无论从屈服值、平衡剪切应力的偏差，还是从相关系数方面来看，3参数方程的精度明显低于其他三种方法；4参数，5参数及双曲模式精度差不多，结合所做的其他实验来分析，双曲模式精度最高，能很好地对触变过程进行拟合，并且方程中的各个参数物理意义明确，有助于更好地了解触变过程。对于大庆含蜡原油来说，在计算条件允许的情况下，应优先选择双曲模式，但此模式是否适用于管流实验装置，还有待于进一步研究。5.2触变过程规律性研究在本文的第二章对触变模型的描述中，四参数和双曲模式的参数具有相同的物理意义，结合5.1中所述，可以通过研究双曲模式中k,m与启动温度，静置降温间隔，启动剪速的关系，找到一些有关触变性的规律。具体的过程为：确定启动温度T，静置降温间隔ΔT，启动剪速中的任意两个，分别研究k,m与另一个参数的关系，找到一个能很好地描述它们之间关系的方程式，以根据得到的方程来预测原油的触变行为。5.2.1ΔT,一定，k,m与T的关系随机选取3组实验数据进行研究，并未找到一个很好地描述k,m与T关系的表达式。分析其原因，可能有以下几方面：（1）进行拟合的数据点过少（仅有3个）；（2）实验得到的数据存在误差；（3）由实验数据得出的触变方程精度不够高；（4）进行的试验数少，导致随机选择的实验组不具有一般性。结合k,m的物理意义，对照所做的实验可以得出：大庆原油屈服后的结构裂降过程与启动温度之间没有必然的联系。5.2.2ΔT,T一定，k,m与的关系选取下面3组实验进行研究。60℃30℃30℃（＝60s-1，=5s-1）60℃30℃30℃（＝60s-1，=10s-1）60℃30℃30℃（＝60s-1，=20s-1）各个启动剪速下所对应的双曲模式拟和参数如下表所示32 中国石油大学（华东）毕业设计（论文）表5-3ΔT=0℃T=30℃=60s-1启动剪速（s-1）拟合参数51020k1.118923.498139.4968m0.597540.442350.43918对表5-3中的数据进行拟合，得到以下关系式：k=-1.88041+0.56443m=0.43918+7.90796exp(-0.78215)拟合结果分别如图5-5，图5-6所示：图5-5k与的关系曲线32 中国石油大学（华东）毕业设计（论文）图5-6m与的关系曲线由图5-5和5-6可以得出以下结论：随着启动剪速的增加，k值也增加，且满足线性关系。而对于m来说，m与剪速之间符合指数关系，并且在较低剪速下，m值很大；随着剪速的增大，m开始减小，且在初始一段剪速范围内下降很快，到达一定值后（如图中10s-1处所对应的m值），m几乎不再随剪速的变化而变化，即保持一个固定的值。另取一组实验数据，如表5-4所示进行研究，也得出相同的结论：60℃32℃30℃（＝60s-1，=5s-1）60℃32℃30℃（＝60s-1，=10s-1）60℃32℃30℃（＝60s-1，=20s-1）各个启动剪速下所对应的双曲模式拟和参数如下表所示32 中国石油大学（华东）毕业设计（论文）表5-4ΔT=2℃T=30℃=60s-1启动剪速（s-1）拟合参数51020k2.813594.420247.46759m0.610160.60280.59783得到的方程及曲线图分别如下所示：k=1.28991+0.30948m=0.59648+0.02961exp(-0.15448)图5-7k与的关系曲线图32 中国石油大学（华东）毕业设计（论文）图5-8m与的关系曲线图比较两组实验拟合所得的k的方程式，可以看出，在其他条件一定时，静置降温间隔越大，所得k-图像斜率越小，即k随的变化越慢，也就是说，启动剪速对原油结构裂降的影响变小。从这两组实验所得的结果来看，k的相关系数分别为0.99853和0.99991，m的相关系数都是1，这说明使用线性拟合k与的关系和使用指数方程拟合m与的关系精度很高，可以很好地描述原油的触变行为。因此对双曲模式的所有实验结果都采用这两种方法进行拟合，结论表明，对大多数实验均能较好的符合。32 中国石油大学（华东）毕业设计（论文）5.2.3T,一定，k,m与△T的关系以下面3组实验为例进行研究：60℃28℃28℃（＝60s-1，=10s-1，ΔT=0℃）60℃30℃28℃（＝60s-1，=10s-1，ΔT=2℃）60℃32℃28℃（＝60s-1，=10s-1,ΔT=4℃）各个静态降温间隔下所对应的双曲模式拟合参数如下表所示：表5-5T=28℃=60s-1=10s-1降温间隔ΔT（℃）拟合参数024k2.204714.281685.5268m0.496720.603440.50473得到的方程及曲线图如下：k=2.34335+0.83052△Tm=exp(-0.69973+0.19062-0.04666△T232 中国石油大学（华东）毕业设计（论文）图5-9k与△T的关系曲线图图5-10m与△T的关系曲线图32 中国石油大学（华东）毕业设计（论文）从图5-9和5-10可以得到如下结论：k随△T的增大而线性增加；m值随△T的增加呈指数变化，其曲线图类似于抛物线，在△T为某一值时达到最大值（此图中大约为△T=2时所对应的m值）。也就是说，静置降温间隔为2℃时，原油再启动屈服后结构被继续破坏的速度最大，最容易达到剪切动平衡。其他实验数据验证结果如表5-7。从此表中可以看出，k，m的表达式相关系数都较高，所以用线性表达式和指数方程描述k，m与静态降温间隔的关系是非常精确的。表5-6不同条件下k，m与静态降温间隔的关系启动温度（℃）启动剪速（s-1）K的表达式RM的表达式R265k=2.34335+0.83052△T0.998m=exp(-0.50214+0.04258△T-0.01864△T2)110k=2.50601+0.62314△T0.994m=exp(-0.598+0.06303△T-0.01865△T2)120k=4.07419+0.81021△T0.985m=exp(-0.66314+0.11616△T-0.02772△T2)1285k=1.21323+0.48288△T0.982m=exp(-0.51653+0.05107△T-0.02455△T2)110k=2.34335+0.83052△T0.990m=exp(-0.69973+0.19062△T-0.04666△T2)120k=6.34848+0.33524△T0.835m=exp(-0.80466+0.19926△T-0.03409△T2)1305k=1.08234+0.90221△T0.999m=exp(-0.51493+0.07598△T-0.03275△T2)110k=3.28604+0.7792△T0.973m=exp(-0.81565+0.28138△T-0.06332△T2)120k=6.40986+0.61581△T0.993m=exp(-0.82285+0.2517△T-0.04875△T2)132 中国石油大学（华东）毕业设计（论文）第6章结论1.研究了描述原油触变性的各种模型。通过应用各种模型对大庆含蜡原油触变过程的拟合，得出双曲模式是最好地描述此原油触变过程的模型。双曲模式精度高，各参数物理意义明确，利于理解整个触变过程.2.研究了不同启动温度,不同启动剪速,不同降温幅度对触变过程的影响.研究表明:在相同的预剪切速(60s-1)下，启动温度越大，平衡剪切应力越小；启动剪速越大，越小；降温幅度越大，越小。3.研究了T，△T，对k，m的影响。启动温度T对k,m的影响具有不确定性；而随着的增大，k是线性增加的，这是因为剪速越大，对原油结构强度破坏严重，从而使得初始单位时间内的结构裂降速度很大；同时，降温幅度的增大，也会使k值变大，两者之间也满足一定的线性关系。34 中国石油大学（华东）毕业设计（论文）致谢本论文是在恩师的悉心指导下完成的。老师对论文给予了大量的理论指导、也提供了宝贵的经验，从论文的选题到最后的定稿，每一环节都倾注了老师不少的心血。老师严谨的治学态度、缜密的思维方式都使我受益匪浅，这必将有益于我今后的学习和工作，并成为我人生的宝贵财富。在此，谨向老师表示衷心的感谢！34 中国石油大学（华东）毕业设计（论文）参考文献[1]陈国群，张帆，张劲军．含蜡原油触变性与温度关系研究．油气储运，2003，22（12）：28-31．[2]陈宏建，张帆，张劲军．触变性原油再启动压力的计算．油气储运，2004，23（6）：20-22．[3]董平省，张国忠，扈新军．描述含蜡原油触变特性的一种新模式．油气储运，2005，24（2）：29-32．[4]陈国群，张帆等.含蜡原油凝点附近的胶凝特性．油气储运，2004，23（8）：28-31．[5]Sing,P.&Scott,H.Predictionofthewaxcontentoftheincipientwax-oilgelinapipeline．J.Rheology,1999,43(6)．[6]I.Henaut,I.&Vincke,O．WaxCrudeOilRestart：MechanicalPropertiesofGelledoils．SPE56771,1999：1-7.[7]Hsu,J.JC.&Lian,S.T．ValidationofWaxDepositionDepositionModelbyaFieldTest．SPE48867,1998：371-381.[8]RamachandranVenkatesan,etal．DelineatingthePourPointandGelationTemperatureofWaxyCrudeOils．SPE72237：349-352．[9]PeterB.Smithetal．Thepredictionofoilgelationinsubmarinepipelinesandthepressurerequiredforrestartingflow．SPE8071：283-288．[10]侯磊，张劲军.基于粘弹性分析的含蜡原油触变性研究.石油大学学报（自然科学版），2005，29（4）.[11]罗哲鸣，李传宪．原油流变性及测量．东营，石油大学出版社，1994．[12]刚芹果.流体触变性的新解释.力学与实践，2001，23（4）：51[15]R.Thomas．FlowPropertiesofDifficult-To-HandleWaxyCrude34 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