软物质力学行为在含蜡原油流变研究中的借鉴

软物质力学行为在含蜡原油流变研究中的借鉴

张浩

国家管网集团东部原油储运有限公司潍坊输油处东营输油站 山东 东营 257000

摘要：1991年，DeGennes等首次提出软物质的概念，用以描述介于理想固体和理想流体两个极端之间模糊地带的物质。软物质具有不同于固体、液体、气体的流变行为，因此被称为第四态物质。当加载应力低于某临界值时，软物质表现出弹性固体行为；高于该临界值时，其能够像液体一样流动，此固液行为转变的临界应力为屈服应力。实验流变学家将具有这种性质的物质称为屈服应力流体，而流体动力学家习惯于称之为黏塑性流体。这种物质涉及范围很广，包括工业领域（石油、化工）、地质领域（泥浆、沉积物）、生物领域（细胞、组织、血液）以及食品领域（番茄酱、冰淇淋）等。对于含蜡原油，温度降低后，原油中溶解的蜡由于过饱和而开始结晶析出，并形成蜡晶小颗粒悬浮于液态原油中，当析出蜡的质量达到原油质量的2％~3％时，蜡晶颗粒相互交联形成网状结构，将液态原油包裹其中，此时原油胶凝，表现出软物质特有的复杂力学行为。

关键词：含蜡原油；软物质；屈服；力学特征；黏弹性；振荡剪切

引言

目前研究蜡沉积的实验装置有冷板法、旋转圆盘法、冷指法等，这些方法都是从静态角度研究石蜡沉积。而油井结蜡是一个动态过程，在流动条件下，蜡晶析出一部分会在管壁沉积、结蜡，而另一部分会随着油流生产至井口。所以，研究油井结蜡规律，需要在动态条件下实验，模拟油井生产过程。虽然环道实验法能够模拟动态条件，但通过不断循环油样来完成，在循环过程中，油的组分因蜡的沉积发生了变化，而且，对于矿化度、含水率等因素，环道实验法难以完成，所以，传统的环道实验法存在一定的局限性。本文研制了动态实验装置，更好地模拟了井筒及管道结蜡过程，准确地评价出现场油井结蜡影响因素。

1软物质力学特征

从自身结构以及受到载荷作用后的力学响应来看，软物质具有以下基本特征：（1）软物质结构柔软且复杂多变，内部微观结构运动规律复杂，其流变规律无法用理想固体的胡克定律或简单流体的牛顿定律进行描述。含蜡原油中的蜡在析蜡点温度以下逐渐结晶析出并形成结构，使得低温下的含蜡原油具有剪切稀化、黏弹性、屈服应力及依时性结构裂降等复杂流变特性。同时，温度、压力以及剪切历史等多种因素均会影响析出蜡晶的形状、聚集状态等，进而影响原油的宏观流变性。（2）软物质在外界载荷作用下，会产生剧烈的非线性响应，这是由于软物质会对外界刺激作用表现出柔韧性的特点，对外界微小作用比较敏感，即“小影响大效果”或“小刺激大效应”。以胶凝含蜡原油为例，对其进行应力阶跃加载。当施加的应力由24Pa提升至25Pa时，虽然应力只增加1Pa，应变却提高了将近7个数量级，此时蜡晶结构发生断裂。可见，胶凝含蜡原油的形变对施加的应力十分敏感，这正是上述“小刺激大效应”的体现。

2实验装置及流程

2.1实验装置及原理

蜡沉积动态实验装置原理为，当含蜡原油在高温下恒速流经低温管道时，由于温度低于析蜡点，溶解在原油中的蜡会结晶析出，并在管壁发生结蜡，随着结蜡厚度的增加，油流面积会逐渐变小，引起流动压差的变化。根据压差的变化，运用达西公式或谢才公式关于长管的水力计算，计算出流体摩阻，从而得出蜡沉积速度，并改变不同影响因素测试结蜡速度的变化，从而分析出蜡沉积影响因素。由于该装置的含蜡油是非循环利用，故避免了环道法组分对蜡沉积的影响。

2.2实验过程

含蜡原油罐储温降过程传热与流动特性数值研究应用数值模拟方法研究含蜡原油罐储温降过程的热流特性，由传统的经验公式法到模型求解，建立的理论模型与实际油罐越来越贴近，数值求解过程则越来越复杂。按照常黏度的假设将原油实际的温降问题简化为稳态传热过程，求解汽油罐内温降过程中的自然对流传热，但由于流体常物性的假设导致了与实际结果存在一定差距。在考虑了所有罐壁（侧壁、顶部和底部）环境的热损失情况下，利用有限体积的方法，对自然对流作用下储罐内的速度场和温度场进行了数值分析和实验研究，模拟了40个不同长宽比、5种绝热厚度和两种不同体积的冷却工况，得到了40个例子Nusselt数的两个相关式。应用有限容积法，在层流条件下研究了垂直圆柱内静止流体在壁面热损失作用下的瞬态冷却问题，并进行了无量纲分析，得出了Nusselt数与瞬态平均流体温度之间的关系。在考虑大气温度、太阳辐射强度等影响浮顶罐温度场的因素前提下，做出相关假设，建立了大型浮顶罐温度场二维模型，通过将现场数据与模型计算结果对比发现吻合良好，并开发了SIMPLE算法。等建立双层浮顶油罐含蜡原油温降过程的物理模型和数学模型，以幂律方程描述原油非牛顿行为，用焓-多孔介质理论描述了蜡沉淀，分析了蜡沉淀量和非牛顿行为对罐内温降过程的影响。

2.3大振幅振荡剪切测试

上述流变测试的加载模式与软物质的一些实际应用条件类似，蠕变实验过程中与含蜡原油管道停输再启动过程中凝油结构的演变规律有一定相似性。振荡剪切流场下的测试包括小振幅振荡剪切（SmallAmplitudeOscillatoryShear，SAOS）、中振幅振荡剪切（MediumAmplitudeOscillatoryShear，MAOS）以及大振幅振荡剪切（LargeAmplitudeOscillatoryShear，LAOS）测试，振荡剪切已被广泛应用于表征软物质材料表观流变性质与微结构性质等。只有当输入振幅在线性黏弹性区间以内时，SAOS理论才有效。而在软物质屈服转变的力学研究范畴，软物质材料的应变变化超出线性黏弹性区间，不能采用小应变振幅下的SAOS理论描述，即为大振幅剪切状况。

3结论

根据蜡沉积的特点，研发了动态实验装置，并通过装置进行了蜡沉积动态评价实验，结果发现：①结蜡速度随流量、含水率、气油比、矿化度的增加而降低；②结蜡速度随地层微粒的增加而增加；③压力对结蜡速度影响不单一，在露点压力之下，压力增加沉积速度减小，在露点压力之上压力增加沉积速度增加；④流体pH值对沉积速度基本没影响，在生产和施工中可不必考虑。

结束语

对于原油这种复杂体系，沥青质是其中的重要组分，其存在状态、结构特征以及聚集析出特性，都能够影响原油的结晶胶凝过程。目前，沥青质的研究还存在以下问题：在原油开采阶段，沥青质沉积机理非常复杂，涉及多相流动、传热和传质等问题，很多难以用模型准确表示，并且大多模型是建立在较多的推测和假设基础上，与实际情况存在偏差。在原油的管道输送过程中，蜡沉积问题已进行了不少研究，但是，目前对沥青质和蜡沉积的研究还没有有机地结合起来。如何将沥青质引入到蜡沉积过程中，研究沥青质作用下的蜡沉积物理过程，明确沥青质对蜡沉积的影响，还需要开展很多工作。

参考文献

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