西安石油大學《原油流變學》(?？茝土曎Y料)

1、1.流變學(Rheology)是研究物質(zhì)變形與流動的科學。實際物質(zhì)在外力作用下怎樣變形與流動，這是物質(zhì)本身固有的性質(zhì)，可以稱其為物質(zhì)的流變性(即物質(zhì)在外力作用下變形與流動的性質(zhì))。流變學就是研究物質(zhì)流變性的科學。純彈性固體和牛頓流體狀態(tài)之間所有物質(zhì)的變形與流動問題。力學性質(zhì)與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的關系應力或應力張量表示應變或應變速率表示物質(zhì)的運動狀態(tài)即變形或流動。6.流體質(zhì)點就是流體中宏觀尺寸非常小而微觀尺寸又足夠大的任意一個物理實體。7.物質(zhì)狀態(tài)的變化稱為變形，而物質(zhì)連續(xù)無限地變形就是流動。8.流變學中有三種基本變形：簡單拉伸、簡單剪切和體積壓縮與膨脹本構(gòu)方程，亦稱為流變狀態(tài)方程和流變方程10.對

2、一些簡單的流變性制的描述也可以用曲線形式表示，如剪切應力與剪切速率關系曲線，粘度隨剪切速率變化曲線等，并稱之為流變曲線。第二章1.散體系是指將物質(zhì)(固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài))分裂成或大或小的粒子，并將其分布在某種介質(zhì)(固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài))之中所形成的體系。均勻的也可以是非均勻的系統(tǒng)。均勻分散體系是由一相所組成的單相體系，而非均勻分散體系是指由兩相或兩相以上所組成的多相體系。2個條件：在體系內(nèi)各單位空間所含物質(zhì)的性質(zhì)不同；存在著分界的物理界面。4. 對非均勻分散體系，被分散的一相稱為分散相或內(nèi)相，把分散相分散于其中的一相稱為分散介質(zhì)，亦稱外相或連續(xù)相。5.盡管非牛頓流體在微觀上往往是非均勻的多相分散體系，

3、或非均勻的多相混合流體，但在用連續(xù)介質(zhì)理論或宏觀方法研究其流變性問題時，一般可以忽略這種微觀的非均勻性，而認為體系為一種均勻或假均勻分散體系。6.對非牛頓流體，沒有恒定的粘度概念，不同的剪切速率下有不同的表觀粘度，這是非牛頓流體的一大特點。7、 一受力就有流動，但剪切應力與剪切速率的不成比例，隨著剪切速率的增大，剪切應力的增加速率越來越大，即隨著剪切速率的增大，流體的表觀粘度增大，這種特性被稱為剪切增稠性（shear thickening）。因此，膨腫性流體具有剪切增稠性。隨著剪切速率的增加，表觀粘度是減小的因此，常說假塑性流體具有剪切稀釋性。8、 B是使體系產(chǎn)生流動所需要的最小剪切應力，即使

4、流體產(chǎn)生大于0的剪切速率所需的最小剪切應力，稱之為屈服值。屈服值的大小是體系所形成的空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的性質(zhì)所決定的。塑性流體：凡是具有屈服值的流體塑性流動：外力克服其屈服值而產(chǎn)生的流動。9、 在恒定的剪切應力或剪切速率作用下，表觀粘度隨時間連續(xù)下降，并在剪切應力或剪切速率消除后，表觀粘度隨之恢復的現(xiàn)象，稱為觸變性。10、 反觸變性流體即在恒定的剪切應力或剪切速率作用下，流體表觀粘度隨時間而增加二、觸變性特征：(1)在靜止條件下，流體結(jié)構(gòu)發(fā)展增強；(2)在剪切作用下，這種結(jié)構(gòu)能夠被破壞；(3)結(jié)構(gòu)的破壞和恢復是等溫可逆的，但結(jié)構(gòu)恢復往往要比構(gòu)的破壞所需的時間長得多；(4)在恒剪切速率作用下，流體流變

5、性有如下表現(xiàn)： b)如果流體以前經(jīng)受較高的剪切速率剪切，那么，剪切應力將隨時間而增加(6) 在剪切速率連續(xù)增加而后又連續(xù)減小的循環(huán)程序下，剪切應力與剪切速率的變化曲線將是順時針方向的滯回曲線。如果剪切變形最終不能恢復至零，則說物質(zhì)產(chǎn)生了流動。即使在微小的應力作用下，如果物質(zhì)產(chǎn)生了流動，則說這種物質(zhì)為流體（流變學中一般不考慮氣體），否則，物質(zhì)為固體。如果物質(zhì)沒有變形的恢復發(fā)生，則稱物質(zhì)為非彈性的。對一種流體來說，如果其變形能部分地恢復，則稱其為彈性液體?？紤]到時間因素，若固體的變形與恢復是瞬時發(fā)生的，則這種物質(zhì)具有理想彈性；否則，固體的變形與恢復比較慢，即有一個時間過程，則這種固體稱為彈粘性固體

6、。彈性液體，也稱為粘彈性流體，其變形和恢復也需一個時間過程。粘彈性流體是一類既有粘性又有彈性的液體，其受外力作用時，由于彈性而要產(chǎn)生一定的變形（有一定的時間過程），外力消除后，這種變形要完全恢復（有一定時間過程）；又由于粘性，其在外力作用下要產(chǎn)生一定的流動，其對應的變形是不可恢復的。一、元件模型1.彈性元件用彈簧表示彈性元件。粘性元件用粘壺表示。2.按照分散相顆粒的大小，可以把液體類的分散體系分為如下幾類：高粒度懸浮液，粒子直徑大于10m；懸浮液，粒子直徑為10m；溶膠，粒子直徑為1001nm；真溶液，分子狀態(tài)分散。二、作用在分散相顆粒上的力 (1)膠體源力靜電力：是極性分子的偶極子之間的引力

7、；誘導力：是極性分子的偶極子與其它分子的誘導偶極子之間的引力；色散力：是分子的誘導偶極子之間的引力。 (2) 靜電排斥力 (3)大分子空間斥力很顯然，懸浮體系的宏觀流變性質(zhì)強烈依賴于因上述力所形成的微觀結(jié)構(gòu)第三章1.流動運動的描述有3個主要方向：流動方向、速度梯度方向、中性方向。2.按形變歷史，流動分為：穩(wěn)定流動、瞬態(tài)流動、動態(tài)流動3.穩(wěn)態(tài)簡單剪切流動的特點：1)在穩(wěn)態(tài)簡單剪切流動中，液層剛性的平移，其中任意2個液層微元之間的距離保持不變；2）每個微元在流動中保持體積不變，任意2個相鄰剪切面之間的距離為常數(shù)；3）對穩(wěn)態(tài)剪切流動，剪切線實際上是液態(tài)微元運動的軌跡。理論研究和實驗技術2個方面。5.

8、端部效應：由于測量管段進出口流線的收縮與擴張造成額外壓力損失的現(xiàn)象稱為端部效應（管式流變儀）第四章1、蠟在原油中的狀態(tài)與溫度、原油的成分、溶解氣的含量、壓力等條件有關2、晶體數(shù)目與尺寸有如下關系：在給定條件下形成結(jié)晶中心越多，形成的晶體也越多，但晶體的尺寸越小。在結(jié)晶過程中，溶解的石蠟濃度下降既可以是由于形成了新的晶核，也可以是既有晶體的長大。3、蠟晶結(jié)構(gòu)的規(guī)則性不僅與蠟的化學性質(zhì)有關，而且還與烴鏈的長度以及是否有其它物質(zhì)的雜質(zhì)存在等有關。4、膠質(zhì)瀝青質(zhì)對蠟晶的生成與增長有如下影響：抑制石蠟晶核的生成；首先自身結(jié)晶形成晶核；共晶與吸附；增大內(nèi)相顆粒與周圍分散介質(zhì)的表面張力。5、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)對原

9、油流變性的影響有2個顯著特點：一是原油中的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)一般被認為是一種天然的表面活性物質(zhì)，在核實的田間下，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的活潑能夠改善原油中蠟晶的結(jié)構(gòu)形態(tài)，從而改善原油流變性；二是由于膠質(zhì)、瀝青質(zhì)在原油中相對來說是大分子，高級性的物質(zhì)，他們的大量存在會增大原油的粘稠程度。6、改善高凝油流變性的最有前途的方法是改變石蠟的晶體結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)強度大的大量細碎單晶變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)強度小得多的少量樹枝狀或球粒狀的粗大晶體，從而使原油的流變性得到改善（降低凝點、屈服值和粘度）11、 含蠟原油的流變性類型：牛頓流體類型，假塑性流體，屈服-假塑性流體12、 反常點：T反是原油有由流體特性到非牛頓流體特性的溫度轉(zhuǎn)變點，是原

10、油呈現(xiàn)牛頓流體特性的最低溫度。9、含蠟原油表現(xiàn)出復雜的非牛頓流體特性，其根本是由含蠟原油的復雜膠體結(jié)構(gòu)特性決定的。10、原油中蠟晶的形狀和尺寸受原油粘度、溫度和冷卻速度的影響，一般原油粘度越高、溫度越低、冷卻速度越大，所生成的蠟晶尺寸越小、蠟晶數(shù)目越多。11、含蠟原油的蠟晶絮凝結(jié)構(gòu)一般是一種強絮凝結(jié)構(gòu)。在較大的蠟晶濃度下，會發(fā)展成蠟晶的整個空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。溫度越低，蠟晶濃度越高，蠟晶絮凝作用越強。12、懸浮液絮凝系統(tǒng)分為：絮凝系統(tǒng)；絮凝系統(tǒng)13、一般在反常點附近的非牛頓流體溫度下，由于原油的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較弱，其觸變性在測量流變儀上顯現(xiàn)不出來，因此可以認為原油沒有觸變性。隨溫度的進一步降低，原油開始明

11、顯顯現(xiàn)出觸變性，這一溫度稱之為原油的顯觸點。研究表明，原油的顯觸點取決于原油的組成、原油所經(jīng)歷的熱歷史、剪切歷史，以及原油添加化學改性劑的條件等。14、對經(jīng)歷一定歷史條件，并在一定的低溫靜置條件下形成膠凝結(jié)構(gòu)的含蠟原油，在恒定的剪切應力下進行初次剪切，會得到一條典型的剪切應力隨時間的衰減曲線，稱之為初次裂降曲線15、大量研究表明：含蠟原油的非牛頓流變性還依賴于原油所經(jīng)歷的各種歷史，如：熱歷史、冷卻速度大小、剪切歷史、老化等，因為這些外部因素能對含蠟原油的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特別是蠟晶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響，所以這一特點被稱為非牛頓含蠟原油的歷史效應。16、在最優(yōu)加熱溫度下，含蠟原油低溫流變性得到改善的機理:

12、一般觀點是：具有表面活性的極性膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的存在對蠟晶的析出長大有以下幾個方面的作用：對晶核生成的抑制作用，從而使生成的蠟晶數(shù)目少，但體積大；膠質(zhì)的非極性部分(相當長的側(cè)鏈)與石蠟分子結(jié)構(gòu)相似，因而在蠟晶生長過程中與之共晶；極性部分則吸附在蠟晶表面，從而阻礙新析出的蠟在蠟晶表面按既定方式絮凝長大。17、當加熱溫度低于最優(yōu)熱處理溫度時，含蠟原油的低溫流變性惡化的機理:在加熱溫度較低時，相對分子質(zhì)量小的低熔點石蠟在原油中溶解，而從溶解的蠟晶上脫離出來的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)則會吸附到高熔點的石蠟晶體表面上；當冷卻時，已溶解的石蠟重新結(jié)晶，但在重新結(jié)晶過程中缺少具有活性的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)共晶和吸附作用，這部分蠟晶

13、的結(jié)構(gòu)則不能得到改善，因而造成原油的低溫流變性惡化。另外，即使加熱溫度升高到使蠟晶完全溶解的溫度，但可能還不足以使膠質(zhì)、瀝青質(zhì)分子的活性充分激發(fā)，因此在冷卻過程中，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)難以有效改善蠟晶結(jié)構(gòu)，仍會造成原油低溫流變性惡化。18、加熱溫度對含蠟原油低溫流變性的影響與原油中蠟的分子組成、含量，液態(tài)油對蠟的溶解能力，以及膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的含量、活性大小等有較大的關系。19、剪切歷史是指含蠟原油在特定流變性表現(xiàn)以前所經(jīng)受的各種剪切經(jīng)歷。補充：1. 測定屈服值的方法：直接法，間接法（曲線外延法，方程回歸法）2. 國內(nèi)外利用熱處理原理進行含蠟原油管道輸送的所謂熱處理輸送工藝可分為2類：一、完整熱處理輸送工

14、藝；二、簡易熱處理輸送工藝3. 反常點 abnormal point：原油呈現(xiàn)牛頓流體的最低溫度4. 本構(gòu)方程 constitutive equation ：同狀態(tài)方程，流變方程，一種聯(lián)系應力，應變，時間的方程，有時還包括其他的一些變量，例如溫度。5. 庫埃特流動 Couette flow 由于流體的幾何邊界相對運動而產(chǎn)生的剪切流動，有時也稱為拖流動6. 末端效應 end effect 用毛細管粘度計測定液體粘度要求液體處于完全層流狀態(tài)。但實際上在毛細管兩端不滿足此狀態(tài)，對測得的粘度會有一定的影響，這一影響叫做末端效應7. 流變曲線 flow curve 聯(lián)系剪切應力和剪切速率的曲線8. 凝點

15、 freezing point 在規(guī)定實驗條件下，試管內(nèi)油品開始失去流動性的最高溫度，它是衡量油品流動性的條件性質(zhì)保9. 膠凝點/失流點get point of crude oil原油由溶膠狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟z狀態(tài)而失去流動性個臨界溫度10. 宏觀流變學macrorheology將材料作為連續(xù)介質(zhì)處理的流變學，并不明確考慮微觀結(jié)構(gòu)，同時稱為連續(xù)介質(zhì)流變學和唯象流變學11. 麥克斯韋模型Maxwell model虎克固體模型與牛頓流體模型的串聯(lián)12. 微觀流變學microrheology考慮材料微觀結(jié)構(gòu)的流變學13. 泊肅葉流動Poiseuille flow在恒定壓力梯度之下牛頓流體在圓形截面管道中的流層14. 假塑性流pseudoplastic flow一種非牛頓流動。在