西安石油大學(xué)《原油流變學(xué)》(?？茝?fù)習(xí)資料)

1、1.流變學(xué)(Rheology)是研究物質(zhì)變形與流動(dòng)的科學(xué)。實(shí)際物質(zhì)在外力作用下怎樣變形與流動(dòng)，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(dòng)的性質(zhì))。流變學(xué)就是研究物質(zhì)流變性的科學(xué)。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(dòng)問題。力學(xué)性質(zhì)與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系應(yīng)力或應(yīng)力張量表示應(yīng)變或應(yīng)變速率表示物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)即變形或流動(dòng)。6.流體質(zhì)點(diǎn)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(gè)物理實(shí)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(dòng)。8.流變學(xué)中有三種基本變形：簡(jiǎn)單拉伸、簡(jiǎn)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(duì)

2、一些簡(jiǎn)單的流變性制的描述也可以用曲線形式表示，如剪切應(yīng)力與剪切速率關(guān)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(gè)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(duì)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(shí)，一般可以忽略這種微觀的非均勻性，而認(rèn)為體系為一種均勻或假均勻分散體系。6.對(duì)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(diǎn)。7、 一受力就有流動(dòng)，但剪切應(yīng)力與剪切速率的不成比例，隨著剪切速率的增大，剪切應(yīng)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(dòng)所需要的最小剪切應(yīng)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(yīng)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(luò)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(dòng)：外力克服其屈服值而產(chǎn)生的流動(dòng)。9、 在恒定的剪切應(yīng)力或剪切速率作用下，表觀粘度隨時(shí)間連續(xù)下降，并在剪切應(yīng)力或剪切速率消除后，表觀粘度隨之恢復(fù)的現(xiàn)象，稱為觸變性。10、 反觸變性流體即在恒定的剪切應(yīng)力或剪切速率作用下，流體表觀粘度隨時(shí)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(qiáng)；(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(fù)是等溫可逆的，但結(jié)構(gòu)恢復(fù)往往要比構(gòu)的破壞所需的時(shí)間長(zhǎng)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(yīng)力將隨時(shí)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(yīng)力與剪切速率的變化曲線將是順時(shí)針方向的滯回曲線。如果剪切變形最終不能恢復(fù)至零，則說物質(zhì)產(chǎn)生了流動(dòng)。即使在微小的應(yīng)力作用下，如果物質(zhì)產(chǎn)生了流動(dòng)，則說這種物質(zhì)為流體（流變學(xué)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(fù)發(fā)生，則稱物質(zhì)為非彈性的。對(duì)一種流體來說，如果其變形能部分地恢復(fù)，則稱其為彈性液體。考慮到時(shí)間因素，若固體的變形與恢復(fù)是瞬時(shí)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(fù)比較慢，即有一個(gè)時(shí)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(fù)也需一個(gè)時(shí)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(shí)，由于彈性而要產(chǎn)生一定的變形（有一定的時(shí)間過程），外力消除后，這種變形要完全恢復(fù)（有一定時(shí)間過程）；又由于粘性，其在外力作用下要產(chǎn)生一定的流動(dòng)，其對(duì)應(yīng)的變形是不可恢復(fù)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(dǎo)力：是極性分子的偶極子與其它分子的誘導(dǎo)偶極子之間的引力；色散力：是分子的誘導(dǎo)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(qiáng)烈依賴于因上述力所形成的微觀結(jié)構(gòu)第三章1.流動(dòng)運(yùn)動(dòng)的描述有3個(gè)主要方向：流動(dòng)方向、速度梯度方向、中性方向。2.按形變歷史，流動(dòng)分為：穩(wěn)定流動(dòng)、瞬態(tài)流動(dòng)、動(dòng)態(tài)流動(dòng)3.穩(wěn)態(tài)簡(jiǎn)單剪切流動(dòng)的特點(diǎn)：1)在穩(wěn)態(tài)簡(jiǎn)單剪切流動(dòng)中，液層剛性的平移，其中任意2個(gè)液層微元之間的距離保持不變；2）每個(gè)微元在流動(dòng)中保持體積不變，任意2個(gè)相鄰剪切面之間的距離為常數(shù)；3）對(duì)穩(wěn)態(tài)剪切流動(dòng)，剪切線實(shí)際上是液態(tài)微元運(yùn)動(dòng)的軌跡。理論研究和實(shí)驗(yàn)技術(shù)2個(gè)方面。5.

8、端部效應(yīng)：由于測(cè)量管段進(jìn)出口流線的收縮與擴(kuò)張?jiān)斐深~外壓力損失的現(xiàn)象稱為端部效應(yīng)（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(guān)2、晶體數(shù)目與尺寸有如下關(guān)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(zhǎng)大。3、蠟晶結(jié)構(gòu)的規(guī)則性不僅與蠟的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，而且還與烴鏈的長(zhǎng)度以及是否有其它物質(zhì)的雜質(zhì)存在等有關(guān)。4、膠質(zhì)瀝青質(zhì)對(duì)蠟晶的生成與增長(zhǎng)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(duì)原

9、油流變性的影響有2個(gè)顯著特點(diǎn)：一是原油中的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)一般被認(rèn)為是一種天然的表面活性物質(zhì)，在核實(shí)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(duì)來說是大分子，高級(jí)性的物質(zhì)，他們的大量存在會(huì)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(qiáng)度大的大量細(xì)碎單晶變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)強(qiáng)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(diǎn)、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(diǎn)：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(diǎn)，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(fù)雜的非牛頓流體特性，其根本是由含蠟原油的復(fù)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(qiáng)絮凝結(jié)構(gòu)。在較大的蠟晶濃度下，會(huì)發(fā)展成蠟晶的整個(gè)空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。溫度越低，蠟晶濃度越高，蠟晶絮凝作用越強(qiáng)。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(diǎn)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(cè)量流變儀上顯現(xiàn)不出來，因此可以認(rèn)為原油沒有觸變性。隨溫度的進(jìn)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(diǎn)。研究表明，原油的顯觸點(diǎn)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(xué)改性劑的條件等。14、對(duì)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(yīng)力下進(jìn)行初次剪切，會(huì)得到一條典型的剪切應(yīng)力隨時(shí)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?yàn)檫@些外部因素能對(duì)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(diǎn)被稱為非牛頓含蠟原油的歷史效應(yīng)。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(jī)理:

12、一般觀點(diǎn)是：具有表面活性的極性膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的存在對(duì)蠟晶的析出長(zhǎng)大有以下幾個(gè)方面的作用：對(duì)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(dāng)長(zhǎng)的側(cè)鏈)與石蠟分子結(jié)構(gòu)相似，因而在蠟晶生長(zhǎng)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(zhǎng)大。17、當(dāng)加熱溫度低于最優(yōu)熱處理溫度時(shí)，含蠟原油的低溫流變性惡化的機(jī)理:在加熱溫度較低時(shí)，相對(duì)分子質(zhì)量小的低熔點(diǎn)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(huì)吸附到高熔點(diǎn)的石蠟晶體表面上；當(dāng)冷卻時(shí)，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(huì)造成原油低溫流變性惡化。18、加熱溫度對(duì)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(duì)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(guān)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(bǔ)充：1. 測(cè)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(guó)內(nèi)外利用熱處理原理進(jìn)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(jiǎn)易熱處理輸送工藝3. 反常點(diǎn) 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(yīng)力，應(yīng)變，時(shí)間的方程，有時(shí)還包括其他的一些變量，例如溫度。5. 庫埃特流動(dòng) Couette flow 由于流體的幾何邊界相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的剪切流動(dòng)，有時(shí)也稱為拖流動(dòng)6. 末端效應(yīng) end effect 用毛細(xì)管粘度計(jì)測(cè)定液體粘度要求液體處于完全層流狀態(tài)。但實(shí)際上在毛細(xì)管兩端不滿足此狀態(tài)，對(duì)測(cè)得的粘度會(huì)有一定的影響，這一影響叫做末端效應(yīng)7. 流變曲線 flow curve 聯(lián)系剪切應(yīng)力和剪切速率的曲線8. 凝點(diǎn)

15、 freezing point 在規(guī)定實(shí)驗(yàn)條件下，試管內(nèi)油品開始失去流動(dòng)性的最高溫度，它是衡量油品流動(dòng)性的條件性質(zhì)保9. 膠凝點(diǎn)/失流點(diǎn)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(dòng)性個(gè)臨界溫度10. 宏觀流變學(xué)macrorheology將材料作為連續(xù)介質(zhì)處理的流變學(xué)，并不明確考慮微觀結(jié)構(gòu)，同時(shí)稱為連續(xù)介質(zhì)流變學(xué)和唯象流變學(xué)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(xué)microrheology考慮材料微觀結(jié)構(gòu)的流變學(xué)13. 泊肅葉流動(dòng)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(dòng)。在