原油流變學(xué).第五章原油流變性的評價及測定

評價及測定原油流變性本章探討了評價和測量原油流變性的各種方法。從原油性質(zhì)的角度出發(fā),介紹了無數(shù)種檢測流變性的實驗手段,以確保原油在輸送、儲存及加工過程中的流動特性。byJerryTurnersnull原油流變性的重要性1生產(chǎn)效率原油流變性直接影響著采油、輸送和儲運的效率，合理把控流變性有助于降低生產(chǎn)成本。2工藝優(yōu)化深入了解原油流變性有助于選擇合適的開采和加工工藝，提高操作可控性和安全性。3產(chǎn)品品質(zhì)原油流變性關(guān)系到最終成品的穩(wěn)定性和使用性能，評價和調(diào)控流變性是確保產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。5.2原油流變性的影響因素溫度—溫度是最重要的影響因素之一，溫度升高會降低原油的粘度和剪切應(yīng)力。壓力—壓力的增加會導(dǎo)致原油分子間相互作用加強，粘度和剪切應(yīng)力上升。剪切速率—剪切速率升高會破壞原油內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu),導(dǎo)致粘度降低。原油組成—原油中烴類、瀝青質(zhì)、樹脂等組分含量和種類的差異會影響其流變性。溫度對原油流變性的影響1溫度升高溫度升高會降低原油粘度,提高流動性。溫度越高,原油分子間的熱運動加劇,從而降低分子間作用力,使原油更容易流動。2溫度降低溫度降低會增加原油粘度,降低流動性。溫度越低,原油分子間的相互作用力加強,形成更穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu),導(dǎo)致流動阻力增大。3相變溫度當(dāng)溫度降低到某一臨界值時,原油中的蠟類化合物會發(fā)生相變,從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài),顯著增加原油的粘度和流動阻力。壓力對原油流變性的影響1壓力增加隨著壓力的增加,原油分子間的相互作用變得更加密集。這會使原油的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更加緊密和有序。2流動性降低壓力增加會導(dǎo)致原油的粘度上升,流動性降低。這會使原油在管道中的流動阻力增大,產(chǎn)生更多壓降。3相變影響高壓會促進原油中重質(zhì)組分的沉淀和析出,進一步增加原油的粘度和阻力。這可能會導(dǎo)致管線堵塞等問題。剪切速率1流體剪切當(dāng)流體受到外力作用時,其內(nèi)部各層之間會產(chǎn)生相對運動,這種相對運動就是剪切變形。剪切速率就是衡量流體剪切變形速度的指標(biāo)。2影響因素剪切速率受到多種因素的影響,如流體的特性、流動方式以及流速等。不同的應(yīng)用場景下,剪切速率的范圍也有所不同。3測量方法常用的測量剪切速率的方法包括毛細(xì)管粘度計法、旋轉(zhuǎn)粘度計法以及流動曲線法等,通過測量流體在不同剪切條件下的流變特性來確定剪切速率。原油組成1碳?xì)浠衔镌椭饕商細(xì)浠衔锝M成,包括烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴等不同類型的化合物。這些化合物比例的不同決定了原油的性質(zhì)和用途。2雜質(zhì)成分原油中還含有少量的硫、氮、氧等雜質(zhì)元素,以及少量的金屬元素如釩、鎳等。這些雜質(zhì)成分會對原油的性質(zhì)和加工過程產(chǎn)生影響。3高分子化合物部分原油中還含有一些高分子化合物,如瀝青質(zhì)和樹脂質(zhì),這些化合物對原油的流變性和穩(wěn)定性有重要影響。5.3原油流變性的測定方法毛細(xì)管粘度計法：通過分析原油在毛細(xì)管內(nèi)流動的阻力,精確測量溫度和壓力下的原油粘度?？商峁┰敿?xì)的流變學(xué)參數(shù)。旋轉(zhuǎn)粘度計法：利用原油在剪切力作用下的流動特性,獲取溫度、剪切速率等條件下的流變曲線。操作簡單,適用于工業(yè)應(yīng)用。流動曲線法：分析原油在各種剪切條件下的流動行為,繪制流動曲線?？缮钊胩骄吭偷姆桥ｎD流變特性。濾餅壓縮法：測定原油滲濾時的壓縮-體積-時間關(guān)系,反映其流變特性和層析性質(zhì)。適用于高黏稠原油和含固體顆粒的重質(zhì)油。5.3.1毛細(xì)管粘度計法利用毛細(xì)管的原理測量流體的流動阻力,從而得到流體的粘度數(shù)據(jù)。該方法可以廣泛適用于各種牛頓流體和非牛頓流體的粘度測定。通過測量流體在指定溫度和壓力下通過標(biāo)準(zhǔn)毛細(xì)管所需的壓降和流量,即可計算出流體的動力學(xué)粘度。5.3.2旋轉(zhuǎn)粘度計法旋轉(zhuǎn)粘度計是一種常用的測定原油流變性的儀器。它通過測量原油在設(shè)定轉(zhuǎn)速下的扭矩來計算粘度。這種方法可以模擬實際使用條件下的剪切應(yīng)力和剪切變形，從而更準(zhǔn)確地反映原油的流變特性。采用旋轉(zhuǎn)粘度計測定原油流變性時,需要考慮溫度、壓力、剪切速率等因素的影響。通過對不同條件下的測試數(shù)據(jù)進行分析,可以得到原油的流變曲線,為流變性評價提供依據(jù)。5.3.3流動曲線法流動曲線法是一種常用的原油流變性測定方法。通過測量不同剪切速率下原油的剪切應(yīng)力值,可以繪制出原油的流動曲線。流動曲線可以反映原油的非牛頓流體特性,從而評價其流變性。此方法操作簡單,但需要專業(yè)儀器設(shè)備,對于高粘度原油測量也較為困難。5.3.4濾餅壓縮法濾餅壓縮法是一種評估原油流變性的重要測試方法。該方法通過對原油樣品進行過濾和壓縮,測量濾餅的體積變化和壓力變化,從而得到原油的流動特性和壓縮特性。該方法模擬了原油在管線輸送和儲存過程中的流動行為,可以全面反映溫度、壓力等因素對原油流變性的影響。通過濾餅壓縮試驗,可以測定原油的塑性、壓縮系數(shù)、透滲率等參數(shù),為優(yōu)化原油輸送和儲存設(shè)計提供重要依據(jù)。原油流變性的評價指標(biāo)粘度：衡量原油內(nèi)部流動阻力的重要參數(shù)，可以反映原油的流動特性。剪切應(yīng)力：原油在受到剪切力作用時產(chǎn)生的抗剪應(yīng)力，反映了其抗剪能力。流動曲線：描述原油在不同剪切速率下的流變特性，可以分析其非牛頓流體特性。濾餅壓縮特性：反映了原油受壓過程中的變形和脫水行為，可以預(yù)測管線運輸時的壓降。5.4.1粘度粘度是衡量原油流動性的重要指標(biāo)之一。它反映了原油分子間的內(nèi)部摩擦力大小，影響著原油的流動性能。原油粘度隨溫度升高而降低，隨壓力升高而增加。通過精確測量原油的粘度，可以更好地預(yù)測和控制其在輸送和儲存過程中的流變行為。5.4.2剪切應(yīng)力剪切應(yīng)力是原油流動過程中的關(guān)鍵參數(shù)之一。它反映了原油在流動時所受的內(nèi)部摩擦力大小。剪切應(yīng)力越高，則原油流動性越差，需要更大的驅(qū)動力。5.4.3流動曲線流動曲線是描述原油流變性的重要指標(biāo)。它反映了原油在不同剪切條件下的應(yīng)力-變形關(guān)系。通過分析曲線的形狀和斜率變化,可以了解原油的流變特性,如粘塑性、剪切變稀等行為。流動曲線還可以幫助預(yù)測原油在管道輸送、儲存等過程中的流動阻力和能量消耗。繪制流動曲線的常用方法包括毛細(xì)管粘度計法和旋轉(zhuǎn)粘度計法。這兩種方法分別適用于低剪切速率和高剪切速率條件下的原油評價。通過儀器測試和數(shù)據(jù)分析,可以得到原油的剪切應(yīng)力、剪切速率、粘度等關(guān)鍵參數(shù),為原油工藝優(yōu)化和管理提供重要依據(jù)。5.4.4濾餅壓縮特性濾餅壓縮特性是衡量原油流變性的重要指標(biāo)之一。濾餅壓縮試驗可以測定原油在一定壓力下的壓縮變形特性,反映了原油在濾清過程中的流動阻力。通過測定濾餅厚度與壓力的關(guān)系,可以評估原油在管道輸送和儲存過程中的流動性能。5.5原油流變性的影響機理分子間相互作用：原油中不同組分分子之間產(chǎn)生的范德華力、氫鍵、偶極-偶極相互作用等影響流變性。微觀結(jié)構(gòu)變化：隨溫度和剪切變化,原油中瀝青質(zhì)、蠟質(zhì)等聚集體的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,從而影響流變性。相變和相分離：原油中蠟質(zhì)、瀝青質(zhì)等隨溫度變化而發(fā)生熔融、析出等相變和相分離過程,引起流變性的變化。5.5.1分子間相互作用原油分子之間存在復(fù)雜的相互作用,是導(dǎo)致其流變性的關(guān)鍵因素之一。這些分子間相互作用主要包括范德華力、靜電力、氫鍵等,它們共同影響著原油的流動性能。不同類型的原油分子,如烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴等,其分子間相互作用強度存在差異。這些差異也是造成不同原油流變特性的主要原因。微觀結(jié)構(gòu)變化原油流變性的變化過程與原油組成中各組分的微觀結(jié)構(gòu)變化密切相關(guān)。在溫度、壓力等外界條件變化時，原油中的蠟類、瀝青質(zhì)等大分子組分會發(fā)生聚集、絮凝、沉淀等變化，從而影響流動性能。此外，原油中的膠質(zhì)和樹脂等表面活性物質(zhì)也會導(dǎo)致微乳或微凝膠的形成，進而改變流變特性。5.5.3相變和相分離原油中存在著復(fù)雜的相變和相分離過程。當(dāng)溫度或壓力發(fā)生變化時,可能會導(dǎo)致一些組分從液相析出,形成固體相或氣相。這種相變和相分離會顯著影響原油的流變性。例如,在低溫條件下,蠟狀物質(zhì)可能會析出,使原油粘度急劇上升;而高溫條件下,某些輕質(zhì)組分可能會氣化,也會改變原油的流動特性。5.6原油流變性的調(diào)控方法添加流變改善劑通過添加聚合物、表面活性劑等可以改善原油的流變性能,降低粘度和提高流動性。調(diào)節(jié)溫度和壓力合理控制溫度和壓力條件可以明顯改善原油的流變特性,提高其流動性。優(yōu)化原油組成通過調(diào)整原油中烴類組分、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的比例,可以優(yōu)化其流變性能。添加流變改善劑流變改善劑可以改善原油的粘度特性,降低流動阻力。常用的流變改善劑包括溶劑型添加劑、聚合物型添加劑和中空微球型添加劑等。合理選用流變改善劑可以提高原油的流動性、減少輸送過程中的能耗和延長設(shè)備使用壽命。調(diào)節(jié)溫度和壓力通過調(diào)節(jié)油品的溫度和壓力,可以有效改善其流變特性。提高溫度可以降低原油粘度,增強流動性。增加壓力則可抑制相變和氣泡析出,改善原油的流變性。這些措施有助于維持油品的流動性,確保輸送順暢。配合使用流變改善劑,可進一步優(yōu)化原油的流變特性。優(yōu)化原油組成通過調(diào)節(jié)原油中不同組分的比例,可以改善原油的流變性能。這包括調(diào)整飽和烴、芳香烴、樹脂和瀝青質(zhì)的含量,以及優(yōu)化酸堿性物質(zhì)、金屬離子等的濃度。合理調(diào)配這些關(guān)鍵組分,可以顯著提升原油的流動性和泵送性,從而降低輸送和儲存過程中的能耗。5.7原油流變性研究的發(fā)展趨勢近年來,原油流變性研究呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢:1.更加關(guān)注原油組成對流變性的影響,深入探究分子結(jié)構(gòu)與流變特性的關(guān)系。2.采用先進的微觀分析技術(shù),如納米光學(xué)成像和小角X射線散射等,揭示原油微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。3.結(jié)合