冷家稠油黏溫特性及流變特性實驗研究

韓繼勇，侯云翌，鄭維師

(1．西安石油大學全國石油和化工行業致密油氣藏復雜結構井鉆采技術重點實驗室，陜西西安 710065;2．川慶鉆探鉆采工程技術研究院，陜西 西安 710021)

稠油的流變性對其在多孔介質內的滲流過程有很大影響，油井的產量、油藏的采收率以及其他油田開發指標與稠油的流變性有直接關系。采油工藝中井筒內流動阻力的計算和稠油管輸工藝中加熱站的設計、管輸壓降的計算都與稠油的黏溫特性及流變性有密切關系［1－3］。本文對遼河油田冷家稠油進行流變性測量，對其特征進行分析，為遼河油田稠油的生產提供實驗依據。

室內實驗使用HAAKE公司的RV30旋轉黏度計測量得到的稠油黏溫曲線如圖1所示。其中，18，25，60，100，18 s－1的全黏溫曲線未標出，其規律與10 s－1的全黏溫曲線相似，部分重合。

1 黏溫特性

遼河油田冷家稠油的基本物性參數見表1。

表1 原油樣品的基礎參數Tab．1 Basic parameters of crude oil sam ples

圖1 全黏溫曲線Fig．1 Temperature viscosity curve

由圖1可知，稠油黏度對溫度有很強的敏感性，隨著溫度升高，稠油黏度顯著降低。這是由于稠油黏度與其內聚力有密切關系。原油含膠質、瀝青質越多，內聚力越大，稠油黏度越高。而在加溫過程中，粒子的布朗運動加劇，使稠油內部結構變得松散，原油內聚力降低，黏度也就減小［3］。

對所測得的黏溫數據進行回歸分析，發現稠油的黏度與溫度的關系近似符合 Arrhenius方程［4］

式中:η為表觀黏度，mPa·s;A為常數;E為活化能，J/mol;R為普適氣體常數;T為熱力學溫度，K;B=E/R。

在不同剪切速率下，對黏溫曲線進行回歸，得到相應的系數A和B(見表2及圖2)。

圖2 系數A，B與剪切速率之間的關系曲線圖Fig．2 Relatian curve of coefficient A，B and shear rate

對圖2所示的關系曲線進行擬合，得到關系式

從全黏溫曲線圖1可以看出，稠油的黏度不是溫度的單一函數，還與剪切速率有關。因此，存在η=f(T，γ)形式的二元函數關系式。

將式(2)、式(3)代入式(1)得

至此，建立了稠油黏度與溫度及剪切速率的二元函數模型，為稠油的黏度計算提供了依據。

網絡溝通由于在溝通同步性上的區別，又被劃分為同步溝通和異步溝通。同步溝通(Synchronous Communication) 是指互動信息的發送和接受是在同一時間段進行的，互動雙方同時在線，一方所做的動作可以被另一方實時觀察及感知。異步溝通(Asynchronous Communication) 則是信息的發送與接收在時間點上錯開，互動雙方所進行的操作在時間上有一定的滯后性。兩者的差別在于互動是否同時，也就是時間維度的差別。[1]

表2 擬合系數數據表Tab．2 Data of fitted coefficients

2 流變特性

2.1 剪切應力與剪切速率的關系

在不同溫度下對遼河油田冷家稠油進行流變測試，得到了如圖3所示的剪切應力(τ)與剪切速率(γ)之間的關系曲線。由圖3可以看出，隨著溫度增加，曲線斜率減小。

對上述曲線進行擬合，可以得到如表3所示的關系式。

圖3 剪切應力與剪切速率之間的關系曲線圖Fig．3 Relatian curve between shear stress and shear rate

表3 不同溫度下的本構關系式Tab．3 Constitutive equations of different temperatures

從表3所示的本構關系式可以看出，存在著一個臨界溫度Tc。當溫度T＞Tc時，稠油流變行為表現出牛頓流體流變的特性;當溫度T＜Tc時，稠油流變行為表現為賓漢型非牛頓流體的流變特性，此時，本構方程可表示為［5－7］

式中:τ為剪切應力，Pa;τ0為屈服應力值，Pa;η為黏度，Pa·s;γ 為剪切速率，s－1。

溫度高于臨界溫度Tc時，稠油表現為牛頓流體的流變行為，可用下式表示其流變模式［8］:

流變曲線圖3表明，隨著溫度升高，曲線斜率減小，說明稠油黏度隨著溫度升高而降低。

2.2 屈服應力值與溫度的關系

對表3中不同溫度下的本構關系式進行分析，并與賓漢型流體的本構方程進行比較，可以得到遼河油田冷家稠油在不同溫度下的屈服應力值(見表4)。

表4 不同溫度下的屈服應力值Tab．4 Yield stresses of olifferent tem peratures

從表4可以看出，在測試過程中，當溫度達到80℃時，屈服應力值就變為零，因此可以認為，臨界溫度介于70℃ ～80℃。作出溫度從40℃上升到70℃過程中，溫度與屈服應力值之間的關系曲線，結果如圖4所示。

圖4 溫度與屈服應力值之間的關系曲線圖Tab．4 Relation curve of temperature and yield stress

從圖4可以看出，屈服應力值隨著溫度的升高而線性遞減。對圖4中的曲線進行線性回歸，可以得到公式

在式(7)中，令 τ0=0，則有 T=72.51℃，由此可得到臨界溫度Tc=72.51℃。

2．3 表觀黏度與剪切速率的關系

在不同溫度下，對遼河油田冷家稠油進行流變測試的過程中，得到了如圖5所示的黏度與剪切速率之間的關系曲線。

圖5 黏度與剪切速率之間的關系曲線圖Fig．5 Relation curve of viscosity and shear rate

從圖5可以看出，遼河油田冷家稠油具有剪切變稀的特性，即隨著剪切速率的增加，黏度降低。在非常低的剪切速率范圍內黏度下降最快，在高剪切速率情況下，黏度近似于不變。當溫度高于臨界溫度點時，黏度不再隨剪切速率變化而變化，呈現出牛頓流體的流動狀態;隨著溫度的降低，剪切變稀的特性逐漸增強。由此可見，從遼河油田冷家稠油流變性角度來說，在開采稠油時，保持一定的開采速度也是十分必要的［10］。

3 結論

1)稠油黏度是溫度、剪切速率的二元函數。隨著溫度升高，剪切速率增大，黏度降低。

2)當溫度T＞臨界溫度(Tc=72.51℃)時，稠油表現為牛頓流體的流變特性;當溫度T＜Tc時，稠油表現為賓漢型非牛頓流體的流變特性。

3)溫度從40℃上升到70℃過程中，屈服應力值隨著溫度的升高而呈線性遞減，當溫度達到Tc時，屈服應力值就變為零。

4)在非常低的剪切速率范圍內黏度下降最快，在高剪切速率情況下，黏度近似于不變。

［1］ 俞高明．超特稠油流變性綜合研究［J］．河南石油，2004，18(3):40-43．

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