基于勻變速剪切對含蠟原油觸變性的研究

韓洪升，李勇生，管慶安，陳 欣

（ 1. 東北石油大學 石油工程學院，黑龍江 大慶 163318； 2. 勝利油田高原石油裝備有限責任公司，山東 東營 257091; 3. 中國石油天然氣管道局第四工程分公司，河北 廊坊 065000）

基于勻變速剪切對含蠟原油觸變性的研究

韓洪升1，李勇生1，管慶安2，陳 欣3

（ 1. 東北石油大學 石油工程學院，黑龍江 大慶 163318； 2. 勝利油田高原石油裝備有限責任公司，山東 東營 257091; 3. 中國石油天然氣管道局第四工程分公司，河北 廊坊 065000）

含蠟原油的膠凝問題是管道運輸過程中一個重要的研究問題。通過對經歷不同降溫速率溫度降至凝點附近的原油做勻加速剪切，剪切至某值后再做勻減速剪切，形成一個環形剪切。測量剪切應力隨剪切速率變化的曲線關系，結果表明：在這樣循環勻變速剪切的作用下，樣品的剪切應力各點連線也呈現一個環形，即稱作含蠟原油的滯回環。在膠凝原油發生屈服之前，剪切應力隨剪切速率增大急劇增大，持續的剪切會有效阻止蠟晶結構的形成；降溫速率越低，原油形成的蠟晶結構強度越大。

蠟晶；剪切應力；滯回環；屈服應力

大慶原油最明顯的幾個特性：凝點高、含蠟高、粘度高。作為“三高”原油，大慶原油流動性很差，在實際的管道運輸中，通常會添加降凝劑，但主要的方法還是加熱來提高油品溫度以達到降粘防凝的目的[1]，這樣做也是耗能巨大的，而且運輸過程中遇到特殊情況，如果溫度降低至析蠟點附近，原油中的蠟析出，達到一定數量他們就會聚集形成空間網格蠟晶結構，這樣的結構會像籠子一樣把液態油包圍，使得原油成為分散相[2]，這時的原油具有屈服應力和觸變性[3]，宏觀表現為原油流動變差，甚至失去流動性，形成膠凝結構，在管道運輸中，就會出現凝管事故，帶來巨大損失。而且研究原油的觸變性在管道的停輸再啟動方面有著重要的意義。

實際管道運輸中除了上述提到的降凝劑和加熱的方法之外，油品在經過泵和其他裝置的時候遇到的剪切也會對蠟晶結構有一定的破壞作用[4]，原油粘度降低的程度取決于其抗剪切性。而經過剪切之后的原油在一定程度上會恢復其流動性。本實驗主要測試剪切速率對油品膠凝結構的破壞。

1 實驗部分

1.1 原油物理性質(表1)

表1 大慶原油參數Table 1 Daqing crude oil parameters

1.2 實驗儀器(表2)

表2 實驗儀器Table 2 Experimental apparatus

1.3 原油預處理

為消除“剪切歷史”和“熱歷史”對實驗效果的影響，確保實驗的可重復性。需對原油做以下處理：將原油放置在水浴箱中70 ℃恒溫24 h，然后放在室溫（約20 ℃）環境中自然冷卻48 h待用。此時，認為已經形成了結構相同的原油樣品。

1.4 實驗方法

將準備好的油樣分成3份，水浴加熱到45 ℃，然后裝入流變儀測量筒中恒溫10 min，之后分別以以0.5、0.8、1.0 ℃/min三種不同的降溫速率溫降至凝點附近（32 ℃），保持恒溫60 min充分形成膠凝結構。

調節流變儀程序，使得剪切速率以每秒增加1 s-1的增幅從0增加到100 s-1，然后再從100 s-1以每秒減小1 s-1的速度減至0。循環勻變速剪切，全程定時測量剪切應力。對油樣共進行三個循環剪切，相鄰兩循環之間無時間間隔。

2 結果分析

2.1 第一組實驗結果分析

如圖1可以看出，第一次循環剪切曲線中，在剛開始時，剪切應力隨剪切速率增大而急劇增大，短時間內即達到極大值，接著隨剪切速率的增大反而減小，減小到一定值后，又隨剪切速率增大而逐漸增大。最終隨剪切速率增大而增至曲線的最大值，剪切應力也達到了最大值。應力又隨著剪切速率的勻速變小而逐漸下降，最后回到了原點。整個過程剪切應力形成一個環形封閉曲線，叫做滯回環[5]。

圖1 剪切應力隨剪切速率變化曲線（降溫速率0.5 ℃/min）Fig.1 The curves of shear stress with shear rate（cooling rate 0.5 ℃/min）

接下來實驗繼續進行，得到的第二和第三個滯回環，從圖1中可以看出，他們形成的環面積很小。

滯回環1中剪切應力急劇上升過程，是因為剪切初期，油樣已經形成穩定的膠凝結構，隨著剪切速率的增大，油樣會產生一個蠕變過程，也就是宏觀表現中的剪切應力迅速上升，即穩定的膠凝結構給抗剪切提供了相當大的阻力。蠟晶結構的恢復大于低速剪切帶來的破壞。但是隨著應力的不斷積累，蠟晶網格結構不斷遭到破壞，當外力達到原油的屈服應力之后，結構裂解，分散的油相流出并聚集，原油產生流動，滯回環1中的第一個極大值就是原油發生屈服對應的點。

結構裂解之后，其恢復的速度小于裂解速度，因此在屈服應力點過后應力逐漸下降，解釋了滯回環1中曲線第一次下降的原因。當曲線下降到一個極小值，此時原油裂解帶來的應力下降和剪切速率增大帶來的應力上升達到平衡。且在隨后的過程中，剪切速率的增大占據主導作用，使得剪切應力也隨之增大，也就是滯回環1中極小值之后的曲線逐漸上升。此時的曲線符合正常的應力隨剪切速率增大而增大的常規現象。

剪切速率達到最大值（100 s-1）然后逐漸減小。因為此時樣品中的膠凝結構大部分已經被破壞，因此剪切應力隨剪切速率的減小而逐漸減小，最終回到原點，整個過程所有數據點連線形成一個封閉的環。

通過觀察第二和第三個滯回環，樣品的觸變性已經變化不大，屬于正常應力隨剪切變化的曲線，因此對于研究穩定膠凝結構遭到破壞的規律，主要研究第一個環。

2.2 三組樣品實驗對比分析

圖2 不同降溫速率條件下應力隨剪切速率變化關系Fig.2 The relationship between stress and shear rate change under the condition of different cooling rate

圖2 中的三個環形曲線，分別為三組樣品被循環剪切得到的每個樣品的第一個滯回環。

三個環的共同點是環的起點和終點相同，剪切應力最大值接近，在剪切初期都會形成一個剪切應力的極大值和極小值，且形成極值點的橫坐標大致相同。三個環的最大不同點是每個環上的第一個極大值點和極小值點各不相同，也就是使膠凝結構屈服所對應的剪切應力不同。這是因為三組實驗樣品在開始實驗前的一個處理結果造成的，三組樣品分別以不同的降溫速率（0.5、0.8、1.0 ℃/min）從45 ℃降溫至32℃，當溫度以較低的降溫速率下降時，析出的蠟晶就會有相對充足的時間相互連接形成穩定的三維網絡結構，如果降溫速率過快，雖然也有大量蠟晶析出，但是形成的膠凝結構強度不如前者（降溫速率慢者），因此在實驗開始測量時，破壞前者結構強度所需要的剪切應力顯然要大于后者，這也是圖中曲線在稍前部分會有較大差值的原因。但是隨著各樣品原油發生屈服之后，剪切速率的增加主導了剪切應力的基本走向，以至于到最大剪切速率時，三個曲線對應的剪切應力基本都上升到一個相同的位置，說明此時的油樣性質差別不大，這也從后面（剪切速率減小過程）三個曲線差別不大能夠體現。

3 結 論

（1）對已經形成穩定膠凝結構的剪切形成的滯回環面積較大，持續的剪切會有效阻止蠟晶結構的形成。

（2）原油通過較低的降溫速率使溫度降到析蠟點附近時，形成的蠟晶結構強度較大。

［1］李傳憲, 羅哲鳴. 原油的膠凝結構特性研究[J]. 油氣田地面工程（OGSE）, 1995, 14(3):15.

［2］李傳憲, 史秀敏. 原油屈服值的測量特性[J]. 油氣儲運, 2001, 20(4): 44.

［3］ 國麗萍,張勁軍. 基于剪切速率勻加載條件的含蠟原油屈服-觸變特性[J].大慶石油學院學報,2011,35（3）:72-75.

［4］王飛飛, 王岳. 有剪切歷史和熱歷史加劑原油的流變性[J]. 油氣儲運, 2010,29(5):327-328.

［5］張勁軍, 國麗萍. 基于滯回環的含蠟原油觸變模型評價[J]. 石油學報, 2010, 31（3）:494.

Study on Waxy Crude Oil Thixotropy Based on the Uniform Variable Shear

HAN Hong-sheng1，LI yong-sheng1，GUAN qing-an2, CHEN xin3
（1. College of Petroleum Engineering, Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China；2. Shengli Oilfield Highland Petroleum Equipment Co.,Ltd., Shandong Dongying 257091, China；3. China Petroleum Pipeline Bureau No.4 Construction Company, Hebei Langfang 065000, China）

The problem of waxy crude oil gelling is an important research problem in the process of pipeline transport. In this experiment, uniformly accelerated shear of crude oil whose temperature was dropped to freezing point by different cooling rate was carried out; after the shear rate reached to the maximum value, uniform deceleration shear was carried out to form a cyclic shear. The relationship between the shear stress and shear rate change was measured. The results show that: under the action of such a cycle uniform variable shear, the attachment of each shear stress point of sample also presents a ring, which is called the hysteresis loop of waxy crude oil. Before the gelled crude oil yields, shear stress increases sharply with the increase of shear rate, and constant shear will effectively prevent the formation of wax crystal structure; the lower the cooling rate, the higher the wax crystal structure strength.

Wax crystal; Shear stress; Hysteresis loop; Yield stress

TE 624

： A

： 1671-0460（2015）02-0261-03

2014-09-15

韓洪升（1950-），男，教授，東北石油大學畢業，現為東北石油大學石油工程學院教授，研究方向：多相管流及數值模擬。

李勇生，男，碩士，多相管流及數值模擬。E-mail：dbsy2012@126.com。