西安石油大學《原油流變學》(?？茝土曎Y料)

1、第一章第一章1.1.流變學流變學(Rheology)(Rheology)是研究物質變形與流動的科學。實際物質在外力作用下怎樣變形與流動，是研究物質變形與流動的科學。實際物質在外力作用下怎樣變形與流動，這是物質本身固有的性質，可以稱其為物質的流變性這是物質本身固有的性質，可以稱其為物質的流變性(即物質在外力作用下變形與流動的性即物質在外力作用下變形與流動的性質)。流變學就是研究物質流變性的科學。。流變學就是研究物質流變性的科學。2.2.流

2、變學研究的是純彈性固體和牛頓流體狀態之間所有物質的變形與流動問題。流變學研究的是純彈性固體和牛頓流體狀態之間所有物質的變形與流動問題。3.3.流變學更注重不同物質的力學性質與其內部結構之間的關系流變學更注重不同物質的力學性質與其內部結構之間的關系4.4.流變學中物質所受到的力用應力或應力張量表示流變學中物質所受到的力用應力或應力張量表示5.5.流變學中用應變或應變速率表示物質的運動狀態即變形或流動。流變學中用應變或應變速率表示物質的運動

3、狀態即變形或流動。6.6.流體質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。流體質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。7.7.物質狀態的變化稱為變形，而物質連續無限地變形就是流動。物質狀態的變化稱為變形，而物質連續無限地變形就是流動。8.8.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9.9.反映材料宏觀性質的數字模型

4、稱為本構方程，亦稱為流變狀態方程和流變方程反映材料宏觀性質的數字模型稱為本構方程，亦稱為流變狀態方程和流變方程10.10.對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，對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。粘度隨剪切速率變化曲線等，并稱之為流變曲線。第二章第二章1.1.散體系是指將物質散體系是指將物質(固態、液態或氣態固態

5、、液態或氣態)分裂成或大或小的粒子，并將其分布在某種介質分裂成或大或小的粒子，并將其分布在某種介質(固態、液態或氣態固態、液態或氣態)之中所形成的體系。之中所形成的體系。2.2.分散體系可以是均勻的也可以是非均勻的系統。均勻分散體系是由一相所組成的單相體系，分散體系可以是均勻的也可以是非均勻的系統。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。而非均勻分散體系是指由兩相或兩相以上所組成的多相

6、體系。3.3.非均勻分散體系必須具備非均勻分散體系必須具備2個條件：個條件：①在體系內各單位空間所含物質的性質不同；在體系內各單位空間所含物質的性質不同；②存在著分界的物理界面。在著分界的物理界面。4.4.對非均勻分散體系，被分散的一相稱為分散相或內相，把分散相分散于其中的一相稱為對非均勻分散體系，被分散的一相稱為分散相或內相，把分散相分散于其中的一相稱為分散介質，亦稱外相或連續相。分散介質，亦稱外相或連續相。5.5.盡管非牛頓流體在微

7、觀上往往是非均勻的多相分散體系，或非均勻的多相混合流體，但在盡管非牛頓流體在微觀上往往是非均勻的多相分散體系，或非均勻的多相混合流體，但在用連續介質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，而認用連續介質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。為體系為一種均勻或假均勻分散體系。6.6.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

8、，這是非牛頓對非牛頓流體，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。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剪切增

9、稠性增稠性（shearshearthickeningthickening）。因此，膨腫性流體具有剪切增稠性。隨著剪切速率的增加，。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。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、τB是使體系產生流動所需要的最小剪切應力，即使流體產生大于是使體系產生流動所需要的最小剪切應力，即使流體產生大于0的剪切速率所需的最的剪切速率所需的最

10、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絡結構的性質所決定的。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絡結構的性質所決定的。塑性流體：凡是具有屈服值的流體塑性流體：凡是具有屈服值的流體塑性流動：外力克服其屈服值而產生的流動。塑性流動：外力克服其屈服值而產生的流動。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下降，并在剪切應力或剪切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下降，并

11、在剪切應力或剪切速率消除后，表觀粘度隨之恢復的現象，稱為觸變性。速率消除后，表觀粘度隨之恢復的現象，稱為觸變性。1010、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：二、觸變性特征：(1)(1)在靜止條件下，流體結構發展增強；在靜止條件下，流體結構發展增強；(2)(2)在剪切作用下，這種結構能夠在剪切作用下，這種結構能夠被

12、破壞；被破壞；(3)(3)結構的破壞和恢復是等溫可逆的，但結構恢復往往要比構的破壞所需的時間長結構的破壞和恢復是等溫可逆的，但結構恢復往往要比構的破壞所需的時間長得多；得多；(4)(4)在恒剪切速率作用下，流體流變性有如下表現：在恒剪切速率作用下，流體流變性有如下表現：b)b)如果流體以前經受較高的剪切速率剪切，那么，剪切應力將隨時間而增加如果流體以前經受較高的剪切速率剪切，那么，剪切應力將隨時間而增加(6)(6)在剪切速率連續增加而后

13、又連續減小的循環程序下，剪切應力與剪切速率的變化曲線將在剪切速率連續增加而后又連續減小的循環程序下，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。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，則說物質產生了流動。即使在微小的應力作用下，如如果剪切變形最終不能恢復至零，則說物質產生了流動。即使在微小的應力作用下，如7、含蠟原油的流變性類型：牛頓流體類型，假塑性流體，屈服含蠟原油的流變性類型：牛頓流體類型，假塑性流體，屈服假

14、塑性流體假塑性流體8、反常點：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變點，是原油呈現牛頓流體是原油有由流體特性到非牛頓流體特性的溫度轉變點，是原油呈現牛頓流體特性的最低溫度。特性的最低溫度。9、含蠟原油表現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構特性決定、含蠟原油表現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構特性決定的。的。1010、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

15、般原油粘度越高、溫、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、蠟晶數目越多。度越低、冷卻速度越大，所生成的蠟晶尺寸越小、蠟晶數目越多。1111、含蠟原油的蠟晶絮凝結構一般是一種強絮凝結構。在較大的蠟晶濃度下，會發展成蠟晶、含蠟原油的蠟晶絮凝結構一般是一種強絮凝結構。在較大的蠟晶濃度下，會發展成蠟晶的整個空間網絡結構。溫度越低，蠟晶濃度越高，蠟晶絮凝作用越強。的

16、整個空間網絡結構。溫度越低，蠟晶濃度越高，蠟晶絮凝作用越強。1212、懸浮液絮凝系統分為：、懸浮液絮凝系統分為：1.1.強絮凝系統；絮凝系統；2.2.弱絮凝系統絮凝系統1313、一般在反常點附近的非牛頓流體溫度下，由于原油的內部結構較弱，其觸變性在測量流、一般在反常點附近的非牛頓流體溫度下，由于原油的內部結構較弱，其觸變性在測量流變儀上顯現不出來，因此可以認為原油沒有觸變性。隨溫度的進一步降低，原油開始明顯顯變儀上顯現不出來，因此可以認

17、為原油沒有觸變性。隨溫度的進一步降低，原油開始明顯顯現出觸變性，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、現出觸變性，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、原油所經歷的熱歷史、剪切歷史，以及原油添加化學改性劑的條件等。原油所經歷的熱歷史、剪切歷史，以及原油添加化學改性劑的條件等。1414、對經歷一定歷史條件，并在一定的低溫靜置條件下形成膠凝結構的含蠟原油，在恒定的、對經歷一定歷史條

18、件，并在一定的低溫靜置條件下形成膠凝結構的含蠟原油，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曲線1515、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歷的各種歷史，如：熱歷史、、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

19、因素能對含蠟原油的內部結構特別是蠟晶冷卻速度大小、剪切歷史、老化等，因為這些外部因素能對含蠟原油的內部結構特別是蠟晶結構產生較大的影響，所以這一特點被稱為非牛頓含蠟原油的歷史效應。結構產生較大的影響，所以這一特點被稱為非牛頓含蠟原油的歷史效應。1616、在最優加熱溫度下，含蠟原油低溫流變性得到改善的機理、在最優加熱溫度下，含蠟原油低溫流變性得到改善的機理:一般觀點是：具有表面活性一般觀點是：具有表面活性的極性膠質、瀝青質的存在對蠟晶的析

20、出長大有以下幾個方面的作用：的極性膠質、瀝青質的存在對蠟晶的析出長大有以下幾個方面的作用：①對晶核生成的抑對晶核生成的抑制作用，從而使生成的蠟晶數目少，但體積大；制作用，從而使生成的蠟晶數目少，但體積大；②膠質的非極性部分膠質的非極性部分(相當長的側鏈相當長的側鏈)與石與石蠟分子結構相似，因而在蠟晶生長過程中與之共晶；蠟分子結構相似，因而在蠟晶生長過程中與之共晶；③極性部分則吸附在蠟晶表面，從而極性部分則吸附在蠟晶表面，從而阻礙新析出的

21、蠟在蠟晶表面按既定方式絮凝長大。阻礙新析出的蠟在蠟晶表面按既定方式絮凝長大。1717、當加熱溫度低于最優熱處理溫度時，含蠟原油的低溫流變性惡化的機理當加熱溫度低于最優熱處理溫度時，含蠟原油的低溫流變性惡化的機理:在加熱溫度較在加熱溫度較低時，相對分子質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、瀝低時，相對分子質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、瀝青質則會吸附到高熔點的石蠟晶體表面上；當冷卻

22、時，已溶解的石蠟重新結晶，但在重新結青質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晶，但在重新結晶過程中缺少具有活性的膠質、瀝青質共晶和吸附作用，這部分蠟晶的結構則不能得到改善，晶過程中缺少具有活性的膠質、瀝青質共晶和吸附作用，這部分蠟晶的結構則不能得到改善，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

23、能還不足以使膠質、瀝青質分子的活性充分激發，因此在冷卻過程中，膠質、瀝青質難以有能還不足以使膠質、瀝青質分子的活性充分激發，因此在冷卻過程中，膠質、瀝青質難以有效改善蠟晶結構，仍會造成原油低溫流變性惡化。效改善蠟晶結構，仍會造成原油低溫流變性惡化。1818、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，液態油對蠟的溶、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，液態油對蠟的溶解能力，以及膠質、瀝青質的含

24、量、活性大小等有較大的關系。解能力，以及膠質、瀝青質的含量、活性大小等有較大的關系。1919、剪切歷史是指含蠟原油在特定流變性表現以前所經受的各種剪切經歷。、剪切歷史是指含蠟原油在特定流變性表現以前所經受的各種剪切經歷。補充：補充：1.1.測定屈服值的方法：直接法，間接法（曲線外延法，方程回歸法）測定屈服值的方法：直接法，間接法（曲線外延法，方程回歸法）2.2.國內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國內外利用

25、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、完類：一、完整熱處理輸送工藝；二、簡易熱處理輸送工藝整熱處理輸送工藝；二、簡易熱處理輸送工藝3.3.反常點反常點abnmalabnmalpointpoint：原油呈現牛頓流體的最低溫度：原油呈現牛頓流體的最低溫度4.4.本構方程本構方程constitutiveconstitutiveequationequation：同狀態方程，流變方程，一種聯系應力，應變，時：同狀態方程

26、，流變方程，一種聯系應力，應變，時間的方程，有時還包括其他的一些變量，例如溫度。間的方程，有時還包括其他的一些變量，例如溫度。5.5.庫埃特流動庫埃特流動CouetteCouetteflowflow由于流體的幾何邊界相對運動而產生的剪切流動，有時也稱為由于流體的幾何邊界相對運動而產生的剪切流動，有時也稱為拖流動拖流動6.6.末端效應末端效應endendeffecteffect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。但實際用毛