基于能量观点的原油触变性分析

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1、基于能量观点的原油触变性分析.蒲红宇】，艾慕阳叫苗青2,喻奇勇*（】.西南石油大学石油与天然气工程学院，成都610500;2.中石油管道科技研究中心廊坊065000；3.川庆钻探四川石油天然气建设工程有限责任公司成都610041）摘要：介绍了基于将能屋观点的触变性研究基本概念，并将此观点引入到低温含蜡原油的鮭变性研究。分析了结构恢复势函数和破坏函数在不同条件下的变化关系，包括长时间的无载荷作用、恒定荷载下作用、交变荷载作用、荷载停止作用后四种情况。根据含蜡原油触变性特点，将原油结构分为二个等级，并对实验研

2、究中的问题做出假设，为建立基于能量观点的低温含蜡原油二级结构模型提供了思路。关键词：触变性；能量；势函数；模型；结构；原油1引言含蜡原油具有十分复杂的流变性，低温时的触变性就是其中之一，并且这种非牛顿流体特性对于原油管道的停输再启动具有十分重要的意义W对于广义的触变性研究而言，Barnes.Mewis、Cheng等都进行过相应的总结，包括触变性的机理、本构模型、触变性的运用等件％而对于低温含蜡原油的触变性研究，国内外学者基本认为其由原油内部蜡晶结构的变化引起，并且研究表明原油内部微观结构被破坏后不能完全恢

3、复至初始状态18-,0];为了便于解释和描述含蜡原油的触变性，由Moore等人提出的表征内部微观结构变化的结构参数在原油触变性研究中得到了广泛运用，著名的Houska模型和赵晓东模型就是这类模型的代表nM5]；当然，目前针对原油的触变模型非常多，构建思路各不一致，优缺点也不一样，己有学者对部分触变模型的运用情况进行过比较〔⑸。国内学者艾慕阳通过假设结构恢复势函数的存在，率先提出了利用能量观点描述触变性的方法，得到了与Moore模型一致的数学表达式，并且模型中参数比Moore模型少，求解也更为简单【”】。为

4、了将能累观点用于描述低温含蜡原油的触变性，本文进行了相应的分析研究。2能量观点的引入研究中也认为含蜡原油触变性由荷载作用时其内部微观结构的变化所引起，而这种内部结构主要由蜡晶、胶质沥青质等物质形成，原油触变性研究中粘度的降低对应于此结构的破坏，而破坏后结构的重组决定了原油粘度的恢复。假设原油内部结构的破坏和恢复可以运用两个函数进行表征，并分别定义两个函数为结构恢复势函数（E）和结构破坏势函数（D）,它们都代表单位体积内原油具有的能量，具有和应力相同的量纲，单位为Pa,如式1分析所示。其中结构恢复势函数反映

5、原油内部结构恢复的趋势，其值越大，原油结构恢复的趋势也越大；而结构破坏势函数表征内外力综合作用下原油内部结构被破坏的趋势，其值越大，原油内部结构越容易被破坏。"通讯作者.蒲红宇，E-mail：DhvDuhongyu®163.comJNmNn—=■…■=—=pm3m3m2a(])3•势函数关系分析不难想象，上述两个函数将受到温度、荷载效应等多因素的影响，并且它们在不同的条件的关系也不一致。(1)温度高于显触点时当原油所处温度高于其显触点时，原油内部分子热运动非常剧烈，它们对触变体结构的形成呈强烈的抑制作用，

6、此时没有引起触变性的结构形成，原油不呈现触变性。在没有外部荷载的作用时，势函数E和D都只受内部微观荷载作用，其中势函数E主要受分子间作用力的影响，但其数值小于剧烈的布朗运动对势函数D的贡献。图1恒定荷载作用前后势函数的变化(2)温度低于显触点时当温度低于原油的显触点时，原油内部的分子布朗运动已不足以抑制触变结构的形成，原油开始呈现触变性。此时势函数E和D的关系分以下几种情况进行讨论。①无外部荷载作用原油势函数E貝有足够大的数值，其会使原油内部析出的蜡等形成产生触变性的微观结构。此时势函数£和》也都受微观作

7、用力控制，但是势函数E的数值理论上应该大于势函数D的值，这是微观结构存在的必要条件。由于在这种条件下，势函数E会用于形成结构，造成其数值相应的减少，在这种情况持续足够长的时间下，势函数E和D将处于微观平衡，只不过在无外载荷的作用时，二者的数值都比较小。这种情况如图1中的区所示。②恒定的荷载作用当对图1中所示处于微观平衡的原油施加恒定的荷载吋，原油内部微观结构会经历变形、破坏并逐渐过渡到平衡三个连续的过程。当施加荷载过大时，只能观测到瞬时破坏至平衡的过程。对于一定大小荷载的作用，原油内部微观结构会先产生变形

8、，变形是破坏的前奏，变形过程会使势函数D的值产生显著提高，而势函数£的值基本不产生变化，如图1中二区所示。当变形达到一定程度时，微观结构开始产生破坏，此时势函数D的数值已经达到峰值，其与势函数E的差距也比较大，但势函数D的数值会随原油内部结构的破坏逐渐减小.另外，由于破坏的结构具有重新恢复的特性，这造成原油内部势函数E的数值随原油内部结构的破坏逐渐上升。当然势函数D数值的减小以及势函数E数值的上升不是没有限度的，它们会最终也会