原油流变学.第五章原油流变性的评价及测定

但由于问题的复杂性，目前工程上常用来评价原油
流变性的指标是凝点、粘度和屈服值。
§5.1实验油样的预处理
油样预处理的目的，是使油样具有相同的组成和相同的
初始状态，保证室内实验数据具有重现性和可比性。 一、取样
在原油开采和储运过程中，由于层位变迁及经历集输、
储运等环节，使原油的组成和历史“记忆”效应会因取 样方法和地点而不同，其流动特性可能有所差异。因此 首先需要在油田或管道，选择合适的取样点，采取正确 的方法，取得有代表性的油样。所取油样应密封桶装，
图5－2 原油的实验流变曲线
从实测的含蜡原油的流变曲线分析，有如下的流变方程可 供选用： ＝ （1）牛顿流体
•
（2）假塑性流体
n ＝K
（3）带屈服值的非牛顿流体
n ＝ R K
为了判断所选用的流变方程与实验数据的拟合是否合适，通 常应综合考虑如下情况： （1）相关系数R越接近1，反映出变量间的密切程度越高。
§5.2原油凝点及其测定
凝点或倾点都是以温度表示的评价原油流动性的条件性指标。 凝点，是指在规定的热力和剪切条件下，被测油样刚刚失去流动 性时的最高温度。倾点，指在规定的条件下，被测油样能保持流 动性的最低温度。按照美国的ASTMD97标准方法，同一油样的 测试结果，其倾点高于凝点3℃。凝点在我国以及前苏联国家比 较常用，而倾点在国际上特别是欧美国家被普遍使用。 原油的凝固，会因组分的不同而异。对于含蜡量较高的原油， 其凝固是一种条件性的结构性凝固。另一类原油，胶质、沥青质 的含量较高，即使在较高的温度下，原油的粘稠度仍很大，当油 温足够低时，原油变成为无定形的胶状物质，没有足够的外力也 不能使其产生流动，这种状态的凝聚，常被称为粘稠凝结。
具体预处理方法是：将一批已盛有油样的密封磨口 d 瓶放入水浴锅内，静置加热至80℃，并恒温2h，使瓶 内原油依靠分子的热运动达到均匀状态，随后静置自
然冷却至室温，并存放在环境温度变化较小处，存放
48h以上，则可以认为该批油样已形成结构状态相同 的基础油样。 但是也发现，经预处理过的油样，随着存放时间的 延长，会因自身的物理化学作用以及外部条件的影响
实际上含蜡原油以及添加降凝剂的含蜡原油往往具有 较强的历史效应，凝点作为原油在非牛顿温度范围内的 一个流动性评价指标，必然与原油的各种历史有关。因 此，不同的测试方法和测试条件，所测结果可能不同， 在提供凝点实验结果时，应说明用什么标准，在什么条 件下测定的原油凝点或倾点。 针对含蜡原油往往具有较强的历史效应的特点，行准 SY/T 0541—94“原油凝点测定法”比较科学。此法把经 预热至某一选定温度的油样装入凝点试管中，以0.5～ 1℃/min的降温速度冷却原油至高于预期凝点8℃时，每 隔2℃观察一次试样的流动性，直至将凝点试管水平放 置5s而原油不流动时的最高温度，定义为该试样的凝点。 测试的方法步骤见具体标准。
§5.3原油粘度的测定 目前旋转流变仪的同轴圆筒系统在室内测定原油粘度或表观粘 度的应用比较普遍。现着重介绍用旋转流变仪的同轴圆筒测量系 统测试原油的动力粘度或表观粘度的有关问题。 一、原油动力粘度的测量 目前在测量牛顿流体的粘度时，相对测量误差一般允许在3％以 内。一般当油温高于原油的凝点TZ＋（10～15℃）以上时（TZ应 是在相同热力条件所测的凝点），原油常常呈现牛顿流体特性。 因此，一般情况下都得首先确定原油被加热的温度，并测出该加 热温度下原油的凝点，则可估计某测温下原油的流变类型。如果 测温比凝点高得多，可以肯定原油呈现牛顿流体特性，就可任选 一剪切速率档，测出对应的剪切应力值，根据公式 ＝ ，即 可求得值。
然后运到实验室。
在油样的运输和存放中，由于环境温度等的变化，原油可能分
层或析出蜡晶并粘附在桶内壁上，致使桶内原油不均匀。因此， 从桶内取油样前，必须充分搅拌桶内原油（必要时还需适当加 热），先装到一个较大的容器内（必要时容器也要预热），再搅 拌均匀，然后分装到较小的磨口瓶内（一般可用100ml瓶）密封 保存，可作为组成相同的基础油样。 二、预处理 理论上分析，最好将已分装的油样，统一加热到原来所处油 层的温度，以恢复它在油层中的原始构成状态，但由于在开采过 程中层位变迁，以及采油和集输方法的不同，难以确定原油在油 藏中的真实温度。而且外输原油往往是不同区块经多路集输的混 合原油，因此，原始的温度就更难确定了。目前，为使原油成为 均匀溶液，一般选用80℃作为预处理温度。
二、非牛顿原油表观粘度的测量与实验数据处理 呈现非牛顿特性的含蜡原油，其表观粘度是一个条件性很强 的指标，因此作为基础物性参数，测定表观粘度时需要根据研究 应用目的和原油流变性基本特点，制定科学合理的实验方案和实 验条件。 下面所述是测定原油在某温度下的动平衡态表观粘度的常规 方法，规定条件为：将原油加热至选定的温度，装入流变仪后静 态降温，降温速度控制在0.5～1℃/min之间，将油样降至测温后， 恒温20min（根据流变仪特点和测温的高低，恒温时间可适当减 小或延长），使被测油样温度一致。选定5个以上剪切速率档， 首先选其中最低的剪切速率档测试，测得此恒剪切速率下剪切应 力随剪切时间变化的曲线。若τ值不随时间而变，说明此温度下 的原油尚无触变性。如果τ值随剪切作用时间而下降，说明此温 度下的油样已具有触变性。
工程上常用凝点或倾点作为原油管道停输后管内原油胶凝可能 性的判据。为保证管道停输后能安全再启动，SY/T 5537— 2000“原油输送管道运行技术规范”和SY/T 6469—2000“原油管道 加降凝剂输送工艺技术规范”规定，原油进站温度应高于其凝点 以上3℃。但由于不同原油在凝点附近的粘温关系以及胶凝结构 与温度的关系特性不同，象典型的含蜡原油其在凝点以上3℃的 粘稠程度有时很小，但随温度的降低，其粘稠程度以及屈服值大 幅度升高；而稠油类的原油，即使在远高于凝点的温度下，其粘 度仍非常高，因此，这种以凝点为参考温度统一规定各类原油安 全输送温度的方法，具有不小的局限性。 凝点的测定方法简便，设备简单，特别适用于生产现场快速监 视原油的流动性能的变化。原油的凝点与其低温粘度、触变性和 屈服应力的测定密切相关，常常首先测定该油样的凝点，根据凝 点的高低来制定其它各项指标的实验方案和测试方法。
度的加热时，即使其流变性有不同程度的恶化，其低温
流变性也比未经Βιβλιοθήκη 处理时的好。而实际工程中，例如含蜡原油的管道加热输送中，原油并未进行80℃的预处理，
那么，室内经预处理后测得的原油低温流变性就会比工
程实际条件下的好，这种数据在实际应用时，可能会带 来一定的风险。因此，在这种情况下不必对原油80℃的 预处理。
（3）考虑到实验过程中出现的现象，如是否出现屈服现象等。
常用流变方程中常数的求解，可按如下方程计算：
n ，求解K、n值 幂律流体方程： ＝K
i lg i · i N lg i lg lg n i ) 2 ( lg i ) 2 N (lg
对于已出现触变性的含蜡原油，必须测得各剪切速率下对应的
动平衡剪切应力（一般5min读一次数，当连续4各读得的剪切应
力，其变化值不超过5％，即认为达到动平衡态）。采用由低至 高逐级改变剪切速率档的方法，目的是使油样的剪切速率逐渐递
增，相应的内部结构破坏程度逐步加大，以能较快、较准确地得
到各剪切速率相对应的动平衡状态下的剪切应力和表观粘度。这 是含蜡原油的非牛顿结构特点所决定的。采用上述由低到高逐级 变换剪切速率档测动平衡剪切应力的方法，一个测温下，只需一 又能得到重复性较好的结果。在我国用于原油粘度或表观粘度测 定的标准有石油天然气行业标准SY/T 0520—93“原油粘度测定— —旋转粘度计平衡法”。
个油样，就能测到一条动平衡态的流变曲线。这样既节省了时间，
在双对数坐标上描绘流变曲线。流变曲线变化的趋势有可能
出现如图5-2所示的多种情况： （1）流变曲线为一条斜率等于1的直线，（如直线①），则可判 断原油呈现牛顿流体特性。 （2）若连线为一条斜率小于1的直线（如直线②），则可判断原 油呈现假塑性流体特性。 （3）若连线有可能出现折点的直线段或光滑曲线（如曲线③）， 则有两种可能，要结合实验现象来分析。即若在实验中发现有屈 服现象，这时就可按光滑曲线来处理，该实验条件下的原油，呈 现屈服-假塑性流体特性。若在实验过程中，没有出现屈服现象， 就可将实验点的处理成有折点的两直线段，原油呈现假塑性流体 特性，只是在不同的剪切速率范围内，流变方程不同。（ 4 ）若 实验点的连线为凹向剪切应力轴的光滑曲线，则可判断原油呈现 屈服-假塑性流体特性（如曲线④）。
我国用于原油凝点测定的标准有
国标GB/T510－83“石油产品凝点测定法”； 行准SY/T 0541—94“原油凝点测定法”。 GB/T510－83规定，将装有试样和温度计的试管加热至50±1℃后， 在室温中静置降温至 35±5℃，再将试管直接移至比预期凝点低 7～8℃的冷浴套管中冷却，当试样冷却到预期凝点温度时，将试 管倾斜45°并保持1min，然后观察试样液面是否发生了移动。如 果试样表面移动，则重新加热到 50±1℃，改变预期凝点温度， 重复实验，直至某实验温度能使试样的液面停留不动，而提高 2℃又能使液面移动时，取液面不动的温度作为试样的凝点。由 于 GB 规定，当液面移动时，必须重复加热至 50℃后再重新测定， 那么，这种重复加热和多次的试管倾斜往往会恶化那些对加热温 度等历史较敏感的含蜡原油的低温流变性，造成原油的凝点偏高， 并且实验的重复性很差。因此，GB/T510－83不适用于对加热温 度和剪切比较敏感的油样。
而老化，使实验结果有所增大。不同组成的原油，随
存放时间而老化的程度不尽相同，因此，对已预处理 的一批油样，要抓紧时间尽快完成一项实验研究，在 分析实验结果时，应注意这一潜在因素的影响。
另外，需要特别注意的是，对不少含蜡原油来说，
80℃往往是其最优或较优的加热温度，经上述80℃预处
理后，原油的低温流变性往往较好，这时再进行不同温
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