工业流变学(5)17.10.31

5.1
原油的流变性
5.1.6 计算原油粘度的经验公式
与特定原油性质有关的常数 绝对温度
1.地面脱气原油的粘度
运动粘度
log log 0.8 A B log T
2.饱和原油的粘度
饱和原油的粘度
b aod
与溶解油气比有关的系数
无气或死油粘度
3.未饱和原油的粘度
1
3
3.流变特性随温度的变化
（3） T终<T< T反
T反>T> T失
相态：析出的蜡晶增多、聚集，原油 lgη
2
原油的粘温曲线
1 2 3
的凝胶化过程开始，形成海绵状的凝
胶体。此时，已析出的蜡晶在生长， 胶质和沥青质被吸附或与蜡共晶，形 成不同形状和大小的分子团、小颗粒， 它们的相互作用力大为增强。 流变性：原油出现粘度反常。粘度随 剪切速率而变化，粘温曲线分叉。表 T 终 T T反 失 T析 T
Sw
反转点或反相点
5.1
原油的流变性
5.1.4 原油的触变性
1.剪切应力随剪切速率的变化——五个过程
当温度低于失流点后，含蜡原油的流型应称之为具有触变性的屈服拟塑性流体。
触变性指在恒定的剪切速率和温度下表观粘度随时间可逆性减小的现象。
屈服值 τ
y b
两种因素相互作用平衡 e c d h f
g a 原油的触变性
泥浆的滤失性能有利于在井壁上形成薄而韧、摩擦系数小的泥饼。
冷却和冲洗钻头，清扫井底岩屑。否则会影响机械钻速、钻头进尺、造成重复切削
调节比重，以建立与地层压力相平衡的液柱压力, 防止喷、漏、塌、卡等井下故障。
5.2
泥浆的流变性
5.2.1 泥浆的组成和分类
2.泥浆的组成和分类
多数泥浆是粘土以小颗粒状态(小于2μm以上)分散在水中所形成的溶液悬浮体。 粘土颗粒的大小不一，多数在悬浮体的范围内(0.1μm以上)，少数在溶胶 范围(1-100μm)，属多级分散体系。 为使泥浆具有钻井工艺所要求的各种性能，常需加入各种化学处理剂。
2
原油的粘温曲线
1 2 3
性。含蜡原油发生转相。蜡晶变成连续相，
而液态烃变成分散相。 流变性：原油具有出一定的结构强度(屈服 T 终 T T反 失 T析 T
值)，且表现出更显著的剪切稀释性和触变
性。原油呈现屈服拟塑性体的特征 。
T析——析蜡温度 T反——反常温度点
T终——析蜡终点
5.1
原油的流变性
5.1.1 温度对原油流变性的影响
2.原油的存在形态
通常情况下，原油是一种胶体溶液，其中固体烃和 沥青质是分散相，而液态烃和胶质则是连续相。
蜡晶：常温、常压下，分子 中碳原子数在16个以上的 烷烃以结晶状态存在。石蜡： C17-C35的蜡分子以正构烷 烃居多，另含有少量的异构 烷烃和环烷烃。
5.2
泥浆的流变性
5.2.1 泥浆的组成和分类
2.泥浆的组成和分类
（1）水基泥浆
淡水泥浆 盐水泥浆 钙处理泥浆 以水为分散介质，组分是粘土、水和化学处理剂。 这类泥浆发展最早，使用最广泛
T析——析蜡温度 T反——反常温度点 T终——析蜡终点
现出剪切稀释性和触变性。
5.1
原油的流变性
5.1.1 温度对原油流变性的影响
1
3
3.流变特性随温度的变化
（3） T终<T<T反
T失>T>T终
相态：蜡晶继续析出，已析出的蜡晶迅速 长大、凝聚，相互连接成空间网络结构， 液态烃被分割包封在其中，原油失去流动 lgη
基本组成：烷烃 芳香烃 胶质 沥青质 胶质：是石油中相对分子质量及极性仅次于沥青质的大分子非烃类化合物，
具有很强的分散性，溶解于烷烃和芳香烃的物质。
沥青质：是原油中相对分子质量最大，极性最强的非烃类组分。原油中不
溶于非极性的小分子正构烷烃而溶于苯的物质。分离沥青质的溶剂有正戊烷、
正己烷、正庚烷及石油醚等。
压力大于泡点压力时原油粘度 泡点压力处原油的粘度
m C1 pC2 exp C3 C4 p
0 ob p pb
m
泡点压力
某一高于泡点压力的压力
5.1
原油的流变性
5.1.5 原油的粘弹性
迄今为止，国内外对含蜡原油的粘弹性研究甚少。
● 含蜡原油在低温时呈现粘弹特性。
● 实验表明，大庆原油在其非牛顿区都具有粘弹性。 ● 低温输送时原油将处于非牛顿粘弹状态。 ● 粘弹性流体在管输中伴随着应力松弛过程。计算压降时 需用粘弹性端末效应对管输压降计算加以修正。
5.1
原油的流变性
5.1.1 温度对原油流变性的影响
1
3
3.流变特性随温度的变化
（4） T <T终
当各条曲线趋于平行时，析蜡过 程基本终止，此时的温度称为析 蜡终点(T终)。
相态：蜡晶为连续相，而液态烃为分 散相。 流变性：含蜡原油可用非线性粘塑性 流变模式 Herschel Buckley本构方 程 描述 。 T终 lgη
T终 lgη
2
原油的粘温曲线
1 2 3
T反
T析
T
5.1
原油的流变性
5.1.1 温度对原油流变性的影响
1
3
3.流变特性随温度的变化
（2） T反<T< T析
相态：蜡在原油中的溶解度降低， 含蜡原油为过饱和溶液，蜡晶首先 lgη
2
原油的粘温曲线
1 2 3
析出，逐渐形成两相体系，原油为
η
2 1
3
4
Sw
反转点或反相点
5.1
原油的流变性
5.1.3 含水率对原油流变性的影响
2.流变特性随含水率的变化——四个阶段
（2）第二阶段
视粘度急剧上升
当含水率增大到一定程度时，连续相(油)中 当在含水率接近临界 值的情况下发生转相， 液滴发生变形。
η
的分散液滴(水)急剧增多，这使得相间表面
增大。由于液滴的相互作用增强，在液流中 发生液滴间的碰撞和相对滑动，以及相间表
g→h 紧接着连续增加剪切速率
在动态条件下，当剪切速率减小 时，结构逐渐缔合或恢复，称之 结构的动态恢复性 。
g
a

（2）应用：原油输运
经某段距离的过程中，其结构将逐渐恢复，压力梯度逐渐增大。
①含蜡原油经泵机组高速剪切进入管道后，由于剪切速率大大降低，在流
②管道输量下降时，由于剪切速率减小，引起结构的恢复，使压降增大。
工业流变学
教师：张立娟
中国石油大学（北京）
第五章 石油工程流体的流变性
在油气开采中所涉及的流体，大多属于非牛顿流体。 原油
钻井液
压裂液 聚合物溶液 多元复合驱油体系 调剖剂 ……
第五章 石油工程流体的流变性
5.1 原油的流变性
5.2 泥浆的流变性 5.3 压裂液的流变性
5.4 聚合物溶液的流变性
5.1
原油的流变性
撑握的要点

原油流变性随温度的变化

含水率对原油流变性的影响
5.1
1.原油的组成
原油的流变性
5.1.1 温度对原油流变性的影响
原油是一种多组分的复杂混合物。
组成元素：主要元素是碳和氢，约占99～99.5%；其中碳含量约占83～
87%，氢含量约占11～14%。另外，还有硫、氮、氧和其它微量元素。
Sw
当在含水率接近临界 值的情况下发生转相， 液滴发生变形。
反转点或反相点
5.1
原油的流变性
5.1.3 含水率对原油流变性的影响
2.流变特性随含水率的变化——四个阶段
（4）第四阶段
视粘度逐渐下降 η 油包水型转变为水包油型乳状液以后， 随着含水率的进一下增加，分散相(油) 液滴间隔变得更大，它们之间的相互作 用不断减小。 2 1 3 4
面能的作用，从而导致了粘度的迅速上升。
2 1
3
4
Sw
反转点或反相点
5.1
原油的流变性
5.1.3 含水率对原油流变性的影响
2.流变特性随含水率的变化——四个阶段
（3）第三阶段
视粘度急剧下降 η 当含水超过反转点时，分散相(水)成为 连续相，而连续相(油)则成为分散相， 即油包水型转变为水包油型乳状液。粘 度急剧降低。 2 1 3 4
剪切速率的增加，剪应力增大；结构不断裂解，又使剪应力减小。两种因素的作用
c→d d →e
结构破坏因素起主要作用； 剪切速率的影响起主要作用。
5.1
原油的流变性
5.1.4 原油的触变性
屈服值 τ
y b
1.剪切应力随剪切速率的变化——五个过程
（4）结构进一步裂解过程 e→f
由e点开始在定剪切速率下， 经过一定时间，结构裂解致使 剪应力下降到某一平衡值。 两种因素相互作用平衡 e c d h f
或胶凝点
凝固点
5.1
原油的流变性
5.1.1 温度对原油流变性的影响
1
3
3.流变特性随温度的变化
（ 1） T ＞ T 析 相态：蜡晶基本上全部溶解 于原油中，沥青质高度分散， 含蜡原油为拟均匀单相体系。 流变性：牛顿流体的特性。 粘度只随油温而变化。 T析——析蜡温度 T反——反常温度点 T终——析蜡终点
5.1
原油的流变性
5.1.4 原油的触变性
屈服值 τ
y b
3.描述原油流变性的本构方程
（1）平衡流变本构方程
K n
（2）描述原油流变性的本构方程组
总屈服应力 剩余屈服应力 结构破坏稠度系数 总稠度系数 结构系数
两种因素相互作用平衡 e c d h f
yt Kt

5.1
原油的流变性
5.1.4 原油的触变性
屈服值 τ
y b
1.剪切应力随剪切速率的变化——五个过程
（1）结构屈服过程 a→b
由a点开始对结构施加剪力， 到b结构屈服而产生流动。 两种因素相互作用平衡 e c d h f
（2）瞬时破坏过程 b→c
剪切应力迅速下降，且下降幅度很大
g
a

（3）结构缓慢裂解过程 c→d→e
（5）平衡过程
f→g
g
a
含蜡原油已消除时间效应

滞回曲线bcdefgb综 合体现了原油的时间 效应和剪切稀释性
f→g b→c →d→e
为平衡流变曲线 为原油初始流变曲线
5.1
原油的流变性
5.1.4 原油的Hale Waihona Puke 变性屈服值 τy b
2.含蜡原油结构的动态恢复特性
（1）定义
f→g
含蜡原油已消除时间效应 两种因素相互作用平衡 e c d h f
连续相，蜡晶为分散相。 流变性：蜡晶的增多，原油粘度增 T终
大，流动时所受阻力增大，能耗增
加。粘温曲线的斜率增大。但析出 的蜡晶不多，颗粒浓度低且高度分 散，流变性基本上符合牛顿模型。
T反
T析
T
T析——析蜡温度 T反——反常温度点 T终——析蜡终点
5.1
原油的流变性
5.1.1 温度对原油流变性的影响
5.2
泥浆的流变性
5.2.1 泥浆的组成和分类
1.泥浆在钻井工作中的主要功用
携带和悬浮钻屑:把钻头破碎的岩屑从井底带出井眼，保持井眼净化。当接单根或临时 停止循环时，泥浆又能把井眼内的钻屑悬浮住，不致很快下沉，防止沉砂卡钻的危险。
稳定井壁：泥浆组分对钻遇的泥页岩的水化膨胀和分散具有较强的抑制作用。同时，
n
幂指数 g
结构系数 触变稠度系数
w
触变屈服应力 a
yt y 1 y1
Kt K 2 K1

原油的触变性
1 10 exp(b1 t )
2
剪切破坏指数
a2 a2 w exp a b t 20 2 2 w w a2 b2 a2 b2
2
原油的粘温曲线
1 2 3
T反
T析
T
T析——析蜡温度 T反——反常温度点 T终——析蜡终点
5.1
原油的流变性
5.1.2 溶解气对原油流变性的影响
溶解气对原油流变性的影响总的来说是比较复杂的。 溶解气越多，在其它条件相同时，原油的屈服应力和粘度都将下降。 溶解气的存在影响原油中石蜡、沥青质以及胶质的物理特性和存在的状态。 石蜡分子本身的结构强度将下降，降低石蜡的结晶温度 降低沥青质微粒的分散程度 原油中重质芳香烃的含量则相对减少
温度敏感性
原油的流变性与温度关系密切
5.1
原油的流变性
5.1.1 温度对原油流变性的影响
3.流变特性随温度的变化
描述流变特性明显变化的温度参数 析蜡点 反常点 值接近 显触点 失流点 溶解于原油蜡晶 开始析出的温度 原油粘度出现反常，不再是温度的单一函数的温度 随温度降低，原油开始明显显现出触变性的温度 原油开始胶凝而失去流动性的最高温度称为胶凝点或失流 点。凝胶状态下的含蜡原油称为凝胶原油或胶凝原油 。 含蜡原油发生转相，开始凝固的温度。
5.1
1.反转点或反相点
原油的流变性
5.1.3 含水率对原油流变性的影响
将视粘度开始下降的含水率临界值称为反转点或反相点。
2.流变特性随含水率的变化——四个阶段
（1）第一阶段
视粘度逐渐上升
当含水率较小时，分散相(水)液滴间隔较大， 它们之间的相互作用只有通过连续相(油)速 度场的相互作用才能表现出来。此时，随含 水率增加，含水原油的粘度缓缓上升。