研究生开题报告

开题报告

一、研究目的及意义

我国大部分原油是“三高”原油，即原油含蜡量高、凝点高、低温下粘度高。这种原油低温流变性复杂，由于原油中蜡的存在，低温下油流的粘度会很高，因此输送必须在加热条件下进行以减小摩阻，减低管输压力，保证安全输送。在原油输送中，为保证管道操作系统的高效性，这要求管道输送时保持稳定和连续的流量，避免管线停输。

在现场管道输油时，计划停输和事故停输是不可避免的[1]。停输后，由于管内油温不断下降，含蜡原油中会有蜡晶产生。停输后，由于管内油温不断下降，含蜡原油中会有蜡晶产生。当温度降低到一定程度时，蜡逐渐结晶析出，并以固体颗粒形式悬浮于液态原油中，温度进一步下降，则蜡晶进一步增多并相互连接，形成三维网络结构，液态原油则被限制在蜡晶网络结构中，原油整体失去流动性，形成凝胶[2][3]。胶凝原油具有黏弹塑性的特征，如果在管道中胶凝，则会导致凝管事故的发生。另一方面，所有热油管道还面临着停输后再启动的问题，当热油管道输油温度比较低时，胶凝结构比较强，启动时必须要破坏这种胶凝结构以使液态油流出来从而恢复管道的流动性。停输管道再启动时胶凝原油由于受压缩、剪切会表现出复杂的弹性形变、黏弹性蠕变和结构裂解等流变特性[4] [5]。

以上这些都要求深入研究低温情况下胶凝原油的黏弹/塑性，总结一些规律性的认识，从而有针对性地指导原油输送工艺、生产管理以及原油管道停输再启动的安全性分析。

二国内外研究现状

2.1 胶凝原油黏弹性模型

胶凝原油的屈服过程包括弹性响应，黏弹性蠕变和结构破裂三个阶段，为了研究胶凝原油的启动屈服过程，确定胶凝原油的黏弹性流变模型至关重要。下面介绍几种粘弹性模型。

①麦克斯韦（Maxwell）模型

此模型由弹性元件和粘性元件串联得到，其模型如图2-1所示。

图2-1 Maxwell 模型

其本构方程为：

∙

∙=+εησση

E （2-1）

麦克斯韦体具有瞬时应变的流变特点，它能较形象地反映应力松弛过程。

在恒应力作用下，得到：

E t t σησε+=）（ （2-2） 由式（2-2）可见，在恒应力作用下，应变随时间无限增大，故Maxwell 模型描述的是粘弹性流体，无弹性应变延迟性质。

②伯格斯（Burgers ）模型

由Maxwell 模型和Kelvin 模型串联组成，模型如图2-5所示。

图2-2 伯格斯（Burgers ）模型

其本构方程为：

∙

∙∙∙∙∙+=++++εηεηησηησηηησ1

121212122111E E E E E ）（ （2-3） 考虑蠕变时，由前面恒应力作用下得到的Maxwell 体和Kelvin 体应变表达式，即可得到如下Burgers 模型的蠕变方程：

（2-4） 或用蠕变柔量表示为：

t t E E E t J 122211

)]exp(1[1

1ηη+--+=）（ （2-5） Burgers 模型和Maxwell 模型一样，都可以称为液体模型，即蠕变随时间的增长无限增大[17]。此模型可很好地描述第三期以前的蠕变曲线，但它只考虑了材料的粘弹性，

不能描述整个蠕变曲线全过程。

2.2 胶凝原油黏弹塑性模型

由于描述胶凝原油粘弹性的模型是通过组合简单的线性原件（弹簧模型和粘壶模型）模型得到的，只能描述过渡蠕变和稳定蠕变2阶段，无法描述第三个阶段( 加速蠕变阶段)。故常用应用黏弹塑性模型来描述胶凝原油。目前常用的粘弹塑性模型，大多都是在粘弹性模型基础上加上塑性元件构成，下面介绍几种典型的描述粘弹塑性的模型。

①西原正夫模型

此模型是由虎克固体（Hooker）、粘弹性体（Bingham）串联而成的，它能比较全面地反映岩石的弹-粘弹-粘塑性效应[18]。模型如下图所示。

图2-3 西原正夫模型

一维情况下西原正夫模型的应力-应变关系式可以写成：

（2-6）式中：E1为弹簧的弹性模量；E2为Kelvin体弹簧元件的弹性模量；1η和2η分别为Kelvin体和Bingham体粘壶元件的粘滞系数；σ为模型两端的力；t为时间。如在此模型基础上多串联几个Kelvin模型，即可得到广义的西原正夫模型。

②改进的Burgers模型

改进的Burgers蠕变模型如下图所示。

图 2-4 改进的Burgers 蠕变模型

图中M —C 元件在σ未达到Mohr —Coulomb 准则屈服应力s σ前应变为0，当应力等于或大于s σ时则完全服从Molar-Coulomb 塑性流动规律。当σ

总应变率 j i P j i M j i K j

i e e e e &&&&++= Kelvin 体 j i K j i K j i e E e S 1122+=&η

Maxwell 体 2222ηj i j

i j i M S E S e +=&&

M-C 元件体 j i l o v P j i j i P e g e δσλ&&3

1-∂∂= 其中 ][33

2211σσσλ∂∂+∂∂+∂∂=g g g e l o v P & ③ 含分数阶导数的粘弹塑性模型

王志方等人[19]采用分数阶导数流变元件模型和非线性黏塑性元件模型，建立了具有黏性流的黏弹性固体流变模型和非线性黏弹塑性流变模型:

图2-5 非线性黏弹塑性模型

该模型在一维剪应力状态下的蠕变方程分2种情况：

当0s ≤ττ时

10002(t )=[-(-)e x p (-)](/)a J t J J J t βηττ

-∞∞+ （2-7）