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：∙∙=+εησσηE （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：∙∙∙∙∙∙+=++++εηεηησηησηηησ1121212122111E 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[11ηη+--+=）（ （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<s σ时，改进型粘弹塑性模型即为典型的Burgers 蠕变模型；当σ≥s σ时，改进型Burgers 蠕变模型偏量行为可由以下关系描述：总应变率 j i P j i M j i K ji e e e e &&&&++= Kelvin 体 j i K j i K j i e E e S 1122+=&ηMaxwell 体 2222ηj i ji 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&&31-∂∂= 其中 ][332211σσσλ∂∂+∂∂+∂∂=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）当0s ττ>时132********(t )=[-(-)e x p (-)](/)()/()32a s B C J t t J J J t t t A A-∞∞++--+βηηττττ （2-8） 其中1212E E J E E ∞+= ,021J E =,11E βη= 式中：J ∞为长期柔量，0J 为瞬时柔量，β为蠕变时间相关系数，0τ为启动时恒定的剪切应力，s τ为塑性屈服应力。

④ 粘弹塑性损伤模型刘刚等人[10]在伯格斯模型和西原正夫模型的基础上考虑胶凝原油蠕变过程中的损伤建立了胶凝原油的黏弹塑性损伤模型，其本构方程为此模型能够很好的描述胶凝原油初期蠕变和后期触变过程，并且无须对曲线分段处理。

2.2 胶凝原油的启动破坏过程兰浩等人[11]认为恒剪切速率下,胶凝原油的受力变形过程分为两个阶段：一是应力递增的初始结构破过程；二是屈服后应力递减的触变过程。

如图所示：此曲线分为两部分，一是应力上升阶段，即初始结构破坏过程;二是应力衰减阶段，即触变过程。

图2-6 恒剪速下应力—应变曲线兰浩等人[11]以Maxwell 体为基础建立的来描述胶凝原油破坏过程应力-应变关系:式中，0τ为启动瞬间的初始剪切应力;η和E 分别为黏度和弹性模量。

从方程表达形式看,该方程能够体现递减硬化材料的力学特性，即应力随应变的增加而增加，但应力上升的幅度在逐渐减小。

通过对不同的胶凝原油进行恒剪速实验验证，此方程对3种原油初始结构破坏过程应力-应变关系的描述和预测效果都比较好，预测精度较高，具有一定的代表性。

同时进行了无量纲分析，发现对于同一种原油在不同恒定剪切速率条件下的初始结构破坏过程,只要测得应力的起始值0τ、屈服应力y τ和屈服应变y γ，便可描述整个受力变形过程的应力-应变关系。

在此模型中作者将初始结构破坏阶段应力和应变之间一直是非线性的，没有考虑在刚剪切的一小段时间里胶凝原油的弹性响应，应再进行深入讨论。

卢兴国等人[12]在考虑了损伤的前提下建立了一种考虑损伤的胶凝原油启动初始应力－应变模型。

其损伤本构方程为式中，0σ即为瞬时弹性应力，对应于=0ε时的应力值，n 为修正因子，E 定义为胶凝原油弹性模量，单位为Pa 。

在实验中影响实验测量结果（屈服值及屈服应变）的因素有3个，即启动剪切速率γ，启动温度T 及降温幅度ΔT ，作者通过改变这三个影响因素验证了此损伤本构模型在描述凝原油初始结构破坏的应力－应变关系时，具有很高的拟合精度，且方程形式简单。

同时作者还对损伤演化方程进行了分析，也即研究恒剪切速率启动初始结构破坏过程中，损伤变量随时间的变化规律。

其中相应的损伤参数D 的表达式为：因启动实验过程中采用的是恒剪切速率，故应变和时间之间存在以下关系t εγ=，带入参数D 表达式得到损伤变量随时间变化的方程：作出了相应条件下的损伤演化曲线，与应力－应变曲线结合分析发现，启动温度对胶凝原油结构损伤破坏过程影响最小，其不同条件下的损伤演化曲线基本重合；而启动剪切速率和静态降温幅度对损伤演化过程的影响相对较大，且随其值的增大，损伤演化过程表现出加速特性。

卢兴国[13]还认为可以用损伤参数D 来描述胶凝原油的破坏特性。

当应变为0时，D 也为0，可认为此时胶凝原油结构不存在缺陷，结构强度大；随着应变的增加，D 也增加，在此过程中认为胶凝原油结构被慢慢破坏，产生缺陷，结构强度越来越小；当应变增加到一定值时，D 开始无限接近于1，此时认为胶凝原油结构被完全破坏，达到最大缺陷，无结构强度，而对应的应变值可作为判断原油再次流动起来的指标。

1998年,ChengChang [14]使用控制应力流变仪研究了静态冷却的含蜡原油的屈服过程，结果表明，含蜡原油的屈服过程分为初始的弹性响应、粘弹性蠕变和最后的粘性流动。

而上述两个模型都把初始破坏处理为一个过程，只考虑瞬态弹性响应，而没有把弹性响应当做一个阶段，故应再加以探究。

三 研究内容以及方法1、研究内容课题主要通过流变仪研究胶凝原油启动时的黏弹塑性破坏过程。

（1）利用旋转流变仪研究胶凝原油的在恒应力下蠕变过程，通过用不同的模型拟合蠕变曲线，建立一种适合该原油的黏弹塑性模型。

（2）探究流变仪中测得的蠕变柔量与管流实验中恒压力启动测得的原油压缩系数的内在联系。

（3）利用旋转流变仪研究胶凝在恒剪切速率启动实验中初始黏弹塑性结构的破坏过程。

（4）探究在恒剪速实验中测得的胶凝原油模量与管流实验中恒流量启动测得的原油压缩系数的内在联系。

2、研究方法通过旋转流变仪选用合适的实验条件对胶凝原油进行实验，并且对实验数据选用适合的数学软件，物理模型进行处理和拟合。

通过显微镜观察胶凝原油的蜡晶析出情况，并作合理分析。

利用数学的、物理的实验数据处理方法对前期已有的以及后续补做实验的大量实验数据进行科学、合理、有效的分析处理。

四研究重点和难点从目前文献中现在多数胶凝原油管道启动模型为以触变性本构方程为基础,重点描述的是原油屈服后的结构裂降过程,而对凝油从受力、变形、再到屈服这一初始结构破坏过程却鲜有研究。

同时从石油大学长距离输油实验室测得的实验数据可以看出流变仪中得到的模量和管流实验中得到的压缩系数有一定的联系，目前没有文献报道这一点，因此本文的难点在于寻找二者之间的联系。