§4.4 含蜡原油的粘弹性

二、胶凝含蜡原油的蠕变/回复特性 胶凝含蜡原油的蠕变 回复特性 1、线性粘弹性 图4－11为32℃的大庆胶凝原油在剪切τ=40Pa条件下的蠕变/回 复实验曲线，前7min为应力施加阶段，即蠕变阶段，后8min为应 力消除阶段，即回复阶段。
0.005 0.004 0.003
γ
τ=40 Pa
0.002 0.001 0.000 0 2 4 6 8
10000 1000 100 10 1 0.1 0.01 1E-3
0.1 1 10 100
γ G' 32℃ 33℃ 来自4℃ 35℃ 36℃1000 100 10
γ
G' /Pa
1 0.1
0.01 1E-3 1E-4
τ /Pa
图4－7 大庆原油在不同温度下 ′、γ0与τ的关系曲线 － 大庆原油在不同温度下G′
0.020
0.015
80 Pa 120 Pa
0.010
γ
0.005 0.000 0 10 20 30 40
t /min
图4－12 大庆胶凝原油非线性粘弹性区的蠕变/回复曲线 － 大庆胶凝原油非线性粘弹性区的蠕变 回复曲线
说明在较大剪切应力作用下胶凝原油的应变已超过线性粘弹性区， 而到达非线性区，胶凝结构已有部分地破坏，所产生的应变不能 完全回复。因此，胶凝含蜡原油在非线性粘弹性区产生的变形是 一种弹塑性变形。从上面的小振幅振荡剪切实验结果已知，32℃ 大庆胶凝原油的临界线性应变为0.0044，超过此范围，胶凝原油 则表现出非线性粘弹性。在非线性粘弹性区，胶凝原油蜡晶网络 结构的部分质点产生一定的不可回复的位移，即胶凝原油的结构 遭到一定的破坏。
100 10000 1000 100 80 60 G' G'' γ δ
G', G'' /Pa γ
10 1 0.1 0.01 1E-3 1E-4 1E-5 0.01
δ /°
40 20 0
0.1
1
10
100
图4－6 大庆原油在 ℃的G′、G″和δ与τ的关系曲线 － 大庆原油在32℃ ′ ″
τ /Pa
而在较高的剪切应力下，G′、G″急剧下降，G″下降2个数 量级，G′下降4～5个数量级，以至G′大大小于G″，使δ接近于 90°，表明胶凝原油的结构几乎完全破坏，原油基本上表现出纯 粘性流动。 线性粘弹性区可以用剪切应力表征，容许的最大剪切应力 称为临界线性剪切应力，也可以用剪切应变表征，容许的最大 剪切应变称为临界线性剪切应变。由图4－6可确定出大庆原油 在32℃的测量温度下，其胶凝结构的临界线性应变约为0.0044。 图4－7为大庆原油在几个不同胶凝温度下，储能模量G′和 振荡剪切应变幅值γ随剪切应力τ的变化曲线。可见，随着温度 的降低，胶凝原油的储能模量G′增大，临界线性剪切应力增大， 但临界线性应变减小。另外，胶凝结构开始急剧破坏所对应的 剪切应力即屈服值也随温度的降低而增大。
τ=0 Pa
10
12
14
16
t / min 图4－11 大庆胶凝原油线性粘弹性区的蠕变 回复曲线 － 大庆胶凝原油线性粘弹性区的蠕变/回复曲线
可见，在应力瞬时作用时，胶凝原油有一个约γ=0.001的瞬时应 变跳跃，然后是延迟弹性应变，当应力持续7min时，应变达到 0.0044。而在应力刚消除时，有一个约γ=0.001的瞬时应变回复， 然后是应变随时间的延迟回复，直至应变完全回复至0。这表明 该条件下的胶凝原油具有弹性固体特征，但应变不仅与施加的应 力有关，也与时间有关，并且应变能完全回复。因此，实验条件 下胶凝原油表现出线性粘弹性固体特征。 2、非线性粘弹性 上述条件下所形成的原油胶凝体系，在图4－12所示的τ=80Pa 和120Pa两个较大剪切应力作用下，其在蠕变过程中产生的应变 不能完全回复，并且这两条γ~t曲线转变为以揉量J（J=γ/τ）表示 的J~t关系曲线后，两条J~t关系曲线并不重合。
2、含蜡原油粘弹性随温度的变化关系 图4－9为中原原油在小振幅振荡剪切实验条件下，储能模 量G′、损耗模量G″和损耗角δ等随温度T的变化曲线。其具体的 实验条件为：首先把原油试样加热至50℃的温度，然后以 0.5℃/min的冷却速率使试样降温，在降温过程中，以振荡频率 f=0.215Hz、振荡剪切应变振幅γ0=0.0015的振荡剪切条件，测 量储能模量G′、损耗模量G″和损耗角δ，并得到其随温度T的变 化曲线。 可见，在40℃以上的温度范围，中原原油的储能模量G′和 损耗模量G″均较小，但相对来说G′更小，G″为G′的30倍之多， δ接近90°，说明原油的弹性成分很小，可以认为属于纯粘性流 体。这反映了高温下的原油中蜡晶析出很少，其对原油的流动 性影响很小，原油近似于单相均匀流体体系。
§4.4含蜡原油的粘弹性 含蜡原油的粘弹性 以往人们对原油粘弹性的研究很少，近年来，随着研究的深入和 流变测量技术的发展，对原油粘弹性的认识也逐步加深。 一、胶凝含蜡原油的小振幅振荡剪切实验特性 1、线性粘弹性区的确定及其特点 图4－6是大庆原油的弹性模量G′、损耗模量G″、振荡剪切应 变幅值γ和损耗角δ 随剪切应力τ变化的关系曲线。其测量条件是： 原油经50℃加热，按照0.5℃/min的速度冷却至测量温度32℃，并 恒温30min，使原油形成一定的胶凝状态，然后，使用0.215Hz的 振荡频率，从低到高进行剪切应力的振荡扫描测量，测量G′、G″、 γ和δ 随剪切应力τ的变化。 可见，在较小的振荡剪切应力范围内，G′、G″和δ等均基本 不随剪切应力而变化，表明剪切应力与相应应变的关系处于胶凝 原油的线性粘弹性范围内，原油的胶凝结构没有受到破坏。且在 线性粘弹性范围内，储能模量G′比损耗模量G″大得多，G′几乎为 G″的10倍，损耗角δ也仅为10°左右，反映出胶凝原油的固体结构 特征较强。
1000 100 10
100 80 60 40 20 30 35 40 45 50
G' G''
δ
G', /Pa ,G''
δ /° /°
1 0.1 0.01 1E-3
随温度T的变化曲线 图4－9 中原原油的 ′、G″和δ随温度 的变化曲线 － 中原原油的G′ ″ 随温度
T /℃
随着油温降低至39.5℃左右，G′有一个突升的台阶，G′值增加了 一个数量级，同时G″并没有如此明显的变化，从而使得δ有一个 突降的台阶，由88°左右下降到77°左右。从中原原油在相同加热 温度和冷却速率下的粘温曲线的测定结果看，其反常点为39.5℃。 这表明在39.5℃附近原油中有一个蜡晶的集中析出，其对原油的 流变性质已产生了影响，原油已开始由牛顿流体转变为非牛顿流 体。 当温度降至35.5℃附近时，蜡晶开始大量析出，这时蜡晶浓度、 蜡晶的聚集结构、蜡晶之间的相互作用等使得原油的流变结构特 征发生了较大的变化，造成原油弹性急剧增加，且由于液态油的 流动性受到蜡晶表面吸附及蜡晶结构的限制，使得原油的粘性也 增加较快。表现为G′和G″有较快的增加，并且G′较之G″增加更快， 从而使得δ大幅度下降。