原油流变学-第4章 原油流变性 §4.6 含蜡原油胶凝结构的屈服特性

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胶凝原油结构屈服取决于屈服应变的特点也可由其它实验证明。 对含蜡原油A的胶凝体系，在剪切应力连续增加方式下，按照一定 的剪切应力增加速率，即加载速率，从0开始连续增大剪切应力， 测量相应的剪切应变随应力的变化曲线，结果见图4-21。
γ
10
1 0.1 0.01
measuring temperature: 21℃
1
0.0020 0.0015 0.0010
measuring temperature: 21℃ 1.5 Pa
γ
0.0005
0.0000
-0.0005 0
5
10
15
20
t /min 图4-19 克拉玛依胶凝原油在小剪切应力下的蠕变/回复曲线
➢ 可见，在施加应力后最初的近1min时间内，胶凝原油并没有产
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1、应力施加方式的影响
➢ 就剪切应力连续增加的方式来说，剪切应力增大到某一值所对应的应变，
不仅与该应力值有关，而且与起始加载应力值的大小有关，也与整个应
§4.6含蜡原油胶凝结构的屈服特性
一、胶凝原油的屈服过程特性
本章第4节曾经指出，胶凝含蜡原油在较小的外力作用下，表现 出线性粘弹性，而在较高的外力作用下，会表现出非线性粘弹性， 具有典型的粘弹性蠕变特点。下面以我国克拉玛依胶凝含蜡原油的 屈服过程为例，作进一步分析。
1、线性粘弹性过程 实验基本条件：油样加热温度为50℃，然后以0.5℃/min的冷却 速率静态冷却至凝点附近的测量温度，再恒温30min，以使胶凝结构 充分形成，然后再进行有关屈服特性的测量。 图4-19为克拉玛依原油经冷却胶凝，在21℃测量温度下的蠕变/ 回复实验结果。在0t15min内，给胶凝原油施加恒定剪切应力 =1.5Pa；在15t20min内，撤消施加的应力，即=0Pa。
15
20
25
τ /Pa
➢ 可见，对胶凝原油A来说，尽管图4-21中3条曲线的加载速率不同，
分别为2.5、5和10Pa/min，但均是在应变增大到0.040左右时，胶
凝原油屈服而流动，即该胶凝原油的屈服应变为0.040。
➢ 不同原油的屈服应变不同，但实验结果都反映出，决定胶凝原油
屈服流动的物性参数是其屈服应变，而不是屈服值。
生大于0的应变，即=0；
➢ 但1min后，应变很快达到一个恒定值，即=0.00138；
➢ 当应力消除后，应变基本上是立刻恢复至0。
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2、非线性粘弹性过程
图4-20为上述克拉玛依原油在21℃形成的胶凝结构，在几个更 高剪切应力下的蠕变/回复实验结果，前60min为应力施加阶段，后 10min为应变回复阶段。
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➢ 施加的作用应力越大，相应的剪切应变达到y时所需的时间越短。由 此可见，决定胶凝原油是否屈服流动的参数是y，而不是传统上认为 的屈服值。
➢ y是反映原油胶凝结构受力后由蠕变向流动转变的一个物性参数，称 之为屈服应变。
➢ 因此，在外加应力作用下，产生的应变小于屈服应变时，原油表现出 粘弹性固体特性，蠕变即是这种特性表现之一；当应变增大至屈服应 变时，胶凝原油将屈服而流动，原油由凝胶状态转变为溶胶状态。
➢ 同样，在应力消除后的初始回复时刻，应变有明显的瞬态减小，尔后是 应变的缓慢减小。这说明胶凝原油在屈服流动前，具有典型的粘弹性固 体特征。
➢ 但是，这两个应力下的剪切柔量J（J=/t）与时间t关系曲线并不重合。 根据线性粘弹性理论，J～t曲线不重合，表明应变已经超出了胶凝原油 的线性粘弹性范围。
➢ 另外，从最后10min中的应变回复阶段也可以看出，剪切应变难以完全回 复至0，即蠕变阶段产生的应变包括一部分粘性应变，其在应力消除后不 能回复，表明胶凝结构受到不同程度的破坏。
➢ 原油的组成不同、实验温度，则屈服应变不同，说明屈服应变与
原油组成以及温度有关。 8
三、关于胶凝原油屈服值的讨论 屈服值对原油管道的停输再启动压力有直接的决定作用，
准确测定原油的屈服值一直是工业界以及流变学理论界研究 的一个重点。
屈服值被定义为使胶凝体系产生流动所需要的最小剪切 应力。原油的屈服特点可以看出，剪切应变增大到屈服应变 y所对应的应力，应为原油的屈服值。
➢ 图4-20中，在不同实验剪切应力作用下，剪切应变随时间的增加速率 是不同的，剪切应力越大，剪切应变增加越快。
➢ 在较高的剪切应力17.5Pa和20Pa的条件下，剪切应变随时间而增加较 快，但剪切应变几乎均是增加至y=0.070时，突然急剧增大。这表明 原油的胶凝结构已屈服破坏，原油完全流动起来。
➢ 实际上，应力振荡扫描实验表明，上述实验条件下克拉玛依胶凝原油的 线性粘弹性应变范围大致为0.002。从图4-20可以看到，较大剪切应力 下的剪切应变均大大超过了这一线性粘弹性范围，而图4-19中=1.5Pa下 产生的应变0.00138则在这一范围内，因而产生的应变可完全回复。
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二、胶凝原油的屈服与屈服应变
2.5 Pa/min 5 Pa/min 10 Pa/min
1E-3
0
5Baidu Nhomakorabea
10
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20
25
τ /Pa
图4-21 胶凝原油A在剪切应力连续增加下的结构屈服特性
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10
γ
1
measuring temperature: 21℃
2.5 Pa/min
0.1
5 Pa/min
10 Pa/min
0.01
1E-3 0
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从上述胶凝原油的结构特性看，屈服值不仅决定于胶凝 原油的内部结构性质，而且也决定于应力施加的条件。
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1、应力施加方式的影响 ➢ 从蠕变特性看，胶凝原油产生的应变是外加应力及其作用
时间的函数，即=(，t)。 ➢ 即在较小的应力作用下，如果产生的应变超过了胶凝原油
的线性粘弹性范围，尽管应变随时间而增加的速率较慢， 但终将能达到屈服应变，使胶凝原油屈服而流动。这样测 得的屈服值就较小，相应的蠕变时间却较长。 ➢ 相反，施加的剪切应力越大，剪切应变达到屈服应变y所 需的时间越短，测得的屈服值越大。
图4－20 克拉玛依瓶胶凝原油在较大剪切应力下的蠕变/回复曲线
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➢ 由图可见，对=10Pa和15Pa的实验条件，在共60min的蠕变实验过程中， 在初始时刻，应变有一阶跃变化，尔后应变随时间缓慢增加，具有延迟 性，但原油的胶凝结构仍没有达到屈服流动状态。剪切应力越大，胶凝 原油的初始阶跃应变越大，表现出较明显的瞬态固体弹性。