§4.3 含蜡原油的流变类型
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含蜡原油的流变类型 §4.3 含蜡原油的流变类型 一、原油的胶体特性 大多数原油一种复杂的稳定的胶体分散体系。其中，分散相是 以沥青质为核心，以附于它的胶质为溶剂化层而构成的胶束，其 分散介质则主要是由液态油分和部分胶质组成。 对含蜡原油来说，原油中蜡的溶解度对温度的依赖性很强， 在较高的温度下，蜡晶基本能够溶解在原油中。当温度降低至某 一温度时，原油中溶解的蜡达到饱和，大分子量的蜡首先结晶析 出。原油中开始有蜡晶析出的最高温度称为原油的析蜡点。 而在常温下，原油中往往会有较多的蜡结晶析出。这些蜡晶 或蜡晶絮凝体的尺寸处于胶体或粗分散体系的范围，因此，多量 蜡晶的析出使得含蜡原油成为以蜡晶为主要分散相的胶体分散体 系或固液悬浮体系。含蜡原油中的蜡在常温下以片状或细小针状 结晶析出，蜡晶的形状很不规则，蜡晶的比表面积较大，蜡晶对 液态油具有亲液的性质，蜡晶之间的范德华引力也容易使蜡晶之 间形成絮凝体结构，从而使含蜡原油在蜡晶析出量很少的温度下 就成为结构性溶胶体系，表现出非牛顿流体特性。
需要说明的是，上述划分原油几种流变类型的温度界限并 不严格，只能作参考，这些界限温度与原油的组成特别是原油 中蜡的含量及其碳数的分布，以及原油所经历的历史条件有很 大关系。例如，当蜡分子碳数分布较窄时，在油温降低过程中， 蜡会在一个较窄的温度范围内大量析出，使得原油的流变性随 温度变化很快，这时原油的反常点、失流点与凝点的之间的温 度范围就较小。 T T析 、 反等特征温度是由粘度或表观粘度随温度变化的趋势 确定的，受一定的人为因素和实验条件的影响，因而不是很确 切的温度数值，或者说误差稍大，但它们毕竟是给出了一个量 的概念，所以在工程实践中有重要的指导意义。在输油管道的 设计与管理中，粘温曲线是不可缺少的基础性资料。
二、含蜡原油流变类型随温度的变化特点 原油的流动性质特别是非牛顿流变性质主要取决于原油的内 部结构，而内部结构因素如蜡晶浓度、蜡晶尺寸与形状、蜡晶聚 集状态、沥青质胶团结构，以及液态油的相对含量等又与原油所 处的温度状态有直接的关系。因此，随着温度的降低，含蜡原油 的流变性也越来越复杂。研究表明，不同油田的含蜡原油，其组 成和物性尽管不同，但流变性规律有许多相似之处。在工程实用 温度范围内，按油温从高到低的变化，参照原油在该热历史下测 得的凝点TZ，大体可把含蜡原油的流变性归纳为三种流变类型。
在温度小于的温度范围，这时粘度不再是温度的单值函数， 图中表现出动平衡表观粘度与温度和剪切率都有关系，这是一个 非牛顿流体温度范围。并且随温度的降低表观粘度增大，剪切稀 释性增强。是原油由牛顿流体特性到非牛顿流体特性的温度转变 点，是原油呈现牛顿流体特性的最低温度，称之为反常点。对照 前面介绍的含蜡原油流变类型的温度划分区间，的大小为TZ+ （10~15℃）左右。 如前所属，在非牛顿流体温度范围内，还有一个失流点温 度T失 ，它是原油中的蜡晶开始形成网络结构使原油失去流动性 的最高温度，而原油的凝点是实验测量中在一定的剪切条件下原 油开始失去流动性的最高温度，即在凝点温度下胶凝原油的结构 T失 强度能够抵抗一定的实验条件下的剪切作用，因此， 稍高于TZ， T失 T失 即 =TZ+（2~4℃）左右。在粘温曲线上，在T< 的温度范 围内，不同剪切率下的粘温曲线较平缓，这是因为这一温度范围 内，蜡晶浓度较大，不同剪切率对蜡晶结构调整的余地不大，故 不同剪切率下的粘温曲线有相互平衡的趋势。
µ ap = Kγɺ n−1
3、屈服-假塑性流体类型 当含蜡原油的温度处于T<TZ+（2~4℃）的范围内时，即在凝 点附近或更低的稳定。由于蜡晶的析出量进一步增多，分散相浓 度增大，颗粒之间的相互作用增大，而开始连成空间网络，成为 连续相，液态油则被分割吸附在蜡晶的空间网络结构之中，使原 油总体上由溶胶状态转变为凝胶状态而失去流动性。这时的原油 流变性有如下特点： ①在较小的外力作用下，胶凝原油不流动，而是产生有限变形 （弹性的或塑性的或粘弹性的），当外力达到某一值时，原油才 开始流动，即原油具有一定的屈服值，开始流动时表现出屈服现 象。温度越低，原油的屈服值越大。
1、牛顿流体类型 当温度T>TZ+（10~15℃）时，原油中的蜡晶基本上全部溶解， 虽有少量的蜡晶及沥青质胶质的胶体粒子，但浓度很低，且 处在高度分散状态，可视为很稀的细分散体系，在这一温度 范围内原油的流变性服从牛顿内摩擦定律，流变曲线如图4－ 4。图4－4中所示的含蜡原油的凝点为32℃，该原油在50℃的 流变曲线，为牛顿流体流变曲线，流变方程为：，故。实际 测量过程中，会发现不同剪切率下测得的粘度有所不同，这 与流变仪的测量精度有关，但一般相差很小，最后可取几个 粘度的平均值。
图4－5 含蜡原油的粘温曲线 － a点对应的温度称为析蜡点，这是根据粘温曲线确定的析蜡点。
实际上，目前测定原油析蜡点的方法有多种，如粘温曲线法、显 微观察法、差热分析法（DSC）等，这些可测的或实用性较强的 析蜡点与前面介绍的热力学意义上的析蜡点有所不同。实际可测 的析蜡点是由于在降温过程中原油中蜡的析出所产生的效应，如 粘温曲线变化、蜡晶尺寸大小、蜡晶析出潜热等，增加到实验仪 器或实验方法可辨别的程度时所对应的最高温度，其与测量仪器 的分辨率或实验方法的精度有较大的关系。实际可测的析蜡点都 会低于原油热力学意义上的析蜡点，并且不同方法测定的析蜡点 也会有差别。实际应用中，应根据具体的客观实验条件、应用目 的等选择合适的析蜡点测定方法。因此在实际可测的析蜡点以上 的温度就已经有蜡析出了，但并不多；而析蜡点以下温度析出的 蜡稍多，客观上已影响了粘温关系的变化。
图4－4 某含蜡原油的流变曲线 －
2、假塑性流体类型 当油温T处于TZ+（2~4℃）<T<TZ+（10~15℃）的范围时，随 油温的降低，蜡晶的析出量增大，沥青质胶质组成的胶体颗粒的 体积增大，外相的相对体积减小，内相浓度增大，含蜡原油成为 浓分散体系，并形成蜡晶以及沥青质胶团的絮凝结构。在剪切过 程中，外力的作用对体系内部物理结构产生影响，可使蜡晶絮凝 结构遭受不同程度的破坏，以及使颗粒取向等。这时含蜡原油的 主要流变性特点是： ①触变性：在一定的剪切率作用下，原油表观粘度随剪切时 间的增加而减少，直至达到动平衡状态。表观粘度达到恒定值， 测温越低，触变性越强。
粘温曲线能够比较直观的反映原油的粘稠程度随温度的变化 关系，但在实际应用中，往往需要用代数形式描述这种关系。 例如，在牛顿流体温度范围内，原油粘度仅是温度的单一函数， 温度越低，粘度越大，并可用方程 零的常数）描述粘度随温度的变化。 在假塑性流体温度范围内，用幂律方程描述原油动平衡条件 下的流变性时，稠度系数K和流变指数n与温度T的关系可用以下 经验公式表示：
②具有明显的触变性。特别是在初次对胶凝原油剪切时， 原油屈服后，结构的裂降很快，在恒剪切速率下，剪切应力或 表观粘度随剪切时间下降幅度较大，且达到动平衡时的时间也 较长。 ③具有较强的剪切稀释性。动平衡流变曲线如图4－4中30℃ 的流变曲线，它在双对数坐标上为一条凹向剪切应力轴的曲线， ɺ τ = τ y + Kγ n 动平衡流变方程可用 拟合，要注意式中的可称之为 动屈服值，它是达到动平衡流动状态的原油保持流动状态所需 的最小剪切应力，它与已形成结构的原油开始流动要克服的屈 服值（称之为静屈服值）不同，动屈服值大小比静屈服值小得 多。 ④同样其表观粘度是温度、剪切率和剪切时间的函数，动平 衡粘度可用下式计算：µ = K γɺ n −1 + τ y ap γɺ
lg µ = A （A、B为大于 − BT
K = βe −αT
或
பைடு நூலகம்
n = a + bT
n = a + bT + cT 2
三、原油的粘温曲线 为了直观地表示上述原油的粘稠程度随温度的变化关系，一般 将原油的粘度和动平衡表观粘度与温度的关系描绘在半对数坐标 系中，称之为粘温曲线，见图4－5。 可见，粘温曲线可以分为两个大的温度范围：一是温度大于T反 的 范围，在这一温度范围内，粘度与温度一一对应，即属于牛顿流 体温度范围。在半对数坐标上，牛顿流体范围的粘温曲线为直线 或分段的直线，粘温方程可表示为lg µ = A − BT，图4－5中牛顿 流体温度范围分为斜率不同的ab和ad段，这是因为在不同的温度 区间，析出的蜡量不同，使得体系对流动的阻力作用不同，表现 为粘温曲线斜率有差别。ba段温度范围低，析出的蜡晶多，粘度 对温度的变化敏感，表现为粘温指数B的数值大。
②剪切稀释性：从低到高改变剪切速率，分别测定每个剪切 率对应的动平衡剪切应力，会发现剪切应力与剪切率之间是非线 性关系，如图4－4中曲线为38℃的原油动平衡流变曲线，其在双 对数坐标系中为斜率小于1的直线，即为假塑性流体，动平衡流变 方程可用幂律形式的方程表示： = Kγɺ n ,(n<1)。且测温越低，K τ 越大，原油的粘稠程度越大，n越小，原油的剪切稀释性越强。 ③原油的粘稠程度可用表观粘度表示，它是温度、剪切率和 剪切时间的函数，在动平衡条件下，表观粘度可用下式计算：
随着温度的进一步降低，蜡晶的浓度逐渐增大，原油内部的胶 体结构越来越复杂，其非牛顿流体性质越来越强。当蜡晶浓度增 大到一定程度时，絮凝的蜡晶则发展成为蜡晶的三维空间网络结 构，而液态油则被嵌固在蜡晶之间，原油产生结构性凝固，成为 凝胶体系，而失去流动性。这种在一定的历史条件下，随温度降 低，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和胶凝原油，其非牛顿流体 特性更强。尽管胶凝原油整体上失去流动性，但其中的绝大部分 组分仍为液态，其蜡晶的空间网络结构一旦被破坏，原油又会变 成溶胶体系而具有流动性。近年来的研究表明，在一定的条件下， 含蜡原油中析出的蜡晶浓度在1m%左右时，原油便开始出现非 牛顿流体特性；蜡晶浓度在3m%左右时，原油开始凝固。这足 以说明蜡晶颗粒形状的非常不规则性，以及蜡晶之间的胶体作用 力较大，由此造成的蜡晶絮凝作用很强。
需要说明的是，上述划分原油几种流变类型的温度界限并 不严格，只能作参考，这些界限温度与原油的组成特别是原油 中蜡的含量及其碳数的分布，以及原油所经历的历史条件有很 大关系。例如，当蜡分子碳数分布较窄时，在油温降低过程中， 蜡会在一个较窄的温度范围内大量析出，使得原油的流变性随 温度变化很快，这时原油的反常点、失流点与凝点的之间的温 度范围就较小。 T T析 、 反等特征温度是由粘度或表观粘度随温度变化的趋势 确定的，受一定的人为因素和实验条件的影响，因而不是很确 切的温度数值，或者说误差稍大，但它们毕竟是给出了一个量 的概念，所以在工程实践中有重要的指导意义。在输油管道的 设计与管理中，粘温曲线是不可缺少的基础性资料。
二、含蜡原油流变类型随温度的变化特点 原油的流动性质特别是非牛顿流变性质主要取决于原油的内 部结构，而内部结构因素如蜡晶浓度、蜡晶尺寸与形状、蜡晶聚 集状态、沥青质胶团结构，以及液态油的相对含量等又与原油所 处的温度状态有直接的关系。因此，随着温度的降低，含蜡原油 的流变性也越来越复杂。研究表明，不同油田的含蜡原油，其组 成和物性尽管不同，但流变性规律有许多相似之处。在工程实用 温度范围内，按油温从高到低的变化，参照原油在该热历史下测 得的凝点TZ，大体可把含蜡原油的流变性归纳为三种流变类型。
在温度小于的温度范围，这时粘度不再是温度的单值函数， 图中表现出动平衡表观粘度与温度和剪切率都有关系，这是一个 非牛顿流体温度范围。并且随温度的降低表观粘度增大，剪切稀 释性增强。是原油由牛顿流体特性到非牛顿流体特性的温度转变 点，是原油呈现牛顿流体特性的最低温度，称之为反常点。对照 前面介绍的含蜡原油流变类型的温度划分区间，的大小为TZ+ （10~15℃）左右。 如前所属，在非牛顿流体温度范围内，还有一个失流点温 度T失 ，它是原油中的蜡晶开始形成网络结构使原油失去流动性 的最高温度，而原油的凝点是实验测量中在一定的剪切条件下原 油开始失去流动性的最高温度，即在凝点温度下胶凝原油的结构 T失 强度能够抵抗一定的实验条件下的剪切作用，因此， 稍高于TZ， T失 T失 即 =TZ+（2~4℃）左右。在粘温曲线上，在T< 的温度范 围内，不同剪切率下的粘温曲线较平缓，这是因为这一温度范围 内，蜡晶浓度较大，不同剪切率对蜡晶结构调整的余地不大，故 不同剪切率下的粘温曲线有相互平衡的趋势。
µ ap = Kγɺ n−1
3、屈服-假塑性流体类型 当含蜡原油的温度处于T<TZ+（2~4℃）的范围内时，即在凝 点附近或更低的稳定。由于蜡晶的析出量进一步增多，分散相浓 度增大，颗粒之间的相互作用增大，而开始连成空间网络，成为 连续相，液态油则被分割吸附在蜡晶的空间网络结构之中，使原 油总体上由溶胶状态转变为凝胶状态而失去流动性。这时的原油 流变性有如下特点： ①在较小的外力作用下，胶凝原油不流动，而是产生有限变形 （弹性的或塑性的或粘弹性的），当外力达到某一值时，原油才 开始流动，即原油具有一定的屈服值，开始流动时表现出屈服现 象。温度越低，原油的屈服值越大。
1、牛顿流体类型 当温度T>TZ+（10~15℃）时，原油中的蜡晶基本上全部溶解， 虽有少量的蜡晶及沥青质胶质的胶体粒子，但浓度很低，且 处在高度分散状态，可视为很稀的细分散体系，在这一温度 范围内原油的流变性服从牛顿内摩擦定律，流变曲线如图4－ 4。图4－4中所示的含蜡原油的凝点为32℃，该原油在50℃的 流变曲线，为牛顿流体流变曲线，流变方程为：，故。实际 测量过程中，会发现不同剪切率下测得的粘度有所不同，这 与流变仪的测量精度有关，但一般相差很小，最后可取几个 粘度的平均值。
图4－5 含蜡原油的粘温曲线 － a点对应的温度称为析蜡点，这是根据粘温曲线确定的析蜡点。
实际上，目前测定原油析蜡点的方法有多种，如粘温曲线法、显 微观察法、差热分析法（DSC）等，这些可测的或实用性较强的 析蜡点与前面介绍的热力学意义上的析蜡点有所不同。实际可测 的析蜡点是由于在降温过程中原油中蜡的析出所产生的效应，如 粘温曲线变化、蜡晶尺寸大小、蜡晶析出潜热等，增加到实验仪 器或实验方法可辨别的程度时所对应的最高温度，其与测量仪器 的分辨率或实验方法的精度有较大的关系。实际可测的析蜡点都 会低于原油热力学意义上的析蜡点，并且不同方法测定的析蜡点 也会有差别。实际应用中，应根据具体的客观实验条件、应用目 的等选择合适的析蜡点测定方法。因此在实际可测的析蜡点以上 的温度就已经有蜡析出了，但并不多；而析蜡点以下温度析出的 蜡稍多，客观上已影响了粘温关系的变化。
图4－4 某含蜡原油的流变曲线 －
2、假塑性流体类型 当油温T处于TZ+（2~4℃）<T<TZ+（10~15℃）的范围时，随 油温的降低，蜡晶的析出量增大，沥青质胶质组成的胶体颗粒的 体积增大，外相的相对体积减小，内相浓度增大，含蜡原油成为 浓分散体系，并形成蜡晶以及沥青质胶团的絮凝结构。在剪切过 程中，外力的作用对体系内部物理结构产生影响，可使蜡晶絮凝 结构遭受不同程度的破坏，以及使颗粒取向等。这时含蜡原油的 主要流变性特点是： ①触变性：在一定的剪切率作用下，原油表观粘度随剪切时 间的增加而减少，直至达到动平衡状态。表观粘度达到恒定值， 测温越低，触变性越强。
粘温曲线能够比较直观的反映原油的粘稠程度随温度的变化 关系，但在实际应用中，往往需要用代数形式描述这种关系。 例如，在牛顿流体温度范围内，原油粘度仅是温度的单一函数， 温度越低，粘度越大，并可用方程 零的常数）描述粘度随温度的变化。 在假塑性流体温度范围内，用幂律方程描述原油动平衡条件 下的流变性时，稠度系数K和流变指数n与温度T的关系可用以下 经验公式表示：
②具有明显的触变性。特别是在初次对胶凝原油剪切时， 原油屈服后，结构的裂降很快，在恒剪切速率下，剪切应力或 表观粘度随剪切时间下降幅度较大，且达到动平衡时的时间也 较长。 ③具有较强的剪切稀释性。动平衡流变曲线如图4－4中30℃ 的流变曲线，它在双对数坐标上为一条凹向剪切应力轴的曲线， ɺ τ = τ y + Kγ n 动平衡流变方程可用 拟合，要注意式中的可称之为 动屈服值，它是达到动平衡流动状态的原油保持流动状态所需 的最小剪切应力，它与已形成结构的原油开始流动要克服的屈 服值（称之为静屈服值）不同，动屈服值大小比静屈服值小得 多。 ④同样其表观粘度是温度、剪切率和剪切时间的函数，动平 衡粘度可用下式计算：µ = K γɺ n −1 + τ y ap γɺ
lg µ = A （A、B为大于 − BT
K = βe −αT
或
பைடு நூலகம்
n = a + bT
n = a + bT + cT 2
三、原油的粘温曲线 为了直观地表示上述原油的粘稠程度随温度的变化关系，一般 将原油的粘度和动平衡表观粘度与温度的关系描绘在半对数坐标 系中，称之为粘温曲线，见图4－5。 可见，粘温曲线可以分为两个大的温度范围：一是温度大于T反 的 范围，在这一温度范围内，粘度与温度一一对应，即属于牛顿流 体温度范围。在半对数坐标上，牛顿流体范围的粘温曲线为直线 或分段的直线，粘温方程可表示为lg µ = A − BT，图4－5中牛顿 流体温度范围分为斜率不同的ab和ad段，这是因为在不同的温度 区间，析出的蜡量不同，使得体系对流动的阻力作用不同，表现 为粘温曲线斜率有差别。ba段温度范围低，析出的蜡晶多，粘度 对温度的变化敏感，表现为粘温指数B的数值大。
②剪切稀释性：从低到高改变剪切速率，分别测定每个剪切 率对应的动平衡剪切应力，会发现剪切应力与剪切率之间是非线 性关系，如图4－4中曲线为38℃的原油动平衡流变曲线，其在双 对数坐标系中为斜率小于1的直线，即为假塑性流体，动平衡流变 方程可用幂律形式的方程表示： = Kγɺ n ,(n<1)。且测温越低，K τ 越大，原油的粘稠程度越大，n越小，原油的剪切稀释性越强。 ③原油的粘稠程度可用表观粘度表示，它是温度、剪切率和 剪切时间的函数，在动平衡条件下，表观粘度可用下式计算：
随着温度的进一步降低，蜡晶的浓度逐渐增大，原油内部的胶 体结构越来越复杂，其非牛顿流体性质越来越强。当蜡晶浓度增 大到一定程度时，絮凝的蜡晶则发展成为蜡晶的三维空间网络结 构，而液态油则被嵌固在蜡晶之间，原油产生结构性凝固，成为 凝胶体系，而失去流动性。这种在一定的历史条件下，随温度降 低，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和胶凝原油，其非牛顿流体 特性更强。尽管胶凝原油整体上失去流动性，但其中的绝大部分 组分仍为液态，其蜡晶的空间网络结构一旦被破坏，原油又会变 成溶胶体系而具有流动性。近年来的研究表明，在一定的条件下， 含蜡原油中析出的蜡晶浓度在1m%左右时，原油便开始出现非 牛顿流体特性；蜡晶浓度在3m%左右时，原油开始凝固。这足 以说明蜡晶颗粒形状的非常不规则性，以及蜡晶之间的胶体作用 力较大，由此造成的蜡晶絮凝作用很强。