含蜡原油屈服特性研究现状

含蜡原油屈服特性研究现状

【摘要】管道输送的优点是运量大、占地面积少、密闭安全、可以集中控制和管理、单位输送量能耗少、运输费低。然而，计划停输和事故停输是不可避免的。因此，为了再启动管道，所施加的压力必须大于平常的操作压力以克服胶凝原油的胶凝强度，即施加的压力必须大于原油的屈服应力。本文对含蜡原油的特性，屈服应力的概念、分类、影响因素和测量方法进行了描述，对屈服应力和凝点的关系进行了分析。为了更好、更全面地认识原油流变特性，保证热油管道的运输安全，对含蜡原油屈服特性进行研究具是有重要实际意义的。

【关键词】含蜡原油屈服应力凝点

世界上很多原油都是含蜡量较多的原油。当油温较高时，原油中的蜡溶解在液态原油中，随着温度的降低，蜡晶开始析出，以颗粒的形式存在于原油之中，当油温进一步降低的时，悬浮的蜡晶进一步增多并开始相互连接，形成立体网络结果，这样导致原油失去了流动性。。低温含蜡原油由于蜡晶结构的存在而具有屈服应力。

在原油输送中，为保证管道输送的高效性，要求管道输送时连续的流量，避免管线随意停输。然而，计划停输和事故停输是不可避免的。在管道停输后，若不及时采取措施，将会导致凝管。胶凝的含蜡原油具有固体特征，如具有一定的弹性和结构强度。但是一旦外力超过原油的屈服应力，原油内的蜡晶结构就被破坏，原油重新获得自由流动的能力。因此，为了再启动管道，所施加的压力必须

大于平常的操作压力以克服胶凝原油的胶凝强度，即施加的压力必须大于原油的屈服应力。

屈服特性是含蜡原油重要的流变性质之一，使用它可以表征出含蜡原油的胶凝结构强度。对含蜡原油的屈服特性进行研究，可以使我们更加全面系统地认识含蜡原油的流变行为，对保证输油管路安全运营具有重要的实际意义。

1 屈服应力的研究状况

屈服应力的概念最早由bingham在1919 年针对粘塑性流体提出的。1958 年，houwink 提出了两屈服应力模型，以表征弹性特征的结束和粘性特征的开始，以此划分物料的弹性特征、塑性特征和粘性特征。1990 年，kraynik 针对电流变体提出了三屈服应力模型，即表征流变性质的屈服应力有三种，分别是弹性极限屈服应力、静屈服应力和动屈服应力。1999 年，李传宪等人对新疆胶凝原油的屈服特性进行了试验研究，指出临界屈服应变是反映胶凝原油结构由蠕变向流动转变的参数，可以用来判定胶凝原油是否屈服流动。尽管临界屈服应变更能表现胶凝原油的屈服特性，但屈服应力在一定程度上能直观反映胶凝原油结构的强度，且应用于输油管道停输再启动压力的计算也比较直接，因此屈服应力仍不失为反映原油低温流动性的一个重要指标。

2 含蜡原油的特性

含蜡原油凝点温度较高，且在凝点温度附近或更低的温度下，原油析出的蜡晶大量增加，蜡晶之间会形成三维空间网络结构，因此，

原油会形成胶凝状态而失去流动性。含蜡原油的胶凝性质对原油的开采、集输、储存和长距离管道输送有重要影响。目前常用凝点作为原油胶凝失去流动性的判别指标，并以此作为确定含蜡原油储存和管道输送的安全工作温度的依据；而用屈服应力作为衡量胶凝原油结构强度的大小，并试图在原油屈服应力的基础上，确定胶凝原油管道的停输再启动压力。

含蜡原油中的蜡在低温下结晶析出是造成其胶凝的根本原因。胶凝状态的含蜡原油有一个重要特点：具有表观屈服应力，这是由于蜡晶絮凝形成三维空间网络结构。按照含蜡原油形成胶凝结构的原因，把含蜡原油的胶凝分为两类，即冷却胶凝和等温触变性胶凝。（1）冷却胶凝：是指随着原油温度的的不断降低，蜡在原油中的溶解度下降，蜡晶不断从原油中析出，蜡晶浓度增大，蜡晶之间的相互吸引最终形成蜡晶的空间网络结构，

（2）等温触变性胶凝：在温度较低情况下，经剪切变稀的含蜡原油，在静置过程中，由于原油的结构恢复性，也会胶凝。

3 屈服应力概述3.1 屈服的概念

屈服的概念最先应用于固体力学中，指的是当对弹性材料施加外力时，当外力小于某一值前，只有产生可恢复的有限变形；当此外力超过某一值时，则出现应力变化不大而应变大幅度增加的现象，这种现象称为材料的屈服现象。

3.2 屈服应力的分类

屈服应力分为动屈服应力和静屈服应力。动屈服应力是原油由流

动到停止流动的一个临界剪切应力或者是维持原油继续流动所需

的最小剪切应力，是原油内部经过破坏后不能完全恢复的残余结构的强度。静屈服应力是使经过长时间静置的原油开始流动所需的最小剪切力。

3.3 屈服应力的影响因素

3.3.1 热历史的影响

原油的热历史是通过影响蜡晶的形态和结构来影响含蜡原油的

流变性的。蜡晶的结构很大程度上取决于温度和降温速率。在较高温度下，原油中的蜡以液态形式溶解于油中。当原油温度降低到值，蜡逐渐析出并以颗粒形式存在于液态原油中。当温度进一步降低时，析出的蜡晶进一步增多并相互联结，开始具有屈服应力[1]。由于原油温度降低所致的以上因素，很容易使析出的蜡晶吸引、聚集和插叠，形成松散的蜡晶絮凝体结构，使原油成为结构性流体，表现出一定的弹性。当温度低于胶凝点时，蜡晶絮凝体发展成为整个空间网络结构，使原油胶凝，且温度越低，蜡晶浓度越大，蜡晶间的作用越强，原油的胶凝程度也越强，所测得的屈服应力就越大。

3.3.2 剪切历史的影响

当原油温度降低到一定时，其内部的蜡就会析出、聚结。若再温度降低的同时施加剪切的作用，这将会对蜡的析出，聚结，分散成都和排列方式造成影响，使胶凝原油的结构及其低温流动性发生变化。当原油油样经受的剪切愈加厉害，导致其凝点越低。这种油样一旦胶凝，其屈服应力随温度降低而增加的越快。由于高速剪切使

析出的蜡晶高度分散在原油中，在刚开始静置降温时，不会立即屈服应力。随着温度降低，蜡晶进一步析出，并与原油中原有的蜡晶相互作用，开始出现屈服应力，并随温度降低屈服应力迅速增大。到一定温度时，原有的蜡晶基本形成了网络结构，若继续降温，则表现为屈服应力的增大与静置降温前的剪切历史关系不大。

3.3.3 静置时间的影响

李传宪等研究发现，含蜡原油的结构强度不仅和温度有关，还和静置时间有关，静置时间越长，其结构强度越大。在测试温度下，至少恒温30分钟后其结构强度才会平缓。

3.3.4 油品组成的影响

侯磊[3]等认为含蜡原油屈服应力的本质上是因为原油中存在蜡晶结构，并指出了含蜡量和析蜡性质对胶凝含蜡原油的屈服应力有重要影响。胶质、沥青质的存在会改变原油中蜡晶的形态与蜡晶结构，能起到细化、分散蜡晶的作用，降低蜡晶结构强度，使屈服应力减小。

4 屈服应力和凝点的关系

根据石油天然气行业标准0541-1994的规定，凝点是所测液体在所规定的测量仪器进行加热和冷却等实验条件下液体失去可以流动的性性质的最高温度。凝点测量的具体操作为：将完成热处理的油样，装入已预热至热处理温度的凝点试管中，装入油样大约到距离试管底部50mm处，插入温度计，保证温度计的水银球处在试管中油样的正中央，再将凝点试管轻放入凝点仪中降温，注意凝点仪