含蠟原油屈服特性研究現(xiàn)狀

翟培軍 王廣志

【摘要】管道輸送的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)量大、占地面積少、密閉安全、可以集中控制和管理、單位輸送量能耗少、運(yùn)輸費(fèi)低。然而，計(jì)劃停輸和事故停輸是不可避免的。因此，為了再啟動(dòng)管道，所施加的壓力必須大于平常的操作壓力以克服膠凝原油的膠凝強(qiáng)度，即施加的壓力必須大于原油的屈服應(yīng)力。本文對(duì)含蠟原油的特性，屈服應(yīng)力的概念、分類、影響因素和測(cè)量方法進(jìn)行了描述，對(duì)屈服應(yīng)力和凝點(diǎn)的關(guān)系進(jìn)行了分析。為了更好、更全面地認(rèn)識(shí)原油流變特性，保證熱油管道的運(yùn)輸安全，對(duì)含蠟原油屈服特性進(jìn)行研究具是有重要實(shí)際意義的。

【關(guān)鍵詞】含蠟原油 屈服應(yīng)力 凝點(diǎn)

世界上很多原油都是含蠟量較多的原油。當(dāng)油溫較高時(shí)，原油中的蠟溶解在液態(tài)原油中，隨著溫度的降低，蠟晶開(kāi)始析出，以顆粒的形式存在于原油之中，當(dāng)油溫進(jìn)一步降低的時(shí)，懸浮的蠟晶進(jìn)一步增多并開(kāi)始相互連接，形成立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)果，這樣導(dǎo)致原油失去了流動(dòng)性。。低溫含蠟原油由于蠟晶結(jié)構(gòu)的存在而具有屈服應(yīng)力。

在原油輸送中，為保證管道輸送的高效性，要求管道輸送時(shí)連續(xù)的流量，避免管線隨意停輸。然而，計(jì)劃停輸和事故停輸是不可避免的。在管道停輸后，若不及時(shí)采取措施，將會(huì)導(dǎo)致凝管。膠凝的含蠟原油具有固體特征，如具有一定的彈性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。但是一旦外力超過(guò)原油的屈服應(yīng)力，原油內(nèi)的蠟晶結(jié)構(gòu)就被破壞，原油重新獲得自由流動(dòng)的能力。因此，為了再啟動(dòng)管道，所施加的壓力必須大于平常的操作壓力以克服膠凝原油的膠凝強(qiáng)度，即施加的壓力必須大于原油的屈服應(yīng)力。

屈服特性是含蠟原油重要的流變性質(zhì)之一，使用它可以表征出含蠟原油的膠凝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。對(duì)含蠟原油的屈服特性進(jìn)行研究，可以使我們更加全面系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)含蠟原油的流變行為，對(duì)保證輸油管路安全運(yùn)營(yíng)具有重要的實(shí)際意義。

1 屈服應(yīng)力的研究狀況

屈服應(yīng)力的概念最早由Bingham在1919 年針對(duì)粘塑性流體提出的。1958 年，Houwink 提出了兩屈服應(yīng)力模型，以表征彈性特征的結(jié)束和粘性特征的開(kāi)始，以此劃分物料的彈性特征、塑性特征和粘性特征。1990 年，Kraynik 針對(duì)電流變體提出了三屈服應(yīng)力模型，即表征流變性質(zhì)的屈服應(yīng)力有三種，分別是彈性極限屈服應(yīng)力、靜屈服應(yīng)力和動(dòng)屈服應(yīng)力。1999 年，李傳憲等人對(duì)新疆膠凝原油的屈服特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，指出臨界屈服應(yīng)變是反映膠凝原油結(jié)構(gòu)由蠕變向流動(dòng)轉(zhuǎn)變的參數(shù)，可以用來(lái)判定膠凝原油是否屈服流動(dòng)。盡管臨界屈服應(yīng)變更能表現(xiàn)膠凝原油的屈服特性，但屈服應(yīng)力在一定程度上能直觀反映膠凝原油結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，且應(yīng)用于輸油管道停輸再啟動(dòng)壓力的計(jì)算也比較直接，因此屈服應(yīng)力仍不失為反映原油低溫流動(dòng)性的一個(gè)重要指標(biāo)。

2 含蠟原油的特性

含蠟原油凝點(diǎn)溫度較高，且在凝點(diǎn)溫度附近或更低的溫度下，原油析出的蠟晶大量增加，蠟晶之間會(huì)形成三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此，原油會(huì)形成膠凝狀態(tài)而失去流動(dòng)性。含蠟原油的膠凝性質(zhì)對(duì)原油的開(kāi)采、集輸、儲(chǔ)存和長(zhǎng)距離管道輸送有重要影響。目前常用凝點(diǎn)作為原油膠凝失去流動(dòng)性的判別指標(biāo)，并以此作為確定含蠟原油儲(chǔ)存和管道輸送的安全工作溫度的依據(jù)；而用屈服應(yīng)力作為衡量膠凝原油結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的大小，并試圖在原油屈服應(yīng)力的基礎(chǔ)上，確定膠凝原油管道的停輸再啟動(dòng)壓力。

含蠟原油中的蠟在低溫下結(jié)晶析出是造成其膠凝的根本原因。膠凝狀態(tài)的含蠟原油有一個(gè)重要特點(diǎn)：具有表觀屈服應(yīng)力，這是由于蠟晶絮凝形成三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。按照含蠟原油形成膠凝結(jié)構(gòu)的原因，把含蠟原油的膠凝分為兩類，即冷卻膠凝和等溫觸變性膠凝。

（1）冷卻膠凝：是指隨著原油溫度的的不斷降低，蠟在原油中的溶解度下降，蠟晶不斷從原油中析出，蠟晶濃度增大，蠟晶之間的相互吸引最終形成蠟晶的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，

（2）等溫觸變性膠凝：在溫度較低情況下，經(jīng)剪切變稀的含蠟原油，在靜置過(guò)程中，由于原油的結(jié)構(gòu)恢復(fù)性，也會(huì)膠凝。

3 屈服應(yīng)力概述3.1 屈服的概念

屈服的概念最先應(yīng)用于固體力學(xué)中，指的是當(dāng)對(duì)彈性材料施加外力時(shí)，當(dāng)外力小于某一值前，只有產(chǎn)生可恢復(fù)的有限變形；當(dāng)此外力超過(guò)某一值時(shí)，則出現(xiàn)應(yīng)力變化不大而應(yīng)變大幅度增加的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為材料的屈服現(xiàn)象。

3.2 屈服應(yīng)力的分類

屈服應(yīng)力分為動(dòng)屈服應(yīng)力和靜屈服應(yīng)力。動(dòng)屈服應(yīng)力是原油由流動(dòng)到停止流動(dòng)的一個(gè)臨界剪切應(yīng)力或者是維持原油繼續(xù)流動(dòng)所需的最小剪切應(yīng)力，是原油內(nèi)部經(jīng)過(guò)破壞后不能完全恢復(fù)的殘余結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。靜屈服應(yīng)力是使經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間靜置的原油開(kāi)始流動(dòng)所需的最小剪切力。

3.3 屈服應(yīng)力的影響因素

3.3.1 熱歷史的影響

原油的熱歷史是通過(guò)影響蠟晶的形態(tài)和結(jié)構(gòu)來(lái)影響含蠟原油的流變性的。蠟晶的結(jié)構(gòu)很大程度上取決于溫度和降溫速率。在較高溫度下，原油中的蠟以液態(tài)形式溶解于油中。當(dāng)原油溫度降低到值，蠟逐漸析出并以顆粒形式存在于液態(tài)原油中。當(dāng)溫度進(jìn)一步降低時(shí)，析出的蠟晶進(jìn)一步增多并相互聯(lián)結(jié)，開(kāi)始具有屈服應(yīng)力[1]。由于原油溫度降低所致的以上因素，很容易使析出的蠟晶吸引、聚集和插疊，形成松散的蠟晶絮凝體結(jié)構(gòu)，使原油成為結(jié)構(gòu)性流體，表現(xiàn)出一定的彈性。當(dāng)溫度低于膠凝點(diǎn)時(shí)，蠟晶絮凝體發(fā)展成為整個(gè)空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使原油膠凝，且溫度越低，蠟晶濃度越大，蠟晶間的作用越強(qiáng)，原油的膠凝程度也越強(qiáng)，所測(cè)得的屈服應(yīng)力就越大。

3.3.2 剪切歷史的影響

當(dāng)原油溫度降低到一定時(shí)，其內(nèi)部的蠟就會(huì)析出、聚結(jié)。若再溫度降低的同時(shí)施加剪切的作用，這將會(huì)對(duì)蠟的析出，聚結(jié)，分散成都和排列方式造成影響，使膠凝原油的結(jié)構(gòu)及其低溫流動(dòng)性發(fā)生變化。當(dāng)原油油樣經(jīng)受的剪切愈加厲害，導(dǎo)致其凝點(diǎn)越低。這種油樣一旦膠凝，其屈服應(yīng)力隨溫度降低而增加的越快。由于高速剪切使析出的蠟晶高度分散在原油中，在剛開(kāi)始靜置降溫時(shí)，不會(huì)立即屈服應(yīng)力。隨著溫度降低，蠟晶進(jìn)一步析出，并與原油中原有的蠟晶相互作用，開(kāi)始出現(xiàn)屈服應(yīng)力，并隨溫度降低屈服應(yīng)力迅速增大。到一定溫度時(shí)，原有的蠟晶基本形成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，若繼續(xù)降溫，則表現(xiàn)為屈服應(yīng)力的增大與靜置降溫前的剪切歷史關(guān)系不大。

3.3.3 靜置時(shí)間的影響

李傳憲等研究發(fā)現(xiàn)，含蠟原油的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不僅和溫度有關(guān)，還和靜置時(shí)間有關(guān)，靜置時(shí)間越長(zhǎng)，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越大。在測(cè)試溫度下，至少恒溫30分鐘后其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度才會(huì)平緩。

3.3.4 油品組成的影響

侯磊[3]等認(rèn)為含蠟原油屈服應(yīng)力的本質(zhì)上是因?yàn)樵椭写嬖谙灳ЫY(jié)構(gòu)，并指出了含蠟量和析蠟性質(zhì)對(duì)膠凝含蠟原油的屈服應(yīng)力有重要影響。膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的存在會(huì)改變?cè)椭邢灳У男螒B(tài)與蠟晶結(jié)構(gòu)，能起到細(xì)化、分散蠟晶的作用，降低蠟晶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使屈服應(yīng)力減小。

4 屈服應(yīng)力和凝點(diǎn)的關(guān)系

根據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)0541-1994的規(guī)定，凝點(diǎn)是所測(cè)液體在所規(guī)定的測(cè)量?jī)x器進(jìn)行加熱和冷卻等實(shí)驗(yàn)條件下液體失去可以流動(dòng)的性性質(zhì)的最高溫度。凝點(diǎn)測(cè)量的具體操作為：將完成熱處理的油樣，裝入已預(yù)熱至熱處理溫度的凝點(diǎn)試管中，裝入油樣大約到距離試管底部50mm處，插入溫度計(jì)，保證溫度計(jì)的水銀球處在試管中油樣的正中央，再將凝點(diǎn)試管輕放入凝點(diǎn)儀中降溫，注意凝點(diǎn)儀所示實(shí)際溫度與凝點(diǎn)試管溫度計(jì)所示溫度的溫差應(yīng)在15℃到25℃之間，以此來(lái)保證實(shí)驗(yàn)油樣的降溫速率滿足SY/T0541-94《原油凝點(diǎn)測(cè)定法》規(guī)定的“凝點(diǎn)測(cè)試的降溫速率應(yīng)控制在0.5～0.8℃/min之間”。當(dāng)溫度計(jì)所示溫度達(dá)到預(yù)測(cè)凝點(diǎn)上8℃時(shí)，將試管輕移出凝點(diǎn)儀，緩慢傾斜，觀察油樣流動(dòng)性。若液面有流動(dòng)跡象，將凝點(diǎn)試管緩慢放回凝點(diǎn)儀中繼續(xù)降溫，溫度每下降2℃，觀察一次，直至某一溫度時(shí)，試管由垂直變成水平放置后在5s內(nèi)油樣液面沒(méi)有流動(dòng)跡象，則認(rèn)為該溫度為此油樣在一定熱處理溫度下的凝點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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[3] 侯磊，張勁軍.含蠟原油屈服應(yīng)力的研究進(jìn)展及分析，油氣儲(chǔ)運(yùn)，2005，24（3）：5―9

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