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非牛顿含蜡原油溶胶与凝胶相互转化过程特性与机理研究

作　者: 林名桢
导　师: 何利民；李传宪
学　校: 中国石油大学
专　业: 油气储运工程
关键词: 含蜡原油溶胶-凝胶转化过程特性机理
分类号: TE832
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

含蜡原油是一种复杂的混合体系,其流变特性对石油的开采、集输和长距离管道输送等有重大影响。本论文以物理化学和结构力学等基本理论为基础,综合利用流变测量、DSC以及显微镜观察法对非牛顿含蜡原油溶胶与凝胶相互转化过程特性及机理进行了详细的研究和探索。主要研究内容及结果如下：通过对含蜡原油冷却胶凝过程特性的研究发现,原油种类不同,导致原油冷却过程中结构参数的变化规律也不尽相同。降温速率越小,剪切速率越小,原油开始胶凝的温度越高,同时相同温度下形成的胶凝结构越强。依据流变学原理实验并计算验证了原油中蜡晶溶剂化层的存在,根据实验现象结合结晶学原理及溶剂化层理论对含蜡原油的冷却胶凝机理做了进一步的探讨。通过对含蜡原油等温胶凝过程特性的研究发现,静态降温条件下,随着测量温度的降低以及恒温时间的延长,原油的储能模量增大,损耗角减小。对于动态降温或经静态降温并恒温剪切的原油而言,其储能模量的变化趋势与静态降温的原油相似,但损耗角随着测量温度的降低先减小后增大。此外,在较低的温度条件下,随着静止时间的延长,原油损耗角也会表现出先减小后增加的趋势。静态降温速率越小,原油恒温过程中形成的结构越强；而动态降温速率越小,原油在恒温静止初始的结构越强,最终的平衡结构却越弱。当测量温度不同时,降温过程中的剪切速率对原油等温胶凝特性的影响也不同。较高温度下,剪切速率越大,原油恒温过程中形成的结构越强；凝点温度时,原油的等温胶凝结构强度随着剪切速率的增加先减小后增加；当温度较低时,剪切速率越大,原油恒温过程中形成的结构越弱。而恒温剪切对原油的结构总是起破坏作用的。最后对含蜡原油的等温胶凝机理进行了探索。通过对胶凝含蜡原油在不同载荷加载方式下屈服特性的研究发现,胶凝含蜡原油在恒应力下的屈服实际上是一个蠕变过程。引入损伤变量及硬化函数,建立的胶凝含蜡原油非线性蠕变方程,能够精确的描述多种含蜡原油的3个蠕变阶段,简洁实用,可在工程中推广应用。连续增加剪切应力方式下,随着应力加载速率的增加,胶凝原油的屈服值增大,屈服时间减小。在阶梯式增加剪切应力方式下,单阶作用时间增加,胶凝原油的屈服值减小,屈服时间增加；阶段应力增加幅度增大,胶凝原油的屈服值逐渐增大并最终趋为定值,而屈服时间则逐渐减小。在连续增加剪切速率方式下,当剪切速率增加速率较小时,应力随剪切速率的增加出现波动现象；随着加载速率的增大,应力波动现象逐渐减小直至消失,同时胶凝原油的屈服值也逐渐增大。以基于等结构参数法建立的Houska模型为基础,结合原油触变性实验数据,综合推导得出一个描述原油触变裂降曲线的新模型,该模型物理意义明确,适应性较强,使用方便。利用等结构参数法建立了第一个具有理论意义的含蜡原油静态结构恢复模型,并证明该模型可以较好的描述多种含蜡原油的静态结构恢复特性。以青海原油为例详细研究并得出了多种历史条件对上述两个模型拟合参数的影响规律。利用流变测量技术首次对胶凝含蜡原油的熔化特性进行了详细的研究,结果表明,原油的熔化与胶凝并不是简单的逆过程。胶凝原油升温速率越大,相同测量温度下,原油的结构强度越强。终冷温度越低,原油升温过程中相同温度下的结构强度越弱,同时在较高的非牛顿流体温度条件下恒温静止形成的结构也越弱。而终冷温度下的恒温时间对原油的熔化及在较高温度下恒温结构发展特性的影响并不明显。依据实验现象结合结晶学原理提出了相应的胶凝含蜡原油熔化机理。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
第一章引言  12-26
  1.1 课题的研究背景和意义  12-13
  1.2 课题相关国内外研究现状  13-24
    1.2.1 含蜡原油胶凝过程特性研究进展  13-16
    1.2.2 胶凝含蜡原油屈服过程特性研究进展  16-18
    1.2.3 胶凝原油触变特性及模型研究进展  18-23
    1.2.4 晶体的熔化现象及基本理论  23-24
  1.3 本文研究内容  24-26
    1.3.1 含蜡原油冷却胶凝过程特性研究  24
    1.3.2 含蜡原油等温胶凝过程特性研究  24
    1.3.3 胶凝含蜡原油屈服特性及模型研究  24-25
    1.3.4 含蜡原油触变模型研究  25
    1.3.5 胶凝含蜡原油熔化特性研究  25-26
第二章含蜡原油冷却胶凝过程特性  26-48
  2.1 测量原理  26-28
    2.1.1 小振幅振荡剪切实验原理  26-27
    2.1.2 DSC比热测量原理  27-28
  2.2 实验  28-29
    2.2.1 实验油样  28
    2.2.2 实验方法及内容  28-29
  2.3 结果分析  29-43
    2.3.1 静态降温条件下原油的胶凝过程特性  29-39
    2.3.2 动态降温条件下含蜡原油的冷却胶凝过程特性  39-43
  2.4 机理探讨  43-46
    2.4.1 溶剂化层存在性的验证  43-45
    2.4.2 机理解释  45-46
  2.5 本章小结  46-48
第三章含蜡原油等温过程胶凝特性研究  48-68
  3.1 实验部分  48
    3.1.1 材料  48
    3.1.2 测量方法  48
  3.2 结果分析  48-64
    3.2.1 含蜡原油静态降温后的等温胶凝特性  48-52
    3.2.2 含蜡原油经动态降温后的等温胶凝特性  52-60
    3.2.3 原油经恒温剪切后的等温胶凝特性  60-64
  3.3 含蜡原油等温胶凝过程特性的机理解释  64-66
    3.3.1 含蜡原油经静态降温后的等温胶凝机理  64
    3.3.2 原油经动态降温后的等温胶凝机理  64-65
    3.3.3 原油经恒温剪切后的等温胶凝机理  65-66
  3.4 本章小结  66-68
第四章胶凝含蜡原油屈服特性及模型研究  68-91
  4.1 恒应力方式  68-76
    4.1.1 胶凝含蜡原油蠕变特性实验研究  68-71
    4.1.2 非线性蠕变模型的研究  71-76
  4.2 连续增加剪切应力方式  76-80
    4.2.1 实验部分  76
    4.2.2 结果分析  76-80
  4.3 阶梯式增加剪切应力方式  80-88
    4.3.1 改变单阶作用时间  80-85
    4.3.2 改变阶段应力增加幅度  85-88
  4.4 连续增加剪切速率方式  88-90
  4.5 本章小结  90-91
第五章含蜡原油触变模型研究  91-111
  5.1 胶凝含蜡原油的触变裂降模型  91-100
    5.1.1 公式推导  91-93
    5.1.2 数学模型的验证  93-95
    5.1.3 数学模型的分析  95-100
  5.2 触变性含蜡原油静态结构恢复模型研究  100-110
    5.2.1 模型的建立  100-102
    5.2.2 模型的实验验证  102-104
    5.2.3 模型的分析  104-110
  5.3 本章小结  110-111
第六章胶凝含蜡原油熔化特性研究  111-128
  6.1 实验油样的性质以及胶凝原油的制备  111
    6.1.1 实验油样的性质  111
    6.1.2 胶凝原油的制备  111
  6.2 实验仪器及测量方法  111-112
  6.3 结果与讨论  112-126
    6.3.1 不同原油受热熔化规律研究  112-114
    6.3.2 不同原油熔化胶凝规律对比  114-116
    6.3.3 胶凝原油熔化特性影响因素研究  116-119
    6.3.4 原油受热熔化对其恒温结构发展特性的影响  119-126
  6.4 机理解释  126-127
  6.5 本章小结  127-128
结论  128-130
参考文献  130-137
攻读博士期间取得的研究成果  137-139
致谢  139-140
作者简历  140

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