含蜡原油的非线性黏弹-屈服-触变模型研究

More than 80% of crude oil produced in China is waxy crude oil. Waxy crude oil shows complex rheological behaviors below the gelation temperature, such as non-linear viscoelasticity, yielding behavior, and thixotropy, owing to the formation of three-dimensional spongelike interlocking network structure. Up to now, the creep model of waxy crude can only describe the strain’s variation with stress and time; it can not depict the rheological response after yielding. As for the viscoelasto-thixotropic model, it mainly describes the rheological behavior under control shear rate conditions; it is not suitable to describe the creep behavior. To address this problem, using the traditional rheological test methods and the large-amplitude oscillatory shear method (LAOS) to probe the viscosity and elasticity’ evolution during the yielding process. Then, based on the fractional mechanical analog, we plan to propose a new nonlinear viscoelasto-plastic thixotropic model to fully depict the creep behavior and the rheological behaviors under control shear rate and LAOS conditions. Finally, applying the developed model to study the restart flow characteristic of crude oil pipeline. In this project, the key issue in rheological study on waxy crude and its pipeline restart will be solved, that is the constitutive equation, to lay a solid foundation for the restart prediction of engineering pipeline.

我国所产原油大多是含蜡原油。含蜡原油在胶凝温度以下因形成蜡晶三维空间网格结构而表现出非线性黏弹性、屈服及触变性等复杂流变特性。目前，含蜡原油蠕变模型仅能描述含蜡原油在屈服之前及其附近（应变在0至1之内）应变随应力、时间等参数的变化关系，不能描述屈服后的流变响应；而现有含蜡原油黏弹–触变模型主要考虑控制剪切率加载下的流变响应特性，不适应于描述不同应力下的蠕变曲线。为此，本项目结合传统流变测试和大振幅振荡剪切测试（LAOS），研究含蜡原油在屈服裂解过程中黏性和弹性特性的变化规律；然后，基于构建的分数阶导数机械比拟模型，建立能够准确描述含蜡原油在蠕变测试、控制剪切率测试、LAOS测试三种加载方式下全流变响应的非线性黏弹–屈服–触变模型；最后，利用建立的模型，研究含蜡原油在圆管内的启动流特性。本项目将解决含蜡原油流变性和管道再启动研究的关键科学问题——本构模型，为预测现场管道的再启动过程奠定基础。

我国所产原油大多是含蜡原油。含蜡原油在胶凝温度以下因形成蜡晶三维空间网格结构而表现出非线性黏弹性、屈服及触变性等复杂流变特性。目前，含蜡原油蠕变模型仅能描述含蜡原油在屈服之前及其附近（应变在0至1之内）应变随应力、时间等参数的变化关系，不能描述屈服后的流变响应特性；而现有含蜡原油黏弹–触变模型主要考虑控制剪切率加载下的流变响应，不适应于描述不同应力下的蠕变曲线。.目前，已有模型对粘弹性参数的描述效果均不理想。为此，利用两种含蜡原油测量不同降温速率下蜡晶图像及粘弹性参数，提出一个新的弹性模量、耗能模量与随累积析蜡量关系预测模型，结果表明模型预测效果较好，且模型中参数可分别表征不同原油物性及降温速率的影响。并进一步研究了含蜡原油屈服裂解过程中黏性和弹性特性的变化规律，且基于机械比拟模型，建立能够准确描述含蜡原油在不同加载方式下全流变响应的黏弹–屈服–触变模型。.压力波速是管道再启动模拟的关键参数之一，而目前研究较少考虑其值随温度、结构形成、结构破坏等因素的变化。为此，设计并搭建了胶凝原油超声波测试装置，研究了不同温度下恒温静置过程及恒温剪切过程中胜利原油超声波速及其相关参量的变化规律。实验发现：在凝点以下恒温静置过程中，胜利原油超声波速随时间逐渐增大并最终趋于稳定值；而恒温剪切过程中，超声波速逐渐下降并最终趋于稳定值。含蜡原油结构越强，超声波速越大，接收信号电压值越小，超声衰减也越显著。.本项目解决了含蜡原油流变性和管道再启动研究的关键科学问题：本构模型和油品压缩性，为预测现场管道的再启动过程奠定基础。