原油流变学-第3章 流变性测量基础 §3.1概述 §3.2 细管法测定流变性
原油流变曲线
原油流变曲线原油流变曲线是石油工程中一个非常重要的参数，它用来描述原油在不同剪切速率下的流变性质。
通过研究原油流变曲线，可以对原油的流变特性进行分析，进而指导石油生产过程的设计与调整。
本文将从原油流变曲线的定义、影响因素以及具体应用等方面进行论述。
一、原油流变曲线的定义原油流变曲线是指将原油剪切应力与剪切速率的关系表示出来的一条曲线。
剪切应力是指在原油中施加剪切力产生的应力，而剪切速率则是原油在受到剪切力作用下的变形速率。
原油流变曲线可以分为剪切应力-剪切速率曲线、粘度-剪切速率曲线以及剪切应力-粘度曲线等不同表示形式。
二、影响原油流变曲线的因素1. 原油成分及含量：原油的成分及含量将直接影响其流变性质。
不同组分的原油在剪切过程中会表现出不同的流变行为，例如某些原油在低剪切速率下呈现剪切稀化，而在高剪切速率下则呈现剪切稠化的特性。
2. 温度：温度对原油的流变性质有显著影响。
一般来说，温度升高会导致原油的粘度降低，使其在剪切过程中流动性增强，流变曲线也会相应发生改变。
3. 懸浮物含量：原油中的悬浮物会对流变特性产生重要影响。
悬浮物在流体中的分布和浓度将影响流体的流动性和黏稠度，进而改变原油的流变曲线。
4. 含水量：原油中的水含量也是影响流变曲线的一个重要因素。
水的存在会降低原油的粘度，使其在剪切过程中呈现更加稀释的特性。
三、原油流变曲线的应用1. 物性评价：通过研究原油的流变曲线，可以评估原油的黏稠度、流动性以及流变特性等物性参数。
这对于在石油生产中进行油井测试及井筒流体分析具有重要意义。
2. 油藏开发：原油流变曲线对于油藏的开发和开采有着重要的指导作用。
通过分析原油的流变特性，可以为油藏的合理开发提供重要依据，例如在注水、注聚等工艺中通过调整剪切速率来优化原油的流动性。
3. 流程设计：原油流变曲线也是流程设计中不可或缺的参考依据。
在炼油过程中，不同原油的流动性差异会影响到管道输送、减压装置以及储存等环节的设计。
(完整版)原油流变学
第一章1粘性;当相邻流层存在着速度差时，快速流层力图加快慢速流层，慢速流层力图减慢快速流层，这种相互作用随着速度差的增加而加剧，流体所具有的这种性质就是粘性2动力粘度：流体对变形的抵抗随形变速率的增加而增加的性质3运动粘度：动力粘度与同温度下流体密度的比值4流变学：是一门研究材料或物质在外力作用下变形与流动的科学5流变学研究的是纯粘性固体与牛顿流体状态间的所有物质的变形与流动的问题5物质的流变性：物体在外力的作用下变形与流动的性质6连续介质：就是把物质看做是由一个挨一个的，具有确定质量的，连续的充满空间的众多微小质点所组成的7一般施加到材料上的力有三种或三种的组合：拉力，压缩力，切向力8应变速率又分为拉伸应变速率和剪切应变速率9剪切应变速率描述的是流体的剪切运动，拉伸应变速率描述流体的拉伸运动10剪切速率：单位时间内剪切应变的变化11本构方程（流变状态方程，流变方程）：料宏观性质的数学模型12物质的流变学分类：刚体，线性弹性体，弹粘性体（弹粘性固体，粘弹性流体），非线性粘性流体，牛顿流体，无粘性流体。
13德博拉准则：De很小，呈现粘性，很大，呈现弹性14分散体系：指将物质（固态，液态，气态）分散成或大或小的粒子，并将其分布在某种介质之中所形成的体系15非均匀分散体系具备的2个条件：在体系内个单位空间所含物质的性质不同，存在着分界的物理界面16流体的流变性分类：按照流体是否含牛顿内摩擦定律（牛顿流体，非牛顿流体），按流体是否具有弹性(纯粘性流体，粘弹性流体)，按照流变性是否与时间有关（与时间有关的流体，与时间无关的流体）17与时间无关的流体：牛顿流体，胀流型流体，宾汉姆流体，屈服-假塑性流体，卡森流体18随着剪切速率的增加，表观粘度是减小的，因此假塑性流体具有剪切稀释性19剪切稀释性：对于假塑性流体，随着剪切速率的增加或剪切应力的增加，表观粘度降低，对其他类型的非牛顿流体，也表明这一特点，这一特点在流变学上称为剪切稀释性20具有剪切稀释性的原因：假塑性流体是最常见的非牛顿流体，在乳胶类，悬浮类，分散类物料中广泛遇到。
原油流变性的研究
在渗流孔道内充分接触与混合, 加上原油内本身存
在着部分天然乳化剂, 逐渐将部分水与原油混合乳
化起来。随着油田水前缘不断推进, 油水乳化逐渐加
剧, 因此, 原油中乳化水含量就会不断增加。 随着原
油乳化水含量的变化, 原油的粘度相应也发生较大
的变化。而原油粘度差异又是导致开采过程中, 注水
前缘指进和前沿突破的重要因素。 因此探求乳化水
韦 5 原油主要属于稠油范畴, 而其它几个油田 的原油主要属于易凝含蜡原油, 当温度高于反常点 时, 崔庄、范庄、码头庄原油粘度相对较低, 流变性表 现较好, 而韦 5 原油粘度较高, 其流变性相对较差。 当原油的温度在反常点以上, 范、崔、码油田的原油 粘度随温度降低, 其粘度变化梯度较小, 而韦 5 原油 表观粘度的变化梯度远远小于其它几个油田的原油
Ξ 收稿日期: 2005 年 10 月 28 日 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
2006 年第 1 期 郑丽梅 原油流变性的研究
81
合物在原油中易形成空间网状结构, 这种结构在原 油流动时容易破坏, 破坏的程度与流动的速度有关。 当原油静止时, 结构得以恢复, 重新流动时粘度就很 大。所以原油具有异常的粘度, 在渗流时易发生滞后 现象。要提高原油的采收率, 就必须改善原油的流变 性, 及降低其粘度和极限动剪切应力。 2. 2 原油触变性实验开展
原油流变性的研究
郑丽梅Ξ
(江苏金湖县试采二厂)
摘 要 本文通过对崔庄、韦 5 等具有江苏油田原油代表性质的原油的流变性开展实验研究, 在对 原油的全分析、流型、触变性、粘温性等实验开展的基础上, 对实验结果进行归纳分析, 并对产生的实验 结果的原因进行了探讨, 初步确定了江苏油田原油的组分性质, 流变模型、粘温特性及其影响因素等结 论。
原油的流变性2
第三章 原油的流变性第一节 原油的组成一、概述石油是一种多组分的复杂混合物。
组成石油的主要元素有碳、氢、氮、氧、硫及一些微量金属元素。
其中碳、氢的含量高达96%—99%，氮、氧、硫三元素的总量约为1%—4%。
微量元素有铁、镍、铜、钒、砷、磷等。
从油田开采得到而未经炼制加工的天然石油一般称原油。
上述元素都以有机化合物的形式存在于其中。
现已确认，组成原油的有机化合物可划分为由碳、氢构成的烃类化合物和含有硫、氮、氧等元素的非烃化合物两大类。
原油中的烃类化合物主要是烷烃、环烷烃和芳香烃，还有少量烯烃。
烷烃是原油的主要组分，其分子通式为，碳键属直键结构的称正构烷烃，带侧键或支键的称异构烷烃。
烷烃的物性与n 值有关。
在常温常压下，C 22+n n H C 1~C 4(即CH 4~C 4H 10)的烷烃呈气态，C 5~C 16的烷烃呈液态，C 17以上的烷烃呈固态。
n 值增加，熔点、沸点等物性也随之升高。
在常温常压下，烷烃的化学性质不活泼，因而稳定性好，在储存过程中不易氧化变质。
烷烃是非极性化合物，几乎不溶于水，但易溶于有机溶剂。
环烷烃是饱和的环状化合物，即碳原子以单键相互连成环状，其它价键为氢原子所饱和的化合物。
原油中环烷烃的含量仅次于正构烷烃，但比异构烷烃多，分子通式为H n C 2n 最简单的环烷烃是环丙炕烃C 3H 6。
环烷烃的碳原子数愈少愈不稳定。
它的密度、熔点、沸点比相同碳原子的烷烃的高，但密度仍小于1g/cm 3。
在常温常压下，n<5的环烷烃呈气态、(即环戊烷烃C 5H 10等呈气态)，C 6~C 26的环烷烃呈液态，分子量更大的环烷烃呈固态。
芳香烃是苯环结构上带有不同烃基侧键的烃类化合物，在常温常压下，它呈液态或固态，它的密度比相同碳数的其它烃类大。
烯烃是碳原子之间具有双键的不饱和烃。
在常温常压下，碳原子数小于6的(即C 6)烯烃是气体，C 6以上的烯烃是液体，碳原子数更大的是固体。
尤其是在残渣油中原油中除上述烃类化合物外，还含有非烃类化合物。
钻井液-第3章(钻井液流变性)
pa ( ) p a .S 1
η—粘滞系数简称粘度
L.Z.J
s
切力与速梯成正比
重庆科技学院石油工程学院
第3页
Drilling Fluids
4.流变曲线与流变图 τ-γ，η′-γ， 函数关系曲线与图。
L.Z.J
重庆科技学院石油工程学院
第4页
Drilling Fluids
第8页
Drilling Fluids
ηa=τa/γa=tgαa>ηb=τb/γb=tgαb
ηa、ηb---某速梯下的粘度
---表观（视）粘度。
τb b τa
剪切稀释性(shear thinning )
— 钻井液表观(视）粘度
（AV–Apparent viscosity）
随速梯（流速）增大而降低 的性质。
L.Z.J
600
0 0.511( 300 s )
600 n 3.32 lg 300 0.511 300 K 511n
( Pa)
Pa.s
n 2
1 1 2 2 1.428 600 100
快的强凝胶
反映钻井液恢复结构 的速度和最终凝胶强度。
主要特征：恢复结构所需 时间和最终凝胶强度的 大小。 意义：
慢的强凝胶
快的弱凝胶 慢的弱凝胶
τa a
b
降低流动阻力，减少功率损耗。
τs γa L.Z.J
重庆科技学院石油工程学院
γb
第10页
γ
Drilling Fluids
3.假塑性液(Pseudo-plastic fluid) （聚合物钻井液、油包水乳化钻井液为典型的假塑性液）
细管法测定流变性(精)
• 在r=0处，流速最大，
• 流速呈抛物线分布这种流动称 为泊肃叶（Poiseuille）流动。
• 通过细管段面的流体体积流量
Q为
R
Q 0 u 2rdr
• 将（2-13）式代上式积分得到
哈根-泊肃叶（Hagen-Poiseuille）
•
Q R 4P 8L
（2-14）
• 若测得ΔP，与对应的Q，
但用细管法测定流体的流 变性。
• 则 F2=2πrLτ 。 满 足 稳 定 流动的条件，
• 若已知细管段L、R，ΔP。• 根据力平衡原理
• 在以管轴心线为中心，半 径为r的圆柱体上，存在
着两个方向相反的力。
• •
F1-F 2=0， Pr （2-18）
2L
• 一是细管L两端的ΔP作用
于圆柱端面上的力F1，
• •
前面已提到8V/D与管壁剪切应力τb
8V
有一定的函数关系，那么这里可以假设： D
（ b )
（2-40）
•
将（2-40）代入（2-32）得
b3( b ) 4
b 2
0
f ( )d
• 将上式两边对τb求导，并利用对积分上限的导数定理，得：
• 3τb2φ（τb）+τb3φ、（τb）=4τb2f（τb）
( D)3 0
2
b
2 b
2
8V
D
4
b3
b 2 f ( )d
0
•
管流的基本方程的具体应用-1
（一）已知流变模式将（2-32）式两边乘以 （
D 3
）
•
R3
Q b3
b 2 f ( )d
原油流变学-第3章 流变性测量基础 §3.3 旋转法测定流变性
11
当 r R1 时， 1 ，则
1
2
M
4h
1 ( R22
1 )
R12
联立求解式（3-65）和式（3-66），并整理得
（3-66）
1R12 2 R22 R12 R22 (2 1 ) 1
R12 R22
R12 R22
r2
（3-67）
上式表明，同轴圆筒旋转流变仪中牛顿流体的旋转角速度与内
u r
（3-61）
那么速度梯度为
du r d
dr dr
在这个速度梯度内，ω是刚性旋转体的角速度，它不产生任何剪切 运动，是不产生粘性阻力的。即若内筒和外筒以同一角速度ω旋转，则 两圆筒间的液体也以同一角速度ω旋转，离中心轴越远，液体的线速度 越大，其速度梯度为ω，但液层间并无相对运动，不产生粘滞阻力。
因此，剪切运动仅由 引起，即此项表示剪切速率。所以，对同 轴圆筒旋转流变仪，其剪切率公式为
r d
dr
（3-62）
9
这也说明，速度梯度和剪切率是两个不同的物理概念，只不过是在 某些流动条件下，二者量值相等，如管道层流就是这种情况。
设作用于液体中半径为 r、高为 h 的圆筒液层上的剪切应力
为τ，它产生的粘滞阻力矩为 2rh r = 2hr 2 ，如果作用在内
在柱坐标中，同轴圆筒内的液体的速 度分布为：
ur 0, uz 0, u u (r)
图3-11
7
1、测量原理
如图3-12所示，在半径为R1的外筒里，同轴地安装了半径为R2 的内圆筒，在两圆筒之间的间隙内充满了粘性液体，现在来考察一 下内圆筒（或外圆筒）以一定角速度旋转的情况。首先假定满足以 下条件：
M (R12 R22 ) 4hR12 R22 (1 2 )
《流变测量学》课件
流变学的应用领域
食品工业
研究膳食福利品的黏度、流动性和质感。
制药工业
分析药物的粘度和流动特性，优化制剂。
化妆品
评估化妆品的质地、延展性和稳定性。
油画
研究绘画材料的流动性和干燥时间。
流变学的基本概念
粘度
描述了流体的黏稠度和抗剪切 能力。
剪切应力
表示材料受到的切变力。
剪切速率
描述流体的变形速率。
流变学的测量方法
粘弹性是指材料同时具有粘度和弹性的特性。 弹塑性是指材料在受力后发生塑性变形的特性。 了解粘弹性和弹塑性的区别可以帮助我们更好地理解材料的变形行为。
流变参数的意义和应用
粘度
了解材料的黏稠度和阻力。
阻尼比
评估材料的能量耗散和减震能力。
剪切模量
描述材料的刚度和强度。
流变参数的意义和应用
帮助我们了解材料的性能与应用。Fra bibliotek1 弹性
材料在受力后恢复原状 的能力。
2 粘弹性
介于固体和流体之间的 材料特性。
3 塑性
材料在受力后会发生永 久性形变的特性。
流变模型和流变规律
流变模型是用数学公式描述材料流变性质的理论模型。 流变规律是描述材料流变行为的定量关系。 通过流变模型和流变规律，我们可以预测和控制材料的流变性能。
粘弹性和弹塑性的区别
1
旋转流变仪
通过测量材料的转动力矩和旋转角度来计算粘度和剪切应力。
2
振动流变仪
利用材料的振动来测量其动态粘弹性和流动性。
3
拉伸流变仪
用于测量材料在受力下的变形性能和粘弹性。
粘度的测量
粘度是材料抵抗变形和流动的特性。 常见的测量方法包括旋转流变仪、振动流变仪和玻璃管流变仪。 通过测量粘度，我们可以了解材料的黏稠度和流動特性。
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Q R 4P D 4P 8L 128 L
上式整理后有
PD 32Q
4L
D3
而
Q D2 ˙V
4
其中，V 为流动断面的平均流速。
那么
32Q 8V
D3 D
（3-11）
（3-12）
12
把式（3-3b）和（3-12）带入式（2-11）得：
b
8V D
根据牛顿流体的流变方程，有
(3-3b)
（3-13）
第三章 流变性测量基础
§3.1 概述
一、流变测量的分类
具有复杂流变性的物料，在外力作用下，力学响应随形变（流动） 方式和形变（流动）历史而异。
从严格意义上讲，流变测量是选择简单流动方式来测定在特定历史 下流体的物料函数，即应力、应变、应变速率及粘度、模量等流变响应 特性。
简单流动中，流体运动的描述有三个主要方向，即流动方向、速 度梯度方向和中性方向。在剪切流动中，这三个方向是相互垂直的；在 拉伸流动中，流动方向与速度梯度方向平行。
10
R 4P
8QL
（3-10a）
或
R4Pt
（3-10b）
8V L
这就是用细管法测定牛顿流体动力粘度的原理。通过确定细管
的几何尺寸 R、L，实验测取 L 两端的压差ΔP 和相应的流量 Q
（或V / t ），就可求得流体的动力粘度μ。
11
二、细管法测定非牛顿流体流变性原理
1、管流基本方程
对牛顿流体来说，由哈根-泊肃叶方程得
存在一一对应的关系； （6）流体是等温的。流速限定 时，流体沿管道产生层层流动，此时剪切面为 同心圆柱面，剪切线为平行于管轴的直线。
在柱坐标中，速度分布可表示为： ur 0, u 0, u z uz (r)
图 3.1
流体微元的运动迹线与剪切线重合。随半径r的增加，流 体微元运动的速度减小，因此管流的剪切率表示为：
b
(
du dr )b
式中，
(
du dr
)
b
是流体在管壁处的剪切率。
∴
du 8V ( dr )b D
（3-14） （3-15）
上式说明，当牛顿流体沿圆管作层流流动时，其在管壁处的剪切
率等于 8V 。在后面的推导中，无论哪一类流体，管流中任一处的 D
稳态剪切流动是纯粘性流体流变性测量中最常用的流动， 具有如下特点：
➢ 在稳态简单剪切流动中，液层刚性地平移，其中任意两 液层微元之间的距离保持不变。液层是物质面，常称剪 切面；
➢ 每个液体微元在流动中保持体积不变；
➢ 对稳态剪切流动，剪切线实际上是液体微元运动的轨迹。
2
二、流变测量的任务与内容
流变测量的任务包括：理论研究和实验技术两个方面。 理论研究主要是建立在各种边界条件下的直接测量值（压力、 扭矩、转速、流量等）与不能直接测量的物料流变响应（应力、应 变、应变速率等）的关系，分析各种流变测量试验的含义及其引入 的误差。 实验技术方面主要是在很宽的测量范围内，实现从稀溶液到固 体等不同状态体系的测定，并使所测量的量尽可能准确反映物料本 身的流变性和工程应用条件，这就要求研制出测量范围广、功能多、 精确度高的流变仪。 对一个具体的流变测量，其总的测量过程可归纳为：（1）设 计或选用适合工程或工艺要求的流变仪，建立物料的流变响应与测 量系统的关系，即寻求流变仪的测量原理；（2）提供反映工程或工 艺性质的流变测量方法；（3）寻找物料的流变方程，发展和检验本 构方程。
9
若一定时间 t 内流体流经细管的体积为V ，即Q V / t ，则式
（3-8）变成如下形式：
V / t R 4P 8L
（3-9）
可见，流过细管的流量与细管半径的四次方成正比，而与流体的 粘度成反比。这一关系式被称为哈根-泊肃叶（Hagen-Poiseuille） 定律。若测得压差 P 与对应的流量 Q，则可由下式求得牛顿流 体的动力粘度：
（3-3a）两式得：
r b R
（3-4）
上述三个公式适用于稳态流动的任何与时间无关的流体。
7
对动力粘度为 的牛顿流体，由式（3-2）和式（3-1）以及牛顿
流体本构方程
du
dr
得
du P rdr
（3-5）
2L
那么，流体流速 u 随半径 r 的分布关系式为： u P (R2 r 2 ) 4L
（3-6）
8
可见，在r
R
处，u=0；在 r=0 处，流速最大，为umax
PR2
4L
，
流速成抛物线分布，这种流动称为泊肃叶（Poiseuille）流动。
通过细管断面的流体体积流量 Q 为：
R
Q 0 u 2rdr
（3-7）
将式（3-6）代入上式积分得出结果：
Q R 4P 8L
（3-8）
图 3-3
因此，按流动方向与速度梯度方向的关系，流动可分为剪切流动和 拉伸流动。剪切流动按照其流动的边界条件可进一步分为拖动流动和压 力流动。拖动流动是由运动边界所造成的流动，而压力流动是边界静止， 由压力梯度产生的流动。
1
按形变历史，即流动速度随时间的变化特点，流动又可分 为稳态流动，即形变速率不随时间改变的流动；瞬态流动，即 应力或应变发生阶跃变化的流动；以及动态流动，即流体经受 交变的应力和应变，通常是小振幅正弦振动的流动。
3
§3.2 细管法测定流变性
一、细管法测粘的基本原理 假定细管能满足下述条件： （1）细管十分长，并呈直线状，且内径均等； （2）流体的流动状态为充分发展的稳定的层流，流体内任
一点的流速仅是其半径r的函数； （3）流体是不可压缩的均质流体； （4）与细管内壁相接触的流体没有滑移； （5）流体流变性质与时间无关，其剪切应力与剪切率之间
若满足稳定流动的条件，根据力平衡原理，F1 F2 0 ，由此
得如下关系式：
Pr
2L
（3-2）
6
可见，剪切应力与距管中心的距离 r 成正比，在 r=R 处，剪切
应力最大，若以 b 表示之，则
b
PR 2L
（3-3a）
或
b
PD 4L
（3-3b）
式中，D 为细管直径。在管中心，r=0， 0 。比较（3-2）和
du
dr
（3-1）
5
如图3-2所示的细管段，长 为L，半径为R，两端压差为
ΔP。在以管轴心线为中心，半
径为r的圆柱体上，存在着两个 方向相反的力：
图 3-2
一是细管 L 两端的压差作用于圆柱端面上的力 F1，F1 r 2P ； 二是流体流动过程中，在圆柱壁面上的粘滞阻F力2 ，若圆柱面 上的剪切应力为 ，则F2 2rL 。