原油流变学-第4章 原油流变性 §4.7 非牛顿含蜡原油的历史效应
原油流变学-第4章 原油流变性 §4.8 稠油及原油乳状液的流变性
稠油(Heavy oil)亦称重质原油，是一种富含胶 质和沥青质的多烃类复杂混合物，通常指粘度大于 1102mPa.s(50℃)和相对密度大于0.92g/cm3 (20℃) 的原油。
§4.8 稠油及原油乳状液的流变性
➢ 对于含蜡原油，当油温高于析蜡温度时，粘度较低，原油 呈牛顿流体特性，只有当温度低于析蜡温度并接近凝点时， 粘度才急剧升高，转化为非牛顿流体。
第四章作业：Байду номын сангаас
1、蜡在原油中的状态受哪些条件的影响？胶质、沥 青质对原油流变性的影响有哪些特点？
2、为什么含蜡原油会随着温度的降低出现牛顿流体、 假塑性流体、屈服－假塑性流体三种流变类型？
3、当加热温度低于最优热处理温度时，含蜡原油的 低温流变性恶化的机理是什么？
4、简述原油乳状液的形成原因？原油乳状液的类型 有哪些？
➢ 而对于胶质、沥青质含量高的稠油，其轻馏分(尤其是直链 含蜡烃)含量少，且硫、氧、氮等元素化合物和镍、钒等金 属含量也较高，因而稠油比重大、粘度高、凝点较低，一 般在较宽的温度范围内呈牛顿流体特性。
➢ 稠油不仅在常温粘度大，即使在较高的温度下，仍具有很 高的粘度。在反常点温度以下，稠油往往呈现宾汉姆流体 特性，具有一定的屈服值。
➢ 影响乳状液流变性的因素
➢ 影响乳状液流变性的因素
➢ 影响乳状液流变性的因素
➢ 影响乳状液流变性的因素
➢ 影响乳状液流变性的因素
➢ 影响乳状液流变性的因素
➢ 电粘效应 ➢ 当液珠带电的乳状液受到剪切时，需要克服液珠表面电
荷与周围双电层内反离子的相互作用，这就导致额外的 能量损失，表现为 粘度增大，即电粘效应。 ➢ 老化 ➢ 新鲜乳状液在环境温度下静置储存，随时间延长，乳状 液的流变性会有所变化。
原油流变学非牛顿含蜡原油的历史效应
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需要加强不同油藏、不同开 发阶段、不同原油类型之间 的对比研究，以更好地指导
油藏开发实践。
需要进一步探索如何利用现 代技术手段，如数值模拟、 人工智能等，对原油流变学 非牛顿含蜡原油的历史效应 进行更加精准和深入的研究。
需要加强国际合作与交流， 共同推动原油流变学非牛顿 含蜡原油的历史效应的研究
进展和应用推广。
非牛顿含蜡原油的流变特性
01 02 03 04
非牛顿含蜡原油是指含有一定量蜡的原油，其流变特性比较复杂。
在低温下，非牛顿含蜡原油容易形成网状结构，表现出较强的非牛顿 性。
这种非牛顿性会导致原油在低温下难以流动，给油田生产和运输带来 困难。
研究非牛顿含蜡原油的流变特性对于解决油田生产和运输中的问题具 有重要意义。
原油流变学非牛顿含蜡原油的历史 效应
目 录
• 引言 • 原油流变学概述 • 非牛顿含蜡原油的历史效应 • 应对非牛顿含蜡原油历史效应的策略 • 结论与展望
01 引言
研究背景
原油流变学在石油工业中的重要性
原油流变学是研究原油流动和变形行为的科学，对于石油工业具有重要意义。非牛顿含蜡原油是一种 复杂的流体，其流变特性受多种因素影响，包括温度、压力、剪切历史等。
等参数的影响规律。
为石油工业提供指导
通过研究非牛顿含蜡原油的历史效应，为石油工业在实际生产中提供理论指导和技术支 持。了解非牛顿含蜡原油的流变特性及其影响因素，有助于优化油藏开发方案、提高管
道输送效率以及改进油品加工工艺。
02 原油流变学概述
流变学定义
01
流变学是研究物质在应力、应变、温度等因素影响下流动和变 形的科学。
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
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。
原油流变学-第4章 原油流变性 §4.5 含蜡原油的触变性
（4）用从低到高，再 从高到低改变剪切速率的方 法，测定具有胶凝结构的原 油流变性，ห้องสมุดไป่ตู้得到如图所示 的滞回曲线。
6
（5）对具有触变性的含蜡原油，若在某一剪切速率下 剪切至动平衡状态，可得到相应的动平衡剪切应力和动平衡 表观粘度。
测定触变性含蜡原油的动平衡流变曲线，只可使用一
个油样，通过选择5个或更多的剪切速率档，从低到高逐级 增大，就可得到实验温度下的动平衡流变曲线。
➢ 剪切作用越强，这种破坏程度越大，蜡晶取向越强，表现为： 原油的表观粘度随剪切速率的增大而减小；在恒定的剪切速 率作用下，表观粘度随时间而降低等。
2
二、 含蜡原油的触变性特征 （1）一般在反常点附近的非牛顿流体温度下，由于原油的
内部结构较弱，其触变性在测量流变仪上显现不出来，因此可 以认为原油没有触变性。随温度的进一步降低，原油开始明显 显现出触变性，这一温度称之为原油的显触点。 ➢ 研究表明，原油的显触点取决于原油的组成、原油所经历的
1
➢ 对天然的非牛顿含蜡原油来说，胶质、沥青质与蜡晶能够相 互作用(共晶与吸附等)。一方面，使蜡晶之间的絮凝作用进 一步增强，蜡晶的空间网络结构具有更高的强度。另一方面， 使内部结构逐步恢复到内能最小的稳定状态，表现为随静置 时间的增加，原油的内部结构强度增强，表观粘度增大。
➢ 含蜡原油在常温或低温下的内部结构特点，决定了其具有剪 切稀释性和触变性：即由于剪切的作用，造成含蜡原油中蜡 晶的絮凝结构被破坏、蜡晶在流动方向上取向。
热历史、剪切历史，以及原油添加化学改性剂的条件等。
3
（2）对经历一定历史条件，
并在一定的低温静置条件下形成胶 凝结构的含蜡原油，在恒定的剪切 应力下，进行初次剪切，会得到一 条典型的剪切应力随时间的衰减曲 线，称之为初次裂降曲线。
原油流变学 非牛顿含蜡原油的历史效应
因此，由于共晶与吸附作用，蜡分子不能有序而规则地在已有蜡
晶表面上析出长大，晶体的棱线和顶尖（闭塞作用最小的地方） 就起结晶中心的作用，新的晶体就在这些地方开始生长，直到新 晶体的表面重又由于吸附发生闭塞为止。新形成的晶体的棱线和 顶尖又成为结晶中心，在合适的冷却速率和冷却方式条件下，最 后形成的晶体为发育不全的树枝状、球状或枝-球混合状结构聚 集体。这种蜡晶聚集体的个数相对较少，聚集体的比表面积小， 溶剂化层小，而这中蜡晶聚集体之间的联系又较弱，因而原油的 粘稠程度下降，非牛顿性质减弱，要形成空间网络结构，必须在 更低的温度下（蜡晶进一步析出）时才有可能，且结构强度要小 得多。宏观效果是：原油的凝点、反常点等各特征温度降低，粘 度、屈服值减小，触变性、粘弹性等减弱。
1、加热温度的影响
不同的加热温度对原油的低温流变性有不同的影响。对原油
都有一个使其低温流变性最佳的最优加热温度范围和一个使其流
中的蜡与胶质沥青质的含量比适中（如在0.8~1.5之间）含蜡原油，
变性最差的最差加热温度范围。表4－12给出了大庆含蜡原油在
不同的加热温度下凝点、屈服值和非牛顿流体表观粘度的变化。 可见，大庆原油在53℃及其以下的加热下，凝点最高，当加热温 度在55℃或更高时，凝点下降了10℃左右。其低温下的屈服值和 表观粘度随加热温度的变化也与凝点的变化一致。任丘原油也表 现出随着加热温度的升高至某一温度范围，其低温流变性变好的 特性。
冷却速度对含蜡原油低温流变性的影响有如下特点：
1）在高于析蜡点的温度范围内，冷却速度对原油的低温流变性 没有影响，这是因为所谓冷却速度对含蜡原油低温流变性的影响 是通过影响蜡晶的析出性能而实现的； 2）不同的含蜡原油其组成不同，流变性对冷却速度的敏感程度 也不同； 3）同一种含蜡原油，由于蜡分子大小分布不同、含量不同，蜡 的溶解度也随温度变化，因此不同的温度区间对冷却速度的感受 性不同； 4）一般经最优温度加热的含蜡原油的低温流变性对冷却速度的 敏感性最强。 5）大量室内实验结果表明，冷却速度控制在0.5 ~1℃/min，有利 于含蜡原油低温流变性的改善。因此，室内原油流变性实验常将 此冷却速度作为常规的冷却速度。
(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
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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。
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①对晶核生成的抑制作用，从而使生成的蜡晶数目少，但 体积大；
②胶质的非极性部分（相当长的侧链）与石蜡分子结构相 似，因而在蜡晶生长过程中与之共晶；
表4-12给出了大庆含蜡原油在不同的加热温度下凝点、屈 服值和非牛顿流体表观粘度的变化。
可见，大庆原油在53℃及其以下的加热下，凝点最高，当 加热温度在55℃或更高时，凝点下降了10℃左右。其低温下的 屈服值和表观粘度，随加热温度的变化也与凝点的变化一致。
任丘原油也表现出随着加热温度的升高至某一温度范围， 其低温流变性变好的特性。
23.8
145.7
109.0
60
24.6
29.6
123.0
101.0
70
24.5
33.4
136.2
109.8
90
24.9
34.7
118.5
95.2
3
最优加热温度一般为能使原油中的蜡晶特别是石蜡蜡晶全 部溶解，胶质、沥青质充分游离分散的温度。因为只有这样， 才能消除以前各种热历史、剪切历史等对原油内部蜡晶结构的 影响，充分激发胶质、沥青质的活性，为原油在低温下重新结 晶并形成良好的流变体结构创造必要的前提条件。
5
当加热温度低于最优热处理温度时，含蜡原油的低温流变性 恶化。其原因解释是：
在加热温度较低时，小分子量的低熔点石蜡在原油中溶解， 而从溶解的蜡晶上脱离出来的胶质、沥青质则会吸附到高熔点的 石蜡晶体表面上。当冷却时，已溶解的石蜡重新结晶，但在重新 结晶过程中，缺少具有活性的胶质、沥青质共晶和吸附作用，这 部分蜡晶的结构则不能得到改善，因而造成原油的低温流变性恶 化。
Ga*/Pa
Hale Waihona Puke 100001000 100 10
50℃加热 60℃加热 加降凝剂
1
0.1
0.01
1E-3 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
③而极性部分则吸附在蜡晶表面，从而阻碍新析出的蜡在 蜡晶表面按既定方式聚集长大。
4
因此，由于共晶与吸附作用，蜡分子不能有序而规则地在已 有蜡晶表面上析出长大，晶体的棱线和顶尖（闭塞作用最小的地 方）就起结晶中心的作用，新的晶体就在这些地方开始生长，直 到新晶体的表面重新又由于吸附发生闭塞为止。
新形成的晶体的棱线和顶尖又成为结晶中心，在合适的冷却 速率和冷却方式条件下，最后形成的晶体为发育不全的树枝状、 球状或枝-球混合状结构聚集体。
因此，不同产地的原油，由于组成的不同，其对热历史的 敏感程度不同。
例如上述大庆和任丘原油，在55℃加热时，大庆原油就具 有很好的低温流动性，而任丘原油要在90℃以上的加热温度时 才有较好的低温流动性。
要注意的是：加热温度等历史对含蜡原油流变性的影响， 只发生在有蜡晶析出的温度范围，特别是在非牛顿流体温度范 围内，对高于析蜡点的测量温度，原油的粘度与历史无关。
8
图4-27为对长庆原油分别在50℃、60℃加热以及60℃加热并
添加降凝剂条件下的绝对复数模量
G
* a
随温度的变化曲线。
从图中明显地看出：50℃加热、60℃加热以及添加降凝剂三
种处理条件对长庆原油低温粘弹性的影响，即在较优的加热温度
下或添加有效降凝剂条件下，含蜡原油在较低温度范围内的绝对
复数模量减小，即粘弹性减弱。
这种蜡晶聚集体的个数相对较少，聚集体的比表面积小，溶 剂化层小，而这中蜡晶聚集体之间的联系又较弱，因而原油的粘 稠程度下降，非牛顿性质减弱。要形成空间网络结构，必须在更 低的温度下（蜡晶进一步析出）时才有可能，且结构强度要小得 多。
宏观效果是：原油的凝点、反常点等各特征温度降低，粘度、 屈服值减小，触变性、粘弹性等减弱。
另外，即使加热温度升高到使蜡晶完全溶解的温度，但可能 还不足以使胶质、沥青质分子的活性充分激发，因此在冷却过程 中，胶质沥青质难以有效改善蜡晶结构，仍会造成原油低温流变 性恶化。
6
我国大多含蜡原油经50℃左右的温度加热后，其低温流变 性往往最差。
表4-14的数据表明了我国几种原油的最佳和最差加热温度 范围。但也有例外，例如长庆油田的油坊庄原油，在50℃加热 时凝点最低为5℃，而在45℃或60℃的加热温度下，凝点分别 为15℃和9℃。这也说明微观因素影响的复杂性。
§4.7 非牛顿含蜡原油的历史效应
含蜡原油的流变性不仅取决于原油的组成，尤其是蜡、胶质、 沥青质及轻组分的相对含量，而且还与所处的测量温度密切相关， 例如在不同的温度区间，含蜡原油对应几个不同的流变体类型， 具有不同的流变性。
另外，大量研究表明：含蜡原油的非牛顿流变性还依赖于原 油所经历的各种历史，如：热历史、冷却速率大小、剪切历史、 老化等，因为这些外部因素能对含蜡原油的内部结构，特别是蜡 晶结构产生较大的影响，这一特点被称为非牛顿含蜡原油的历史 效应。 一、热历史的影响
2
表4－12大庆原油流变特性
加热 温度 （℃）
凝点 （℃）
45
32.1
20℃的 屈服值 （Pa）
276.9
30℃的动平衡表观粘度
ap (13.5s1)
（mPa﹒s）
1134
ap (121.5s1)
（mPa﹒s）
268.9
50
34.7
343.9
1742
335.3
53
35.0
-
1790
366.1
55
25.4
热历史是指原油在某一特定流变性表现之前，所经历的各种 温度及其变化过程，包括加热温度、重复加热和重复加热次数、 温度的回升等。
1
1、加热温度的影响 不同的加热温度对原油的低温流变性有不同的影响。 对原油中的蜡与胶质沥青质的含量比适中（如在0.8~1.5之
间）含蜡原油，都有一个使其低温流变性最佳的最优加热温度 范围和一个使其流变性最差的最差加热温度范围。
表4-14 我国一些含蜡原油的最佳热处理温度和最差加热温度范围
原油名称
胜利
任丘
中原
大庆
魏岗
最优加热温 度范围
最差加热温 度范围
100~110℃ 50~70℃
100~110 ℃
50~70℃
85~95℃ ≥55℃ 50~70℃ 50℃左右
100~120 ℃
50~70℃
7
加热温度对含蜡原油低温流变性的影响，与原油中蜡的分 子组成、含量、液态油对蜡的溶解能力，以及胶质沥青质的含 量、活性大小等有较大的关系。