The Relationship between Thixotropy and Temperature of Waxy Crude
-
摘要: 对加剂改性中原原油在其凝点附近不同温度处的触变特性进行了试验研究。利用Houska模型描述含蜡原油的触变性, 计算结果与试验数据吻合良好。研究表明, Houska触变模型中的剩余屈服应力、触变屈服应力、稠度系数、稠度可触变部分系数、流变特性指数与温度成指数函数关系, 而结构建立常数和结构裂降常数与温度无关。Houska触变模型中的参数与温度的关系可以为实际热油管道停输后再启动过程的水力分析提供依据。Abstract: The thixotropy of Zhongyuan pour point depressed (PPD) beneficiated crude oil is studied at different temperatures around the gel point. The Houska's model is applied to describe cr ude's thixotropy and the calculated results are in good agreement with the experimental data. Analysis re sults show that the relationship between parameters τy0, τy1, K, ΔK and n in Hous ka's model and temperature conforms to exponential equation, and the other parame ters a, b and m are irrelevant with temperature. The relationship between paramet ers in Houska's model and temperature can be used to analyze the hydrodynamic c ases of hot oil pipelines in restarting after shutting-down.
-
Keywords:
- waxy crude /
- thixotropy /
- temperature /
- relationship /
- s tudy
-
一. 前言
我国所产原油80%以上为含蜡原油, 加热输送仍然是目前主要的管输工艺。所有热油管道均面临着停输后再启动的问题, 当正常停输或事故停输一定时间后, 由于温降, 管内相当一部分原油将处于低温状态, 析出的蜡晶相互交联形成具有一定强度的网络结构, 使含蜡原油具有触变特性。当泵所能提供的启动压力不足以破坏管中原油结构时, 就会导致凝管。
管道加压后启动过程中的水力分析需要以原油触变模型为基础。含蜡原油触变性的研究包括触变机理、触变模型及其应用于管道停输后再启动过程中的水力分析等几个方面。对于触变机理, 曾用固液两相理论〔1〕和分子理论〔2〕作了一些解释, 由于原油触变性是一种非常复杂的流变行为, 因此难以完全解释清楚。国内外对触变模型进行了很多研究〔3~6〕, 其中最具代表性的是Houska触变模型〔3〕。这些触变模型都体现了剪切应力与剪切速率、剪切时间的关系, 但没有包含温度这一重要参数。
对于热油管道, 停输后再启动时管内原油沿线是非等温的。现有的触变模型只能描述某个特定温度下原油的触变性, 不能描述具有不同温度时原油的触变性, 要将触变模型用于实际热油管道停输后再启动的计算, 必须建立原油触变模型中参数与温度的关系。
二. Houska触变模型
Houska触变模型的状态方程和速率方程分别为:
![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2003/12/href="yqcy-22-12-28-E1.png")
(1) ![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2003/12/href="yqcy-22-12-28-E2.png")
(2) 式中 τ——剪切应力, Pa;
τy0——剩余屈服应力, Pa;
τy1——触变屈服应力, Pa;
K——稠度系数, Pa·sn;
ΔK——稠度可触变部分系数, Pa·sn;
λ——结构参数, 其值在0~1之间;
n——流变特性指数;
t——剪切时间, s;
a——结构建立常数;
b, m——结构裂降常数。
三. 触变性试验
试验所用油样为加剂50 mg/kg的中原原油, 加剂处理温度为65℃。为了模拟输送过程中的管流剪切, 以较小转速搅拌动态降温, 动冷至30℃后取样测定凝点为22℃。流变性测定仪器为控制应力流变仪RS150。试验结果表明, 加剂50 mg/kg的中原原油在此试验条件下开始出现触变性的温度为26℃(即显触点)。本试验中油样触变性试验温度为21~27℃。
为了得到Houska触变模型中剩余屈服应力τy0、稠度系数K和流变特性指数n, 除了在一定的剪切速率下进行触变性试验外, 还要在每个测温下进行高速剪切, 充分破坏油样结构, 然后测量结构充分破坏后的原油在不同剪切速率下的剪切应力。
四. 试验数据回归结果
Houska触变模型中需要确定的参数有8个, 其中状态方程中τy0、τy1、K、ΔK、n等参数的回归借鉴了Cawkwell〔3〕给出的方法, 速率方程中参数a、b、m的回归采用了Meyer-Roth数值回归方法。回归结果见表 1。其中逼近的最佳平方相对误差估计式为:
![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2003/12/href="yqcy-22-12-28-FE1.png")
表 1 根据试验数据回归的不同温度下Houska触变模型的参数
式中 Y——m个试验数据点组成的向量;
F——利用Houska模型计算的m个值组成的向量。
从表 1可以看出, 平方相对误差均小于1.8%, Houska触变模型适用于描述该含蜡原油的触变特性。在22℃和24℃下回归得到的Houska触变模型计算值与试验值的比较结果见图 1。
五. 触变性参数与温度的关系
Houska模型中的τy0、τy1、K、ΔK、n等参数随温度变化的曲线见图 2~图 6。
在Houska模型中, τy0、τy1、K、ΔK、n等参数按方程y=cedT的形式回归, 式中T为油温, c、d为回归方程系数。回归结果见表 2。
表 2 τy0、τy1、K、ΔK、n与温度关系拟合结果
从表 2可以看出, Houska触变模型中的参数τy0、τy1、K、ΔK、n与温度的关系均较好地符合指数方程, 相关系数的平方R2均大于0.92。
在Houska触变模型中, 参数a、b、m与温度的关系见图 7。
试验结果表明, 结构建立系数a和结构裂降常数b、m基本与温度无关, 说明原油结构的裂降速率与温度无关。在计算中, a、b、m可以近似取作常数。蒋永兴〔4〕曾应用其触变模型对不同温度下的触变性试验数据进行了回归, 结果也表明速率方程中结构裂降常数与温度无关。
六. 结论
(1) 利用Houska触变模型对不同温度下中原加剂原油的触变性试验数据进行的回归表明, Houska模型适合于描述该原油的触变性, 回归模型计算结果与试验结果的平方相对误差均不超过1.8%。
(2) Houska触变模型中的参数τy0、τy1、K、ΔK、n与温度的关系符合指数方程, 参数a、b、m与温度无关。
-
[1] 刚芹果: 流体触变性的新解释, 力学与实践, 2001, 23(4)51~53。 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-LXYS200104016.htm [2] 陈文芳: 非牛顿流体的一些本构方程, 力学学报, 1983, 15(1)16~26。 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-LXXB198301002.htm [3] Cawkwell M G, Charles M E: Characteristics of Canadian Arctic thixotropic gelled crude oil utilizing an eight-parameter model, J. of Pipelines, 1989.
[4] 蒋永兴: 胶凝原油流变学特征, 油气储运, 1989, 8(6)6~14。 http://yqcy.paperonce.org/oa/darticle.aspx?type=view&id=19890602 [5] 赵晓东: 改性原油输送管道启动过程非稳态水力热力计算方法研究, 石油大学(北京)硕士研究生毕业论文, 1999。 [6] 陈宏健 张帆等: 一个新的含蜡原油触变性模型, 流变学进展, 2002, 404~408。
下载:
计量
- 文章访问数:
- HTML全文浏览量: 0
- PDF下载量: