翟培軍 王廣志

【摘要】管道輸送的優(yōu)點是運量大、占地面積少、密閉安全、可以集中控制和管理、單位輸送量能耗少、運輸費低。然而，計劃停輸和事故停輸是不可避免的。因此，為了再啟動管道，所施加的壓力必須大于平常的操作壓力以克服膠凝原油的膠凝強度，即施加的壓力必須大于原油的屈服應(yīng)力。本文對含蠟原油的特性，屈服應(yīng)力的概念、分類、影響因素和測量方法進行了描述，對屈服應(yīng)力和凝點的關(guān)系進行了分析。為了更好、更全面地認識原油流變特性，保證熱油管道的運輸安全，對含蠟原油屈服特性進行研究具是有重要實際意義的。

【關(guān)鍵詞】含蠟原油 屈服應(yīng)力 凝點

世界上很多原油都是含蠟量較多的原油。當(dāng)油溫較高時，原油中的蠟溶解在液態(tài)原油中，隨著溫度的降低，蠟晶開始析出，以顆粒的形式存在于原油之中，當(dāng)油溫進一步降低的時，懸浮的蠟晶進一步增多并開始相互連接，形成立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)果，這樣導(dǎo)致原油失去了流動性。。低溫含蠟原油由于蠟晶結(jié)構(gòu)的存在而具有屈服應(yīng)力。

在原油輸送中，為保證管道輸送的高效性，要求管道輸送時連續(xù)的流量，避免管線隨意停輸。然而，計劃停輸和事故停輸是不可避免的。在管道停輸后，若不及時采取措施，將會導(dǎo)致凝管。膠凝的含蠟原油具有固體特征，如具有一定的彈性和結(jié)構(gòu)強度。但是一旦外力超過原油的屈服應(yīng)力，原油內(nèi)的蠟晶結(jié)構(gòu)就被破壞，原油重新獲得自由流動的能力。因此，為了再啟動管道，所施加的壓力必須大于平常的操作壓力以克服膠凝原油的膠凝強度，即施加的壓力必須大于原油的屈服應(yīng)力。

屈服特性是含蠟原油重要的流變性質(zhì)之一，使用它可以表征出含蠟原油的膠凝結(jié)構(gòu)強度。對含蠟原油的屈服特性進行研究，可以使我們更加全面系統(tǒng)地認識含蠟原油的流變行為，對保證輸油管路安全運營具有重要的實際意義。

1 屈服應(yīng)力的研究狀況

屈服應(yīng)力的概念最早由Bingham在1919 年針對粘塑性流體提出的。1958 年，Houwink 提出了兩屈服應(yīng)力模型，以表征彈性特征的結(jié)束和粘性特征的開始，以此劃分物料的彈性特征、塑性特征和粘性特征。1990 年，Kraynik 針對電流變體提出了三屈服應(yīng)力模型，即表征流變性質(zhì)的屈服應(yīng)力有三種，分別是彈性極限屈服應(yīng)力、靜屈服應(yīng)力和動屈服應(yīng)力。1999 年，李傳憲等人對新疆膠凝原油的屈服特性進行了試驗研究，指出臨界屈服應(yīng)變是反映膠凝原油結(jié)構(gòu)由蠕變向流動轉(zhuǎn)變的參數(shù)，可以用來判定膠凝原油是否屈服流動。盡管臨界屈服應(yīng)變更能表現(xiàn)膠凝原油的屈服特性，但屈服應(yīng)力在一定程度上能直觀反映膠凝原油結(jié)構(gòu)的強度，且應(yīng)用于輸油管道停輸再啟動壓力的計算也比較直接，因此屈服應(yīng)力仍不失為反映原油低溫流動性的一個重要指標(biāo)。

2 含蠟原油的特性

含蠟原油凝點溫度較高，且在凝點溫度附近或更低的溫度下，原油析出的蠟晶大量增加，蠟晶之間會形成三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此，原油會形成膠凝狀態(tài)而失去流動性。含蠟原油的膠凝性質(zhì)對原油的開采、集輸、儲存和長距離管道輸送有重要影響。目前常用凝點作為原油膠凝失去流動性的判別指標(biāo)，并以此作為確定含蠟原油儲存和管道輸送的安全工作溫度的依據(jù)；而用屈服應(yīng)力作為衡量膠凝原油結(jié)構(gòu)強度的大小，并試圖在原油屈服應(yīng)力的基礎(chǔ)上，確定膠凝原油管道的停輸再啟動壓力。

含蠟原油中的蠟在低溫下結(jié)晶析出是造成其膠凝的根本原因。膠凝狀態(tài)的含蠟原油有一個重要特點：具有表觀屈服應(yīng)力，這是由于蠟晶絮凝形成三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。按照含蠟原油形成膠凝結(jié)構(gòu)的原因，把含蠟原油的膠凝分為兩類，即冷卻膠凝和等溫觸變性膠凝。

（1）冷卻膠凝：是指隨著原油溫度的的不斷降低，蠟在原油中的溶解度下降，蠟晶不斷從原油中析出，蠟晶濃度增大，蠟晶之間的相互吸引最終形成蠟晶的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，

（2）等溫觸變性膠凝：在溫度較低情況下，經(jīng)剪切變稀的含蠟原油，在靜置過程中，由于原油的結(jié)構(gòu)恢復(fù)性，也會膠凝。

3 屈服應(yīng)力概述3.1 屈服的概念

屈服的概念最先應(yīng)用于固體力學(xué)中，指的是當(dāng)對彈性材料施加外力時，當(dāng)外力小于某一值前，只有產(chǎn)生可恢復(fù)的有限變形；當(dāng)此外力超過某一值時，則出現(xiàn)應(yīng)力變化不大而應(yīng)變大幅度增加的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為材料的屈服現(xiàn)象。

3.2 屈服應(yīng)力的分類

屈服應(yīng)力分為動屈服應(yīng)力和靜屈服應(yīng)力。動屈服應(yīng)力是原油由流動到停止流動的一個臨界剪切應(yīng)力或者是維持原油繼續(xù)流動所需的最小剪切應(yīng)力，是原油內(nèi)部經(jīng)過破壞后不能完全恢復(fù)的殘余結(jié)構(gòu)的強度。靜屈服應(yīng)力是使經(jīng)過長時間靜置的原油開始流動所需的最小剪切力。

3.3 屈服應(yīng)力的影響因素

3.3.1 熱歷史的影響

原油的熱歷史是通過影響蠟晶的形態(tài)和結(jié)構(gòu)來影響含蠟原油的流變性的。蠟晶的結(jié)構(gòu)很大程度上取決于溫度和降溫速率。在較高溫度下，原油中的蠟以液態(tài)形式溶解于油中。當(dāng)原油溫度降低到值，蠟逐漸析出并以顆粒形式存在于液態(tài)原油中。當(dāng)溫度進一步降低時，析出的蠟晶進一步增多并相互聯(lián)結(jié)，開始具有屈服應(yīng)力[1]。由于原油溫度降低所致的以上因素，很容易使析出的蠟晶吸引、聚集和插疊，形成松散的蠟晶絮凝體結(jié)構(gòu)，使原油成為結(jié)構(gòu)性流體，表現(xiàn)出一定的彈性。當(dāng)溫度低于膠凝點時，蠟晶絮凝體發(fā)展成為整個空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使原油膠凝，且溫度越低，蠟晶濃度越大，蠟晶間的作用越強，原油的膠凝程度也越強，所測得的屈服應(yīng)力就越大。

3.3.2 剪切歷史的影響

當(dāng)原油溫度降低到一定時，其內(nèi)部的蠟就會析出、聚結(jié)。若再溫度降低的同時施加剪切的作用，這將會對蠟的析出，聚結(jié)，分散成都和排列方式造成影響，使膠凝原油的結(jié)構(gòu)及其低溫流動性發(fā)生變化。當(dāng)原油油樣經(jīng)受的剪切愈加厲害，導(dǎo)致其凝點越低。這種油樣一旦膠凝，其屈服應(yīng)力隨溫度降低而增加的越快。由于高速剪切使析出的蠟晶高度分散在原油中，在剛開始靜置降溫時，不會立即屈服應(yīng)力。隨著溫度降低，蠟晶進一步析出，并與原油中原有的蠟晶相互作用，開始出現(xiàn)屈服應(yīng)力，并隨溫度降低屈服應(yīng)力迅速增大。到一定溫度時，原有的蠟晶基本形成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，若繼續(xù)降溫，則表現(xiàn)為屈服應(yīng)力的增大與靜置降溫前的剪切歷史關(guān)系不大。

3.3.3 靜置時間的影響

李傳憲等研究發(fā)現(xiàn)，含蠟原油的結(jié)構(gòu)強度不僅和溫度有關(guān)，還和靜置時間有關(guān)，靜置時間越長，其結(jié)構(gòu)強度越大。在測試溫度下，至少恒溫30分鐘后其結(jié)構(gòu)強度才會平緩。

3.3.4 油品組成的影響

侯磊[3]等認為含蠟原油屈服應(yīng)力的本質(zhì)上是因為原油中存在蠟晶結(jié)構(gòu)，并指出了含蠟量和析蠟性質(zhì)對膠凝含蠟原油的屈服應(yīng)力有重要影響。膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的存在會改變原油中蠟晶的形態(tài)與蠟晶結(jié)構(gòu)，能起到細化、分散蠟晶的作用，降低蠟晶結(jié)構(gòu)強度，使屈服應(yīng)力減小。

4 屈服應(yīng)力和凝點的關(guān)系

根據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)0541-1994的規(guī)定，凝點是所測液體在所規(guī)定的測量儀器進行加熱和冷卻等實驗條件下液體失去可以流動的性性質(zhì)的最高溫度。凝點測量的具體操作為：將完成熱處理的油樣，裝入已預(yù)熱至熱處理溫度的凝點試管中，裝入油樣大約到距離試管底部50mm處，插入溫度計，保證溫度計的水銀球處在試管中油樣的正中央，再將凝點試管輕放入凝點儀中降溫，注意凝點儀所示實際溫度與凝點試管溫度計所示溫度的溫差應(yīng)在15℃到25℃之間，以此來保證實驗油樣的降溫速率滿足SY/T0541-94《原油凝點測定法》規(guī)定的“凝點測試的降溫速率應(yīng)控制在0.5～0.8℃/min之間”。當(dāng)溫度計所示溫度達到預(yù)測凝點上8℃時，將試管輕移出凝點儀，緩慢傾斜，觀察油樣流動性。若液面有流動跡象，將凝點試管緩慢放回凝點儀中繼續(xù)降溫，溫度每下降2℃，觀察一次，直至某一溫度時，試管由垂直變成水平放置后在5s內(nèi)油樣液面沒有流動跡象，則認為該溫度為此油樣在一定熱處理溫度下的凝點。

參考文獻

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[2] 李傳憲，史秀敏.原油屈服值的測量特性，油氣儲運，2001，20（4）：44―46

[3] 侯磊，張勁軍.含蠟原油屈服應(yīng)力的研究進展及分析，油氣儲運，2005，24（3）：5―9

[4] 侯磊，張勁軍.含蠟原油屈服特性的實驗研究，石油天然氣學(xué)報，2007，29（6）：99―102

[5] 李傳憲，李琦瑰.膠凝原油屈服值與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，油氣儲運，2000，19（11）：44―46