Исследование реологических свойств вязкой нефти при различных параметрах ее транспортирования

В данной статье приведен анализ реологических моделей вязких жидкостей. Представлены результаты экспериментальных исследований реологических свойств вязкой нефти. На основе результатов проведенных экспериментов получены зависимости касательного напряжения сдвига от скорости сдвига, в диапазоне температур 10-30 ℃ при различной концентрации присадки. С учетом полученных зависимостей были сделаны выводы о наличии неньютоновских свойств у исследуемой нефти.

В настоящее время вопрос повышения эффективности вязких и высоковязких нефтей поднимается в работах многих ученых.

Для эффективной перекачки вязкой нефти используют несколько основных методов:

применение углеводородных разбавителей;

сооружение лупингов, вставок;

увеличение количества насосных станций (НС) на трубопроводе;

увеличение производительности НС;

Самый распространенный метод трубопроводного транспорта вязкой нефти — перекачка предварительно нагретой нефти. При этом методе предварительно нагретая нефть поступает в магистральный нефтепровод, затем через определенное расстояние на трассе устанавливаются тепловые станции, где нефть подогревается.

Исходными данными служит трубопровод, трасса которого проходит в условиях сильно обводненной, болотистой местности и линзовой вечной мерзлоты по территории Ямало-Ненецкого и Ханты-Мансийского автономных округов Тюменской области. Помимо арктического климата район строительства характеризуется уникальными геологическими и гидрологическими условиями. Увеличивать пропускную способность только с помощью подогрева не рационально, во избежание влияния на окружающую среду [1]. В связи с этим авторами было предложено использование присадок. Был выполнен анализ использования различных присадок как в отечественной, так и в зарубежной практике.

Применяемые присадки по типу товарной формы делятся на две группы: дисперсионные и гелевые [2].

Добавки первого вида представляют собой суспензию полимера в различных жидкостях, не вступающих с ним в химическую реакцию. В качестве таких жидкостей обычно выступают спирты, гликоли и их эфиры. Содержание активного полимера в данных присадках достигает 25%. К таким противотурбулентным присадкам относятся Necadd 447, Liquid Power, FLO XL, FLO MXА, M-FLOWTREAT, Альфакаучук-С, Колтек ПТН 3170, ТурбулентМастер 8010.

Гелевые присадки (CDR 102, FLO, Necadd 547, Виол, X-PAND, HIPR) выполнены в виде раствора полимера в какой-либо углеводородной жидкости (бензин, керосин и др.). Активного полимера в таких присадках содержится около 10%.

Применение гелевых присадок особо выгодно для трубопроводов, где важны процессы быстроты их растворения. Это могут быть короткие трубопроводы шельфовых месторождений, погрузочных и отгрузочных терминалов.

В последнее время ведется работа над разработкой и внедрением суспензионно-эмульсионных присадок, рассчитанных на применение в условиях добычи нефти и газа на промысловых трубопроводах.

В связи с разнообразием физико-химических свойств перекачиваемой нефти и нефтепродуктов по трубопроводным системам в каждом случае использование химических реагентов является индивидуальной особенностью трубопровода.

Реологические свойства нефти являются основными исходными данными для решения проектных и эксплуатационных задач при разработке месторождения и дальнейшего трубопроводного транспорта.

С учетом параметров исследуемого трубопровода была выбрана противотурбулентная присадка, которая снижает коэффициент гидравлического сопротивления и увеличивает пропускную способность трубопровода.

Одной из основных задач реологических исследований является определение взаимосвязи между силами, действующими на исследуемую среду, и вызванными этими силами деформациями.

Жидкости, называемые ньютоновскими, описываются следующим уравнением:

Гипотеза линейной взаимосвязи касательных напряжений и градиента скорости, предложенная Ньютоном, справедлива не для всех жидкостей. Жидкости, реологическое поведение которых отличается от уравнения, носят название неньютоновских. Неньютоновские жидкости принято разделять на три группы [3]:

1. нелинейно-вязкие жидкости (касательное напряжение является нелинейной функцией скорости сдвига);

2. жидкости с нестационарными реологическими характеристиками (функциональная зависимость между касательным напряжением и скоростью сдвига зависит от времени или предыстории процесса);

3. вязкоупругие жидкости (проявляют упругое восстановление формы после снятия напряжений).

Исследуемый образец нефти можно отнести к нелинейно-вязким жидкостям.

Обзорная классификация реологических моделей нелинейно-вязких сред, предложенных различными исследователями, была приведена в работе [3], некоторые из них приведены в таблице 1.

Таблица 1. Реологические модели нелинейно-вязких сред

Рис. 1. Кривые течения нелинейно-вязких жидкостей:

1 – ньютоновская жидкость, 2 – вязкопластичная жидкость,

3 – псевдопластичная жидкость, 4 – дилатантная жидкость.

Экспериментальные исследования проводились в Центре инженерных изысканий (Горный университет), на ротационном реометре «Kinexus ultra +». Принцип действия ротационного реометра «Kinexus ultra +» заключается в приложении к испытуемому образцу регулируемой деформации сдвига с целью измерения свойств текучести.

В результате экспериментальных исследований были получены основные реологические зависимости, которые показывают наличие неньютоновских свойств у нефти, транспортируемой без присадки (рис. 2) и у образцов нефти, транспортируемых с присадкой 10 г/т (рис. 3), 20 г/т (рис. 4) и 30 г/т (рис. 5) в диапазоне температур 10-30 ℃.

Рис. 2. Зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига без применения присадки

При обработке полученных результатов эксперимента мы получим следующие зависимости для образца нефти, транспортируемой без применения противотурбулентной присадки:

По результатам полученных зависимостей (2-6) и согласно данным таблицы 1, нефть соответствует модели Оствальда – де Вааля. При перекачке нефти без применения присадки, образец нефти относится к нелинейно-вязким жидкостям и показывает наличие неньютоновских свойств при нагреве до 30 ℃.

Рис. 3. Зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига при концентрации присадки 10 г/т

При обработке полученных результатов эксперимента мы получим следующие зависимости для образца нефти, транспортируемой с противотурбулентной присадкой с концентрацией 10 г/т

По результатам полученных зависимостей 7 и 8 и согласно данным таблицы 1, нефть соответствует модели Оствальда – де Вааля. По результатам полученных зависимостей 9-11 нефть соответствует модели Шведова-Бингама.

Источник

РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕФТИ

Реология – наука, которая изучает механическое поведение твердо- и жидкообразных тел (реос – течение; логос – учение).

Связь между величинами напряжения сдвига t, деформации g и их изменениями во времени есть выражение механического поведения, которое составляет предмет реологии.

Существуют две распространенные модели жидкости. Первая из них предполагает, что в жидкости при движении нет касательных напряжений. Это модель идеальной жидкости. Вторая модель учитывает появляющиеся при движении касательные напряжения. Это модель вязкой жидкости.

В простейшем случае прямолинейного слоистого (ламинарного) течения связь между касательным напряжением t и производной скоростиu по нормали определяется законом вязкого трения Ньютона:

Этот коэффициент определяется свойствами жидкости и зависит от давленияи температуры.

Существует много сред, которые хорошо описываются моделью (1) вязкой (ньютоновской) жидкости. В то же время имеются и другие жидкие среды, для описания которых модель вязкой жидкости не подходит. Эти жидкости называются неньютоновскими.

Если нефть не содержит ССЕ, то она представляет собой молекулярный раствор различных низко- и высокомолекулярных соединений и подчиняется закону вязкого трения Ньютона (1). При движении вязкой ньютоновской жидкости по круглой трубе касательное напряжение t пропорционально градиенту скорости u:

du/dr – скорость сдвига.

Это простейшее реологическое уравнение жидкости. Оно содержит единственный реологический параметр – динамическую вязкость.

Зависимость касательного напряжения от скорости сдвига называется кривой течения или реологической кривой.

В координатах t-du/dr поведение нефти указанного выше типа будет описываться прямой 1, выходящей из начала координат (рис.1).

Рис.1. Кривые течения

1 – ньютоновская жидкость; 2 – псевдопластичная; 3 – дилатантная; 4 – вязкопластичная жидкости

Тангенс угла наклона прямой 1 к оси ординат характеризует вязкость жидкости (нефти) и при постоянной температуре есть величина постоянная:

Физико-химические и механические свойства НДС зависят от степени структурирования ВМС и от соотношения дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Если нефть представляет собой свободнодисперсную систему, то ее течение качественно совпадает с течением гомогенных жидкостей, т.е. при ламинарном режиме течение сохраняется пропорциональность между напряжением сдвига и скоростью сдвига. Количественно отличие выражается в том, что вязкость системы оказывается выше вязкости чистой (гомогенной) жидкости, т.к. дисперсные частицы оказывают дополнительное сопротивление перемещению слоев жидкости.

Наличие структуры в жидкости изменяет характер кривых течения.

Широкий спектр размеров частиц в нефтяной дисперсной системе (НДС) и их взаимодействие между собой обусловливает большое разнообразие реологических свойств нефтей.

Нефти, представляющие собой связнодисперсную систему, уравнению Ньютона не подчиняются, т.к. при их течении утрачивается пропорциональность между приложенной нагрузкой (напряжением сдвига) и вызываемой ею деформацией (скоростью сдвига), кривая 2, рис.1. Жидкость продолжает сохранять способность к течению при сколь угодно малых напряжениях сдвига, но по мере увеличения скорости сдвига в жидкости происходит разрушение еще слабых связей между ассоциатами, упорядочение взаимного положения и ориентация частиц относительно направления потока. Все это приводит к относительному уменьшению прилагаемого к жидкости напряжения сдвига t и кривая течения 2 становится обращенной выпуклостью к оси t. Такие жидкости называются псевдопластичными.

Течение псевдопластичной жидкости подчиняется степенному закону:

Индекс течения характеризует отклонение системы от состояния ньютоновской жидкости:

n=1 – ньютоновская жидкость;

n 1 – дилатантная жидкость, кривая 3, рис.1.

Кривые течения степенных жидкостей проходят через начало координат.

Системы, в которых жидкая фаза пронизана сплошной структурной сеткой, приобретают способность к течению только после разрушения той сетки. Примером такой системы является нефть, содержащая сетку из кристаллов парафина или частиц асфальтенов. Идеальное вязкопластичное течение описывается прямой 4, тангенс угла наклона которой к оси скорости сдвига численно равен пластическойвязкости m*. Течение таких жидкостей (нефтей, водонефтяных эмульсий) начинается только после того, как напряжение сдвига превысит некоторый предел t₀. При этом структура полностью разрушается и жидкость течет затем как ньютоновская.

Уравнение, описывающее течение вязко-пластичных жидкостей, известно как уравнение Шведова-Бингама:

При рассмотрении кривых течения реальных вязкопластичных жидкостей можно наблюдать три характерных точки:

t_С – напряжение сдвига, при котором начинается течение (статическое напряжение сдвига);

t₀ – предельное (динамическое) напряжение сдвига;

t_Р – напряжение сдвига, при котором структура полностью разрушена и жидкость начинает течь как ньютоновская.

Исследования реологического поведения нефтей показали, что при температурах близких к температуре застывания нефти хорошо подчиняются модели Швидова-Бингама.

Пластическую вязкость можно выразить через реологические параметры t₀и m:

Структурообразование многократно повышает эффективную вязкость нефти, особенно при течении со сравнительно низкими скоростями.

Неньютоновские вязкие жидкости делятся на две группы:

а) жидкости, обладающие начальным напряжением сдвига t₀; при t£t₀ система ведет себя как твердое тело;

б) жидкости не обладающие начальным напряжением сдвига t₀.

Для неньютоновских вязких жидкостей вводится понятие кажущейся вязкости.

Вязкость неньютоновской жидкости, в отличие от вязкости ньютоновской, не является постоянной величиной, а зависит от величины напряжения сдвига:

m* ¹ const, m* = f (t, du/dr, T) (7)

Это сильно влияет на затраты энергии при перекачке по трубопроводам нефтей, содержащих дисперсные частицы.

Например, из-за того, что кажущаяся вязкость зависит от скорости сдвига (рис.2), потребуются дополнительные затраты энергии на разрушение структуры в начальный период при пуске насосных станций.

Значение предельного напряжения сдвига в НДС зависит от температуры нефтяной системы.

Изменения, происходящие в зависимости от температуры в НДС с лиофобной дисперсионной средой (плохой растворитель) могут быть представлены: гель«золь. В случае лиофильной дисперсионной среды (хороший растворитель): гель«золь«раствор ВМС.

В области температур, при которых система находится в состоянии геля, структурно-механическая прочность и устойчивость системы зависит от состава дисперсионной среды, ее растворяющей способности, концентрации твердой фазы, соотношения в твердой фазе парафинов и асфальтенов. При повышении температуры свойства геля изменяются, уменьшается его механическая прочность и система приобретает текучие свойства; при температуре, соответствующей температуре застывания, нефть из связнодисперсного состояния переходит в свободнодисперсное состояние (состояние аномальной жидкости). При определенной температуре система переходит из состояния неньютоновской (аномальной) жидкости в состояние молекулярных растворов ВМС (ньютоновская жидкость), характеризующейся наименьшей вязкостью системы при данной температуре, зависящей только от природы компонентов и температуры системы, и подчиняющейся закону Ньютона.

Итак, при подогреве нефти ее неньютоновские свойства сглаживаются, зависимость эффективной вязкости от скорости сдвига уменьшается.

При некоторой температуре, соответствующей точке слияния кривых (рис.3), жидкость становится ньютоновской: вязкость подогретой жидкости не зависит от скорости сдвига.

Отсюда следует сущность метода перекачки высоковязких нефтей с подогревом.

Целесообразность подогрева высоковязких нефтей определяется конкретными условиями перекачки.При периодической транспортировке высоковязких нефтей по трубопроводу целесообразность подогрева в высокой степени зависит от стоимости и эффективности теплоизоляции.

В отличие от перекачки при обычных температурах перекачка подогретых нефтей происходит при неизотермических условиях. В этом случае процессы теплообмена между нефтью и окружающей средой приобретают первостепенное значение. Интенсивность теплообмена повлияет на величину потерь тепла в окружающую среду и, следовательно, на температуру нефти в конце трубопровода. Выбор температуры подогрева для заданных условий перекачки определяется на основании технико-экономических расчетов с учетом минимума затрат на подогрев и перекачку.

Зависимость вязкости структурированной системы от напряжения сдвига представлена на рис.4.

На участках 1 и 3 вязкость системы является величиной постоянной при данной температуре. На этих участках НДС соответствует по своей консистенции состояниям геля, и молекулярному раствору ВМС нефти. На участке 2 нефть находится в состоянии аномальновязкой жидкости, вязкость является величиной переменной и характеризует равновесие процессов разрушения и восстановления структуры в зависимости от приложенного t.

Разрушение коагуляционных структур, образованных высокомолекулярными парафинами и асфальтенами, имеет свои особенности. После приложения определенной нагрузки к нефти, обладающей такой структурой, немедленного разрушения структуры не наблюдается. Степень разрушения зависит не только от скорости сдвига, но и от времени воздействия нагрузки. Характерно, что после снятия нагрузки прочность структуры через определенное время восстанавливается полностью, т.е. вязкость от величины m₃ увеличивается до значения m₁ (рис.4).

Такая способность к самопроизвольному восстановлению структуры после ее разрушения называется тиксотропией.

Парафинистые нефти и агрегативно-устойчивые концентрированные водо-нефтяные эмульсии облают свойством самопроизвольного увеличения прочности структуры t₀ во времени и восстановления структуры после ее механического разрушения.

Время восстановления структуры после ее механического разрушения для различных нефтей и эмульсий может колебаться от нескольких минут до десятков часов.

Тиксотропные свойства нефти зависят от содержания, химического состава, дисперсного состояния высокомолекулярных парафинов нефти, содержания и адсорбционного действия на процессы кристаллизации парафина смолисто-асфальтеновых веществ, температурного воздействия на нефть и др.

Для снижения тиксотропных свойств нефти применяют термообработку нефти и специальные депрессорные присадки.

Ранее было показано, что структурно-механическая прочность НДС, t₀, тем меньше, чем меньше радиус ядра ССЕ и больше толщина сольватного слоя.

Поэтому назначение депрессорных присадок – повысить степень дисперсности нефтяной системы и тем самым снизить структурно-механическую прочность t₀ и понизить температуру застывания нефти.

Установлено, что чем больше молекулярная масса парафинов нефти и чем выше их концентрация, тем меньше влияют добавляемые асфальтены или другие депрессоры на температуру перехода НДС из жидкого состояния в твердое.

Механизм действия депрессоров можно объяснить исходя из следующих представлений:

üØ Высокомолекулярные парафины в НДС образуют надмолекулярные структуры – ассоциаты макромолекул, способные самостоятельно существовать при температурах выше температуры кристаллизации парафиновых углеводородов;

üØ Действие депрессорных присадок сводится к влиянию на процесс ассоциации твердых парафиновых углеводородов при температурах выше температуры кристаллизации парафина и связано с образованием комплексов между присадкой и парафином.

Молекулы присадок, благодаря наличию в них парафиновых цепей, взаимодействуют с молекулами парафиновых углеводородов на стадии формирования надмолекулярной структуры и входят в состав ассоциата. При этом увеличивается толщина сольватной оболочки ССЕ, изменяется размер надмолекулярных структур, происходит ослабление сил взаимодействия между ассоциатами и между дисперсной фазой и дисперсионной средой. В результате образуются более рыхлые, более подвижные ассоциаты и снижается прочность структуры.

Это приводит к смещению температуры застывания систем в область более низких температур и к смещению структурных переходов парафина из агрегированного состояния в пространственное в область более высоких его концентраций.

Целенаправленных исследований в области формирования коагуляционных структур и аномальных нефтяных жидкостей проведено недостаточно и еще предстоит установить более общие закономерности для управления этим сложным процессом, имеющим важное технологическое значение.

Источник

Реологические характеристики нефти и нефтепродуктов

Исходные понятия реологии. Описание методов изучения реологических свойств аномальной нефти. Рассмотрение состава и свойств асфальтенов. Определения вязкости нефти и нефтепродуктов. Особенности применения капиллярных и ротационных вискозиметров.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Реология и нефть

2. Современные методы исследования реологических характеристик нефти и нефтепродуктов

3. Капиллярные вискозиметры

4. Ротационные вискозиметры

Список литературы

Введение

В настоящее время в условиях ухудшения структуры запасов углеводородного сырья и возрастающего потребления энергоносителей остро стоит проблема освоения трудно-извлекаемых запасов, к которым, в частности, относятся высоковязкая нефть (ВВН) и природные битумы (ПБ). Выработанность запасов благоприятных для извлечения нефти необратимо приведет к тому, что ВВН и ПБ станут важнейшим ресурсом стабилизации и повышения нефтедобычи. Удельный вес трудно-извлекаемых запасов в общем балансе неуклонно растет, поэтому в ближайшие годы прирост добычи нефти не менее чем на 10% будет обеспечен именно за счет ВВН и ПБ.

Суммарные мировые балансовые запасы ВВН и ПБ составляют, по разным оценкам, от 636-682 млрд. т до 1 трлн. т, что в 5-6 раз больше остаточных извлекаемых запасов традиционной нефти, составляющих

Зачастую транспортировка ВВН и ПБ невозможна без их смешения с легкой нефтью или бензиновыми и керосиновыми фракциями, модифицирования присадками. Закономерности регулирования реологических свойств асфальтеновой нефти отличаются от таковых для парафинистой нефти, отличаются и принципы подбора присадок. В этой связи, представляет интерес изучение принципов регулирования вязкости нефти с высоким содержанием асфальтенов, а также подбор эффективных реагентов для снижения вязкости.

1. Реология и нефть

Любой кристалл или агрегат кристаллов при определённых условиях может быть пластически деформирован. Пластическая деформация кристаллов реализуется посредством направленного движения в нём дислокаций и вакансий. Под действием на кристалл внешней силы в объёме кристалла появляются напряжения, которые снимаются дефектами. Если сила превышает некий порог, то происходит хрупкое разрушение объекта. [2]

Для учета неньютоновских свойств нефти при проектировании и разработке месторождений необходимо определить их реологические и фильтрационные характеристики. Получение достоверных результатов предполагает изучение этих свойств в условиях, соответствующих пластовым. Не все существующие методы и приборы отвечают этому требованию.

Большинство приборов и методов разработаны для исследования высоковязких дисперсных систем, таких как:

— дегазированные нефти при пониженных температурах;

— буровые растворы применительно к движению в трубопроводах;

— прозрачные коллоидные растворы для удобства наблюдений за деформацией систем в процессе течения.

Существующие методы изучения реологических свойств аномальной нефти можно разделить на следующие три группы:

1) лабораторные методы исследования на экспериментальных установках;

2) расчетные методы, базирующиеся на эмпирических зависимостях, полученных на основе обобщения экспериментальных исследований;

3) методы, основанные на гидродинамических исследованиях скважин. [3]

Асфальтены по химическому составу близки к смолам, но отличаются более высоким молекулярным весом. Известно, что на активных адсорбентах, а также под действием нагревания и света происходит переход части смол в асфальтены

Асфальтены обладают меньшей растворимостью в углеводородах, чем смолы: они растворяются в ароматических углеводородах и нерастворимы в парафиновых углеводородах. Определения молекулярного веса асфальтенов дают очень расходящиеся результаты, что связано со склонностью молекул асфальтенов к ассоциации. Используя криоскопический метод и растворители, в которых ассоциация асфальтенов наименьшая, нашли что молекулярный вес их может доходить до 10 000.

Ароматические кольца притягиваются за счет полярных сил. В растворителях с достаточно полярными молекулами, например, в смолах, ароматических углеводородах, которые способны увеличивать силы притяжения между ароматическими конденсированными кольцами асфальтенов, последние будут пептизироваться. Наоборот, в низкополярных растворителях, например, в парафиновых углеводородах, асфальтены будут ассоциироваться. В результате ассоциации возрастают силы притяжения полярных ароматических колец. Таким образом, степень дисперсности асфальтенов сильно зависит от свойств окружающей среды.

Предельное динамическое напряжение сдвига стабилизированных нефтей определяется множеством факторов: содержанием асфальтенов (А), содержанием смол (С), различных углеводородных соединений, молекулярным весом этих компонентов.

Это подтверждает, что дисперсной фазой, образующей структуру, являются асфальтены. Смолы в коллоидной системе выполняют роль стабилизатора частиц асфальтенов.

Смолисто-асфальтеновые вещества (САВ), содержащиеся в ПБ в значительной концентрации, проявляют структурирующее воздействие на окружающие молекулы, снижая их подвижность. При невысокой концентрации САВ в нефтяной системе имеется значительное количество молекул, достаточно удаленных от надмолекулярных ассоциатов и находящихся вне сферы их действия. Такие молекулы сохраняют подвижность и характеризуются большими временами релаксации. При увеличении же концентрации САВ число молекул нефти. [5]

Частицы асфальтенов, образующие в нефти пространственную структуру, взаимодействуют через прослойки дисперсионной среды. Чем тоньше слой жидкости между частицами, тем сильнее их взаимодействие и прочнее структура. Такие дисперсные системы обладают тиксотропными свойствами, т.е. способностью к изотермическому восстановлению структуры, разрушенной при механическом воздействии. В процессе теплового движения частиц дисперсной фазы последние принимают такое взаимное расположение, при котором система обладает минимумом энергии и становится термодинамически более устойчивой. Этому соответствует определенная ориентация несимметричных частиц асфальтенов, при которой они сближаются теми ребрами и гранями, где сольватные слои наиболее тонкие.

Согласно работе [6] реологические характеристики нефти напрямую зависят от содержания в ней асфальтенов. В ней анализировались образцы нефти с содержанием асфальтенов от 0 до 20%, при этом использовался реометр SAXS. Зависимость для разбавленных и для концентрированных растворов отличалась.

В разбавленных растворах вязкость увеличивалась линейно с увеличением массовой доли асфальтенов. При большой концентрации, приблизительно 10%, асфальтены образовывали ассоциаты, что значительно увеличивало вязкость системы.

Рис. 1.1 Схематичное изображение ассоциации асфальтенов

реология нефть капиллярный вискозиметр

Рис. 1.2. Зависимость относительной вязкости от содержания асфальтенов при 20єС.

Помимо асфальтенов на вязкость нефти влияют и смолы. Как видно на рис. 1.3 сначала вязкость нефти снижается при увеличении концентрации асфальтенов, это происходит из-за того, что смолы являются природными поверхностно-активными веществами.

Рис. 1.3 Зависимость вязкости от содержания смол

Установлено, что при повышении концентрации асфальтенов от 4,0 до 72,0% масс. вязкость дисперсий возрастает по сложной экспоненциальной зависимости

При содержании асфальтенов 38,0—46,0% масс. происходит скачкообразное увеличение эффективной вязкости, структурно-механической прочности, температуры перехода в состояние ньютоновской жидкости, кажущейся энергии активации вязкого течения и среднечисловой молекулярной массы частиц дисперсной фазы, что обусловлено образованием коагуляционных структур по всему объему системы. Критические значения концентрации асфальтенов и молекулярной массы их надмолекулярных образований, после достижения которых в системе происходят качественные изменения, составляют СAC

37,0% масс, и МnС=724, соответственно. Причем с повышением температуры величина скачка вязкости уменьшается, но значение концентрации асфальтенов СAC практически не меняется. [7]

2. Современные методы исследования реологических характеристик нефти и нефтепродуктов

Вискозиметрия основана на законе вязкости Ньютона. Из него следует, что для определения вязкости необходимо измерить напряжение, которое сообщает слою жидкости некоторую скорость по отношению к другому слою, находящемуся от первого слоя на определенном расстоянии. На практике удобнее задавать постоянное напряжение и наблюдать скорость относительного движения. При этом можно определять скорость движения жидкости по отношению к неподвижному твердому телу или скорость движения твердого тела в неподвижной жидкости.

По принципиальным особенностям конструкции приборы для измерения вязкости делятся на следующие типы:

1) капиллярные вискозиметры;

2) ротационные вискозиметры, или приборы с коаксиальными цилиндрами;

3) вискозиметры с падающим шариком;

4) маятниковые вискозиметры;

5) вискозиметры с взаимно смещающимися цилиндрами или пластинками;

6) приборы, основанные на принципе сдувания тонкого слоя жидкости;

7) вискозиметры, основанные на других принципах.

Наиболее распространены капиллярные вискозиметры. Эти приборы отличаются простотой, требуют малого количества жидкости, дешевы и дают достаточно точные результаты. К числу их недостатков относится невозможность измерения вязкости очень вязких жидкостей.

Второе место занимают ротационные вискозиметры. Эти приборы обеспечивают однородное поле напряжения в жидкости и позволяют измерять вязкость с высокой точностью. Сложность конструкции ротационных вискозиметров ограничивает их применение. К недостаткам их следует также отнести накопление в деформируемой жидкости диссипированного тепла. В капиллярных приборах это тепло уносится вместе с протекающей жидкостью. Ротационные вискозиметры применяются преимущественно для измерения вязкости дисперсных систем и высоковязких жидкостей и дополняют капиллярные приборы.

К простым приборам относятся также вискозиметры с падающим шариком, но с их помощью можно получить хорошие результаты только у вязких и вполне однородных жидкостей.

Для измерения пластичности и вообще реологических свойств веществ наряду с вязкостью необходимо определять предельные напряжения сдвига и модули упругости. Принципиально такие измерения могут производиться в вискозиметрах всех перечисленных групп, но в то время как при вискозиметрии измеряют значительные деформации (например, протекание всего исследуемого объема жидкости через капилляр), при определении модуля упругости и предельного напряжения сдвига наблюдают малые деформации. Для измерений малых деформаций более удобны вискозиметры с взаимно смещающимися цилиндрами или пластинками и ротационные вискозиметры.

Если при определении вязкости жидкостей наблюдают только скорость деформации при постоянном напряжении, то при изучении пластичных тел измеряют также силу, вызывающую начало течения, и размер деформации при различных нагрузках ниже предела текучести.

В нефтяной вискозиметрии капиллярные приборы являются основным типом вискозиметров для светлых нефтепродуктов и минеральных масел при положительных температурах. При низких температурах для масел применяют как капиллярные, так и ротационные вискозиметры.

Вискозиметры, позволяющие измерять вязкость в абсолютных единицах (пуазах и стоксах), делятся на первичные и вторичные. В первичных вискозиметрах весьма точно определяются размеры прибора, объем протекшей жидкости и напряжение. Они служат для измерения вязкости первичных (калибровочных) жидкостей и для весьма точных измерений вязкости остальных жидкостей.

Абсолютные вискозиметры довольно сложны по устройству и применяются главным образом для специальных физико-химических исследований. Для практических целей пользуются вторичными вискозиметрами, в которых вязкость измеряется путем сравнения скорости течения испытуемой жидкости с эталонной, вязкость которой измерена в первичном вискозиметре.

Основными калибровочными жидкостями служат вода, касторовое масло, раствор сахара в воде, некоторые индивидуальные органические соединения и минеральные масла. [8]

3. Капиллярные вискозиметры

Капиллярные вискозиметры состоят из трех основных частей: резервуара для испытуемой жидкости, тонкой трубки-капилляра и приемника для жидкости после капилляра. Напряжение, обусловливающее течение жидкости, зависит от радиуса и длины капилляра и разности давления, приложенной к его концам. Источником давления служит вес столба испытуемой жидкости в прибор (гидростатическое давление) или внешнее давление, подаваемое на мениск жидкости в вискозиметре, или сочетание обоих видов давления.

Измерение вязкости в капиллярных приборах основано на формуле Пуазейля, связывающей вязкость с расходом продукта. В большинстве вискозиметров расход измеряется по времени истечения определенного объема жидкости из резервуара через капилляр в приемник. Реже измеряют объем вытекающей жидкости за единицу времени.

Недостатком капиллярного вискозиметра является отсутствие возможности измерения очень вязких жидкостей и невозможность измерения вязкости при разных напряжениях сдвига.

4. Ротационные вискозиметры

В зависимости от способа монтирования второго цилиндра ротационные вискозиметры делятся на две группы: с неподвижным цилиндром и торсионные вискозиметры.

В приборах с одним неподвижным цилиндром вязкость испытуемой жидкости определяется по скорости вращения подвижного цилиндра при заданном крутящем моменте или по величине крутящего момента, вызывающего заданную скорость. Вязкость вычисляется по формуле:

Постоянные ротационных вискозиметров определяются обмером или калиброванием эталонными жидкостями.

Как правило, ротационные вискозиметры выполняются из металла. Важным условием точных и воспроизводимых измерений вязкости является постоянное и возможно меньшее трение цилиндров и других движущихся деталей в опорах. Вращающийся цилиндр устанавливается на шариковых подшипниках. Для устранения скольжения испытуемого материала по стенкам цилиндров внутренние их поверхности иногда делают ребристыми, либо с продольной насечкой.

Наибольшие трудности при изготовлении и применении ротационных вискозиметров возникают вследствие необходимости вносить поправки на дно внутреннего цилиндра. Самый простой, но недостаточно точный способ заключается в том, что дно цилиндра делают слегка вогнутым. При погружении цилиндра в жидкость в вогнутости остается воздух, и трение дна уменьшается.

Следует, однако, отметить, что ошибки от краевых эффектов у вторичных ротационных вискозиметров с длинными и узкими цилиндрами не оказывают значительного влияния на измерения вязкости высоковязких веществ, но они снижают скорости, при которых соблюдается пропорциональность между крутящим моментом и угловой скоростью или угловой скоростью и углом закручивания цилиндра. Таким образом, дефекты прибора сокращают ламинарную область течения.

Специфический недостаток торсионных вискозиметров заключается в остаточной неупругой деформации, присущей нити подвеса. Плавленый кварц является наиболее подходящим материалом для нити, так как обладает высокой и постоянной упругостью, но эти свойства присущи ему только в тонких нитях. Поэтому кварцевые подвесы применяются лишь для небольших цилиндров. Для тяжелых цилиндров используется стальная проволока и проволока из фосфористой бронзы. Наиболее совершенным является вискозиметр РВ-7 с неподвижным внешним цилиндром

Вязкость в Пуазах вычисляется по формуле

Список литературы

3. http://studopedia.ru/11_10144_metodi-izucheniya-reologicheskih-i-filtratsionnih-svoystv-anomalnih-neftey.html, Работа «Методы изучения реологических и фильтрационных свойств аномальных нефтей».

4. Девликамов В.В., Хабибуллин З.А., Кабиров М.М. Аномальная нефть. М., «Недра», 1975, 168 с.

6. I. Hйnaut, L. Barr, J-F. Argillier, F. Brucy, R. Bouchard Rheological and Structural Properties of Heavy Crude Oils in Relation With Their Asphaltenes Content // SPE International Symposium on Oilfield Chemistry, February 2001

9. ГОСТ 1929-87 «Нефтепродукты. Методы определения динамической вязкости на ротационном вискозиметре».

10. ГОСТ 33-2000 (ИСО 3104-94) «Нефтепродукты. Определение кинематической вязкости и расчет динамической вязкости».

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Оценка вязкостно-температурных свойств (масел). Зависимость температуры вспышки от давления. Дисперсия, оптическая активность. Лабораторные методы перегонки нефти и нефтепродуктов. Теплота плавления и сублимации. Удельная и молекулярная рефракция.

презентация [1,1 M], добавлен 26.06.2014

Изучение кинетики тепловых процессов в резервуарах типа РВС для хранения нефти и нефтепродуктов. Расчет и построение физико-математической модели по оценке теплового состояния резервуара РВС с учетом солнечной радиации, испарений и теплообмена с грунтом.

реферат [196,1 K], добавлен 25.09.2011

Определение числовых значений первичного объема нефти, плотности, значения удельного веса и объема при различных температурах хранения. Вычисление объема нефти в условиях падения ее уровня после расхода с использованием полученных вычислением значений.

задача [4,1 M], добавлен 03.06.2010

Определение вязкости биологических жидкостей. Метод Стокса (метод падающего шарика). Капиллярные методы, основанные на применении формулы Пуазейля. Основные достоинства ротационных методов. Условия перехода ламинарного течения жидкости в турбулентное.

презентация [571,8 K], добавлен 06.04.2015

Распределение энергии в ее различных видах и формах. Понятие топливно-энергетического комплекса. Нефтяная, угольная и газовая промышленность. Основные способы экономии нефтепродуктов. Роль нефти и газа в современном топливно-энергетическом балансе.

презентация [2,4 M], добавлен 05.06.2012

Подготовка нефти к переработке. Вредные примеси в нефтях из промысловых скважин. Методы разрушения эмульсий. Обессоливание и обезвоживание. Нефти, поставляемые на нефтеперерабатывающий завод, в соответствии с нормативами ГОСТ 9965-76. Растворенные газы.

презентация [420,2 K], добавлен 26.06.2014

Перекачка высоковязких и высокозастывающих нефтей. Способ перекачки путем кавитационного воздействия. Принципиальная технологическая схема «горячей» перекачки. Применение углеводородных разбавителей. Гидроперекачка нефти внутри водяного кольца.

реферат [189,5 K], добавлен 18.05.2015

Источник