Реологические свойства нефти

Реологические характеристики нефти в значительной степени определяются содержанием в ней смол, асфальтенов, твердого парафина, порфиринов. Асфальтены представляют собой коллоидные системы. Мицеллы асфальтенов стабилизируются смолами. При значительном содержании парафина в нефти возможно возникновение пространственных структур, состоящих из коллоидных частиц асфальтенов, парафина, смол.

Реология – наука, изучающая механическое поведение твёрдо-жидкообразных тел, структурно-механические свойства нефти.

В уравнении (3.60) координату скорости (dv) можно представить как dx/dt, где x – длина пути в направлении скорости движения (v), а t – время.

Величина dx/dy характеризует сдвиг (γ) слоев, деформацию.

Соотношение F/A – есть величина касательного напряжения (τ), развиваемое в движущихся слоях жидкости. Тогда для ньютоновской жидкости уравнение Ньютона можно записать:

dγ/dt = τ/μ. (3.9)

Уравнение (3.9), описывающее связь между касательным напряжением (τ) и скоростью сдвига (dγ/dt), называется реологическим.

Скорость сдвига для ньютоновских жидкостей пропорциональна касательному напряжению (давлению) и обратно пропорциональна вязкости жидкости (рис. 3.7). По аналогии с законом Гука, упругое поведение системы характеризуется пропорциональностью между напряжением и деформацией сдвига.

Вязкость ньютоновской жидкости (μ) зависит только от температуры и давления.

Рис. 3.7. Схема сдвига слоев жидкости

Вязкость неньютоновской жидкости (μ) зависит от температуры, давления, скорости деформации сдвига и времени нахождения в спокойном состоянии.

Вязкопластичное течение жидкости (рис. 3.8) описывается уравнением Бингама:

τ = τ_о + μ^*(d γ/dt), (3.10)

где τ_о – динамическое напряжение сдвига;

μ^* – кажущаяся вязкость пластичных жидкостей, равная угловому коэффициенту линейной части зависимости dγ/dt = ƒ(τ).

В зависимости от состава нефтей их реологические свойства характеризуются различными линиями консистентности, то есть им присущи соответствующие свойствам пространственных структур графики зависимости между напряжением сдвига и скоростью сдвига (рис. 3.8) dγ/dt =ƒ(τ). Движение вязкопластичной и дилатантной жидкости аппроксимируется степенным законом зависимости касательного напряжения (τ) от модуля скорости деформации (dγ/dt):

τ = К∙(dγ/dt)ⁿ, (3.11)

где К – мера консистенции жидкости;

n – показатель функции.

С увеличением вязкости величина консистенции жидкости возрастает. Линии консистентности (рис. 3.6) для различных типов реологических стационарных неньютоновских жидкостей приведены ниже.

При n=1 уравнение (3.11) описывает течение ньютоновской жидкости (рис. 3.8, кривая 3), которая проявляет упругие свойства. К ньютоновским жидкостям относятся жидкие индивидуальные углеводородов, смеси углеводородов до С₁₇, газоконденсатные системы, легкие нефти, молекулярные растворы.

При n<1 поведение нефти соответствует псевдопластикам (кривая 2). Нефть соответствует упругопластической жидкости. Примером могут служить нефти, компоненты которых склонны к образованию надмолекулярных структур, высокопарафинистые дегазированные нефти, высокополимерные буровые растворы и другие.

Рис. 3.8. Виды линий консис-тентности:

1 – бингамовские пластики;

2 – псевдопластики;

3 – ньютоновские жидкости;

4 – дилатантные жидкости

При n>1 поведение нефти соответствует дилатантной (вязкопластической) жидкости (кривая 4). Примером могут служить буровые растворы, водные растворы полимеров, применяемые для повышения нефтеотдачи, представляющие собой высокомолекулярные соединения со сложным строением молекул и другие.

Реологическая кривая 1 относится к бингамовским пластикам. В этом случае нефть проявляет свойства пластической жидкости. В состоянии равновесия нефтяная система ведет себя как пластическая жидкость (рис. 3.8) и обладает некоторой пространственной структурой, способной сопротивляться сдвигающему напряжению (τ), пока величина его не превысит значение статического напряжения сдвига (τ_о). После достижения некоторой скорости сдвига нефть способна течь как ньютоновская жидкость.

Примером пластической жидкости могут служить нефти с высоким содержанием парафина при температурах ниже температуры кристаллизации, аномально-вязкие нефти с высоким содержанием асфальтенов, структурированные коллоидные системы, используемые для повышения нефтеотдачи пласта.