原油流变学第一章绪论新版

1、原油流变性及测量原油流变性及测量油气储运工程系油气储运工程系第一章第一章 绪绪 论论1.1 流体的粘度流体的粘度一、流体的粘性一、流体的粘性 流体普遍存在于自然界中，流体的流动是在重力或外力作用下随时间的连续变形过程。 流体流动时流层间存在着速度差和运动的传递正是由于流体具有粘性。（这也是流体与固体最重要区别。）当相邻流层存在着速度差时，快速流层力图加快慢速流层，而慢速流层力图减慢快速流层，流体所具有的这种特性就是粘性，流层间的这种力图减小速度差的作用力称为内摩擦力或粘性力。 流体的粘性实质上是流体分子微观作用的宏观表现，可以从分子运动论来解释。 气体具有粘性是由于动量传递。气体分子的距离大，

2、当气体流动时，其分子的无规则运动也比较激烈。当处于快层的分子（它们具有较大的动能）由于热运动而迁移到慢层时，就把较大的动量传给具有较小动量的慢层分子而将其加速，当慢层的分子迁移到快层时，则将使快层分子动量减小而减速。 液体具有粘性是由于分子引力所致，液体分子间的距离比气体小得多，分子的热运动不如气体剧烈，几乎没有动量传递，但分子间的引力则远比气体大。当液体流动时，由于分子引力，快层的分子力图拉着慢层的分子前进，而慢层的分子则尽量将快层的分子往后拽。 流体分子间的这些相互作用使得运动得以逐层传递，并保持着层间的速度差，即呈现流体的粘性。二、牛顿粘性定律二、牛顿粘性定律 牛顿粘性定律给出了粘度与内

3、摩擦力的定量关系。图11所示为两个无限大平行平板间流体的速度分布。 图图11 液体在平行平板间的流动液体在平行平板间的流动 设相邻流层间的接触面积为A，距离为dy，速度差为 ，则流体的粘性力为： ddydAF上式亦可写成如下形式： (11） (12）公式（11）及（12）称为牛顿内摩擦定律或牛顿定律。凡符合牛顿定律的流体称为牛顿流体，反之则称为非牛顿流体。牛顿流体的剪切应力与剪切速率之间呈正比关系，剪切应力与剪切速率的比值为常数，即动力粘度。非牛顿流体的剪切应力与剪切速率之间无正比关系，剪切应力与剪切速率的比值不再是常数。三、粘度的定义三、粘度的定义1、动力粘度动力粘度是稳态流动中的剪切应力与

4、剪切速率之比值，即单位：Pa.s或mPa.s。2、运动粘度 运动粘度是动力粘度与同温度下的密度之比值。又称比密粘度，用符号表示，即单位：m2/s或mm2/s。四、粘度与温度、压力的关系四、粘度与温度、压力的关系 粘度与温度的关系非常密切，在常温常压下当温度变化1时，液体的粘度变化达百分之几至十几，气体约为千分之几。粘度与温度并不呈线性关系，它与温度范围有关，温度越低，粘温关系越密切，即随温度的降低，粘度随温度的变化越大。 气体与液体的粘度随温度变化的规律完全相反，气体的粘度随温度升高而增大，因为气体的粘性是由于动量传递所致，当温度升高时，分子的热运动加剧，动量增大，流层间的内摩擦加剧，所以粘度

5、增大。而液体的粘性来自分子引力，温度升高，分子间的距离加大，分子间减小，内摩擦减弱，所以粘度减小。 粘度随温度变化的程度还与许多因素有关，例如物质的化学组成、粘流活化能、粘度大小等，例如通常液体的粘度越大，液体的粘度随温度变化越大。 液体和气体的粘度随着压力的增大而增大，压力的变化对气体粘度的影响更大，这一因为气体的压缩性很强。 1.2 流变学概念流变学概念 一、流变学的定义及研究对象一、流变学的定义及研究对象上一节介绍的主要较简单的流体，即牛顿流体。自然界中更多的流体并不属于牛顿流体，而是非牛顿流体。自然界中有许多非牛顿流体的例子，例如：高分子溶液和聚合物熔体，除浓度极小的溶液外，总是非牛顿

6、流体；用油漆在刷墙时，既要求油漆有良好的流平性，以自动消除刷子留下的痕迹，但又不希望其流动性大到油漆还未干时就从墙上流淌下来；人体内的正常血液循环要求血液粘度保持在合适的水平上，一些血栓即起因于血液粘度异常因而导致微循环和组织的新陈代谢出现障碍；石油工业中用到大量钻井液，用以润滑冷却钻头，并在钻井过程中将岩屑携带出钻孔，这就要求钻井液必须具有这样一种性质，受剪切时粘度低，停剪后变稠，以保证停钻时岩屑不致沉降；含蜡原油在低温下会凝固，但外加应力超过这种胶凝结构的结构强度后，其又会流动起来，并且剪切流动强度越大，其粘度越小；润滑油和润滑脂在高温高压高剪切速率的工作条件下，既要有较好的粘附性，又要有

7、一定的弹性；食品工业中的糊状物、浓悬浮液、乳状液、巧克力、奶油等等都属于非牛顿流体；日常生活中的牙膏、化妆品、洗涤剂等要具有一定的非牛顿流体性质；工业中的水煤浆、油煤浆及其其它矿浆也均为非牛顿流体。 传统的流体力学无法应对这类流体的流动行为，需要有新的学科即流变学来解决这类问题。流变学(Rheology)是一门研究材料或物质在外力作用下变形与流动的科学。 流变学的研究对象： 按照流变学的字面意义，它几乎研究所有物质在外力作用下的形变或流动问题，包括经典的虎克固体和牛顿流体这样的极端。但实际上这些经典极端往往被认为超出了现代流变学研究的范围。人们遇到的许多物质既不是理想的固体，也不是理想的流体。

8、特别是现在随着科学技术的快速发展，许多新材料不断大量涌现在各个领域，它们的性质往往介于理想固体和理想流体之间，很难用传统的弹性力学或流体力学学科进行描述。那么，流变学就是专门对这类材料的受力与形变或流动问题进行研究。所以，流变学研究的是纯弹性固体和牛顿流体状态之间所有物质的变形与流动问题。 物质在外力作用下变形与流动的性质可以称之为物质的流变性，流变学就是研究物质流变性的科学。二、流变学的研究发展二、流变学的研究发展 在流变学的建立与发展过程中，美国物理化学家宾汉姆教授作出了划时代的贡献。他不仅发现了一类所谓宾汉姆（Bingham）流体(如润滑油、油漆、泥浆等)的流动规律，而且把20世纪以前积

9、累下来的有关流变学的零碎知识进行了系统的归纳，并正式命名为流变学(Rheology)。1929年宾汉姆等倡议成立了美国流变学会(society of rheology of USA)，且同年创刊流变学杂志(Journal of Rheology)。人们一般以此作为流变学(作为学科)创立的标志。以后流变学逐步被欧、美、亚等各大洲的许多国家所承认。目前全世界许多国家都有自己的流变学会，1948年在荷兰召开了第一届国际流变学会议，以后每4年举行一届国际流变学会议。2008年在美国的加利福尼亚举行了第十五届国际流变学会议。一般的说，我国在流变学方面的工作是从新中国成立后才开始的，特别是改革开放以来，在

10、科学技术和工业发展的促进下，无论是在广度还是在深度，流变学在我国都有了很大的发展。我国于1985年11月在长沙召开第一届全国流变学会议，2008在长沙湘潭大学举办了第九届全国流变学会议。三、流变学是一门交叉边缘学科三、流变学是一门交叉边缘学科 既然流变学所研究的形变和流动问题是普遍存在的，其与不同学科的研究对象和内容总是会相互重叠，是一种典型的多学科交叉科学。例如流变学与物理学(尤其是其中的物性物理学和力学)、化学(特别是同胶体化学、高分子化学)、数学等学科领域密切相关。因此可以说流变学是一种学科的“谱”，包括从非常数学化的理论到非常实用的应用研究，形成了许多不同的分支(如理论流变学、应用流体

11、流变学)，同时涉及宏观和微观的众多复杂现象和性质。流变学的发展有着密切的工业背景，本来流变学就是应工业的需要而发展起来的，因此，流变学在各工业领域的研究发展产生了许多对应的流变学分支，象聚合物加工流变学、生物流变学、药品流变学、食品流变学、原油流变学、土壤流变学等等。 就流体而言，凡流变性质不符合牛顿内摩擦定律的流体统称为非牛顿流体，以非牛顿流体为主要研究对象的流变学分支则称为流体流变学。可以认为原油流变学是流体流变学的一个分支。不同的流变学分支，尽管有学多共性，但由于各分支研究的对象不同、研究的目的不同、环境条件不同等，其研究理论、研究方法可能有较大的不同。 流变学研究的内容非常广泛，笼统地

12、讲，可分为以下几个方面：（1）流变测量理论与技术研究；（2）物质流变方程的确定；（3）复杂流动中流变行为的测定或计算。 本书主要是关于原油流变学的内容，主要介绍流变学基本概念和理论，原油流变学测量基础，原油基本流变性质，原油流变性的评价，原油流变性在石油工业中的应用。1.3力、形变和流动力、形变和流动 在传统上流变学作为力学的一个分支，因为物质的流变性是应用力学的基本原理来确定的，尽管流变学更注重不同物质的力学性质与其内部结构之间的关系，而不限于力学本身。 一、连续介质的概念一、连续介质的概念 所谓连续介质，就是把物质看作是由一个挨一个的、具有确定质量的、连续地充满空间的众多微小质点所组成。即

13、认为物体内的质点是微观上充分大(含有众多的分子)、宏观上充分小的分子团，这些质点完全充满所占空间，没有间隙存在。例如流体，流体质点之间应无空洞，相邻微团在流动过程中不能超越，也不能落后，在微团形变过程中，相邻微团永远连接在一起。质点的性质是众多分子的统计平均性质宏观性质，质点的运动是分子集合的总体运动宏观运动。 物质被看成是连续介质，就摆脱了复杂的分子运动，而着眼于宏观运动，那么反映宏观物质的各种物理性质都是空间坐标的连续函数，在解决流变学问题时，就可应用数学分析中的连续函数概念进行数学解析。 当然，当所研究的物体大小与物质分子的平均自由行程在同一个数量级时，连续介质模型是不适用的。 二、力与

14、变形二、力与变形 一般施加到材料上的外力有三种或这三种的组合，第一是使材料伸张的力，称为拉力或张力FT；二是使材料压缩的力，称为压缩力FP；第三是使材料产生扭转等切向变形的力，称为切向力FS；在这些力的作用下，材料发生拉伸形变、压缩形变、剪切形变，如图12所示。一些复杂形变可认为是由这些简单形变组合而成的。图图12 几种简单形变几种简单形变 流变学中描述物质或材料所受的外力要用应力，应力是作用于单位面积上的力。对于上述三种力，相应有三种应力，即 拉伸应力 （力的方向与面积A垂直） 压缩应力 （力的方向与面积A垂直） TAFTTAFPPP 剪切应力 （力的方向与面积A平行） 压缩应变： （L和L

15、0均与力的方向平行） 在流变学中用应变描述材料的形变。应变是相对于长度、面积或体积等参考构形的形变度量，亦称为相对形变，是无量纲量。相对于三种形变，三种应变形式为： 拉伸应变： （L和L0均与力的方向平行） SAFSST0LLTP0LLP 剪切应变： （L与力的方向平行，L0与力的方向垂直，见图12） 根据物体的物态及变形形式，K的意义不同。 对理想固体，拉伸与压缩状态下 E为弹性模量。 应力与应变的关系为Stan0LLS K E 剪切状态下 G为剪切模量。 流体静压力p（各向同性应力）所引起的应变称为体积应变， 静压力与体积应变的关系为其中KV称体积模量，负号表示体积随压力的增加而减小。GV

16、VVVVKp 三、应变速率、剪切速率与速度梯度三、应变速率、剪切速率与速度梯度 用应变速率、剪切速率或速度梯度描述流体的流动。应变速率是单位时间的应变变化 应变速率又分为拉伸应变速率和剪切应变速率，剪切应变速率描述流体的剪切流动，拉伸应变速率描述流体的拉伸流动。在简单剪切流动中，流体的流动方向与速度梯度方向垂直，如平行平板间的拖动流、流体在等直径圆管中的层流流动等；对简单拉伸流动来说，流体的流动方向与速度梯度方向相同，如纺丝过程等。 剪切速率就是剪切应变速率，即单位时间剪切应变的变化，常用 表示剪切速率。dtd 速度梯度是流体元的速度对空间坐标的导数，用 表示，在数学上速度梯度与剪切速率一般是

17、相等的，这是因为一般速度梯度 剪切速率。但在某些流动条件下，二者的物理意义有所区别，如在第三章介绍的同轴圆筒旋转流动中。 流体在不同的流动方式下所表现出的流动阻力特性不同，剪切粘度等于剪切应力与剪切速率之比，剪切粘度就是牛顿内摩擦定律中的动力粘度。拉伸粘度等于拉伸应力与拉伸应变速率之比。对牛顿流体来说，在简单的拉伸流动即单轴拉伸流动条件下，其拉伸粘度为剪切粘度的3倍；对非牛顿流体来说，其拉伸粘度大于3倍的剪切粘度。有资料报道，自然界中95以上的流动为剪切流动，本书除非有特殊说明，讨论的都是剪切流动。dyddtddtdydLdydtdLdyd四、流变方程四、流变方程 反映物料宏观流变性质的数学模

18、型称为本构方程，亦称流变状态方程和流变方程，它是关联物料所受的应力与其流变响应如应变、应变速率，和响应时间，甚至温度等其它变量的方程式。寻求物质的流变方程是流变学研究的一个重要内容。流变方程的作用包括：流变方程可以区分流体类型，即不同类型的流体要用不同的流变方程来描述；从流变方程可以获得流体内部结构的有关信息，如相转变等；流变方程与有关流体流动方程相联立，可用以解决非牛顿流体的动量、热量和质量传递等工程问题。 由流变方程决定力学行为的物质是理想的物质，实际上物质不会绝对遵循某一本构方程，但可以逼近或接近某个流变方程。 描述牛顿内摩擦定律的方程（12）就是最简单的流体流变方程，牛顿流体流变方程中

19、只有一个反映流体流变性质的参数，即动力粘度。对非牛顿流体来说，其流变方程至少要有两个流变参数才能描述流体的流变性质。 对一些简单的流变性质的描述也可用曲线形式表示，如剪切应力与剪切速率关系曲线、粘度随剪切速率变化曲线等，并称之为流变曲线。 对一些比较复杂的流体，其流变方程往往要用张量来分析描述。 1.4物质的流变学分类物质的流变学分类 根据物质在简单剪切条件下的受力与变形特性，可对物质进行广义的流变学分类。表1-1给出了一个在简单剪切条件下物质的流变学分类谱。表表1-1 简单剪切条件下物质的流变学分类谱简单剪切条件下物质的流变学分类谱刚体 (欧几理德体或Eucliden solid) =0线性

20、弹性固体 (胡克体或Hookean solid) =G (G=常数)非线性弹性固体 =G() 粘弹性体 =f(、 、t. . .) 非线性粘性流体 =( ) 线性粘性流体(牛顿流体或Newtonian flouid) = (=常数)无粘性流体 (帕斯卡流体或Pascalian fluid) =0 上述分类实际上表示了一种理想化的模型，但它们代表了大量物质在实际变形或流动中的基本流变模型。另外，粘弹性体是一类在受力条件下，既表现出弹性又表现出粘性的一类物质，其又可分为以弹性特征为主的弹粘性固体和以粘性特征为主的粘弹性流体。 尽管许多物质比较明显地分为固体或流体，但也有相当多的物质很难认为它们是固

21、体还是流体，粘弹性体就是这一类物质。一般说来，在一个剪切应力作用下，流体将产生连续的变形，而固体将产生一个平衡的变形结构。实际上这种性质也是相对的，它决定于物质固有的特性时间和观察应力和应变变化的时间之间的相对大小，以及应力和应变的大小。如一种称之为反跳胶泥的有机硅材料，尽管其非常粘滞，但若给以足够的时间，它终将流成水平。然而，正如其名称所示的那样，由它做的小球往地板上掷时会反跳起来。 不难得出结论，在长时间标尺内发生的慢流动过程中，胶泥的行为象流体；在剧烈且突然的形变下，胶泥会反跳，从而表现出固体的特征。再如花岗岩石一般认为是固体，但若以一个地质时期观察它在重力作用下的效应，它仍表现出一个相

22、当大的变形。因此，依赖于形变过程的时间标尺，一种给定物质或材料的行为可能象固体或流体。实际上流变学的一个基本原理，也就是希腊哲学家赫拉克里特斯(Heraclitus)的一句哲学名言，即万物皆流。 为了描述材料的流变行为，现代流变学的奠基人之一瑞讷尔(Reiner)提出了一个无量纲准则数即德博拉(Deborah)数De的概念。 De=/T式中，T是物质运动的特征时间，或者说是观察形变过程的特征时间；是物质的特征时间或记忆时间。 利用德博拉数可将物质的流变学分类引入更一般化的概念中。严格地说，人们不能离开物质特定的运动特征时间来说明其是固体还是流体，只要能使物质处于某种特定的运动特征中，任何物质都可能呈现弹性或粘性。如水的特征时间约为1013 s，但在急速的运动中(如水锤现象)它也呈现出弹性特征；山脉的特征时间约为1013s，若以千亿年的时间尺度观察其运动时，山脉也会呈现粘性特征。因此，若De1，物质表现出固体行为，具有弹性；若De1，则物质表现出粘弹性。 可见，流变学不限于具体的物质形态，而更注重于物质具体的流变行为。即流变学研究各种物质在弹性固体行为和牛顿流体行为之间的流变性质。若其涉及的物质在一般条件下表现出流体类的性质，则称之为流体流变学。流体流变学研究不符合牛顿内摩擦定律的所有流体的性质，这类流体被称为非牛顿流体。可以说非牛