原油流變學第一章-緒論--新版

1、,,原油流變性及測量油氣儲運工程系,第一章 緒 論§1.1 流體的粘度一、流體的粘性 流體普遍存在于自然界中，流體的流動是在重力或外力作用下隨時間的連續(xù)變形過程。 流體流動時流層間存在著速度差和運動的傳遞正是由于流體具有粘性。（這也是流體與固體最重要區(qū)別。）當相鄰流層存在著速度差時，快速流層力圖加快慢速流層，而慢速流層力圖減慢快速流層，流體所具有的這種特性就是粘性，流層間的這種力圖減

2、小速度差的作用力稱為內摩擦力或粘性力。,流體的粘性實質上是流體分子微觀作用的宏觀表現(xiàn)，可以從分子運動論來解釋。,,,,氣體具有粘性是由于動量傳遞。氣體分子的距離大，當氣體流動時，其分子的無規(guī)則運動也比較激烈。當處于快層的分子（它們具有較大的動能）由于熱運動而遷移到慢層時，就把較大的動量傳給具有較小動量的慢層分子而將其加速，當慢層的分子遷移到快層時，則將使快層分子動量減小而減速。 液體具有粘性是由于分子引力所致，液體分子間

3、的距離比氣體小得多，分子的熱運動不如氣體劇烈，幾乎沒有動量傳遞，但分子間的引力則遠比氣體大。當液體流動時，由于分子引力，快層的分子力圖拉著慢層的分子前進，而慢層的分子則盡量將快層的分子往后拽。 流體分子間的這些相互作用使得運動得以逐層傳遞，并保持著層間的速度差，即呈現(xiàn)流體的粘性。,二、牛頓粘性定律 牛頓粘性定律給出了粘度與內摩擦力的定量關系。圖1－1所示為兩個無限大平行平板間流體的速度分布。,,,,,,,,,圖

4、1－1 液體在平行平板間的流動,設相鄰流層間的接觸面積為A，距離為dy，速度差為 ，則流體的粘性力為：,,,,,,上式亦可寫成如下形式：,,(1—1）,(1—2）,公式（1－1）及（1－2）稱為牛頓內摩擦定律或牛頓定律。凡符合牛頓定律的流體稱為牛頓流體，反之則稱為非牛頓流體。牛頓流體的剪切應力與剪切速率之間呈正比關系，剪切應力與剪切速率的比值為常數(shù)，即動力粘度。非牛頓流體的剪切應力與剪切速率之間無正比關系，剪切應力與剪切速

5、率的比值不再是常數(shù)。,,三、粘度的定義1、動力粘度動力粘度是穩(wěn)態(tài)流動中的剪切應力與剪切速率之比值，即,,,,,單位：Pa.s或mPa.s。2、運動粘度 運動粘度是動力粘度與同溫度下的密度?之比值。又稱比密粘度，用符號?表示，即單位：m2/s或mm2/s。,,,四、粘度與溫度、壓力的關系 粘度與溫度的關系非常密切，在常溫常壓下當溫度變化1℃時，液體的粘度變化達百分之幾至十幾，氣體約為千分之幾。粘

6、度與溫度并不呈線性關系，它與溫度范圍有關，溫度越低，粘溫關系越密切，即隨溫度的降低，粘度隨溫度的變化越大。 氣體與液體的粘度隨溫度變化的規(guī)律完全相反，氣體的粘度隨溫度升高而增大，因為氣體的粘性是由于動量傳遞所致，當溫度升高時，分子的熱運動加劇，動量增大，流層間的內摩擦加劇，所以粘度增大。而液體的粘性來自分子引力，溫度升高，分子間的距離加大，分子間減小，內摩擦減弱，所以粘度減小。 粘度隨溫度變化的程度還與許多因素

7、有關，例如物質的化學組成、粘流活化能、粘度大小等，例如通常液體的粘度越大，液體的粘度隨溫度變化越大。 液體和氣體的粘度隨著壓力的增大而增大，壓力的變化對氣體粘度的影響更大，這一因為氣體的壓縮性很強。,,,,,,,§1.2 流變學概念 一、流變學的定義及研究對象上一節(jié)介紹的主要較簡單的流體，即牛頓流體。自然界中更多的流體并不屬于牛頓流體，而是非牛頓流體。自然界中有許多非牛頓流體的例子，例如：①高分子溶液

8、和聚合物熔體，除濃度極小的溶液外，總是非牛頓流體；②用油漆在刷墻時，既要求油漆有良好的流平性，以自動消除刷子留下的痕跡，但又不希望其流動性大到油漆還未干時就從墻上流淌下來；③人體內的正常血液循環(huán)要求血液粘度保持在合適的水平上，一些血栓即起因于血液粘度異常因而導致微循環(huán)和組織的新陳代謝出現(xiàn)障礙；④石油工業(yè)中用到大量鉆井液，用以潤滑冷卻鉆頭，并在鉆井過程中將巖屑攜帶出鉆孔，這就要求鉆井液必須具有這樣一種性質，受剪切時粘度低，停剪后變稠

9、，以保證停鉆時巖屑不致沉降；,⑤含蠟原油在低溫下會凝固，但外加應力超過這種膠凝結構的結構強度后，其又會流動起來，并且剪切流動強度越大，其粘度越?。虎逎櫥秃蜐櫥诟邷馗邏焊呒羟兴俾实墓ぷ鳁l件下，既要有較好的粘附性，又要有一定的彈性；⑦食品工業(yè)中的糊狀物、濃懸浮液、乳狀液、巧克力、奶油等等都屬于非牛頓流體；⑧日常生活中的牙膏、化妝品、洗滌劑等要具有一定的非牛頓流體性質；⑨工業(yè)中的水煤漿、油煤漿及其其它礦漿也均為非牛頓流體。

10、 傳統(tǒng)的流體力學無法應對這類流體的流動行為，需要有新的學科即流變學來解決這類問題。流變學(Rheology)是一門研究材料或物質在外力作用下變形與流動的科學。,流變學的研究對象： 按照流變學的字面意義，它幾乎研究所有物質在外力作用下的形變或流動問題，包括經(jīng)典的虎克固體和牛頓流體這樣的極端。但實際上這些經(jīng)典極端往往被認為超出了現(xiàn)代流變學研究的范圍。人們遇到的許多物質既不是理想的固體，也不是理想的流體。特別是現(xiàn)

11、在隨著科學技術的快速發(fā)展，許多新材料不斷大量涌現(xiàn)在各個領域，它們的性質往往介于理想固體和理想流體之間，很難用傳統(tǒng)的彈性力學或流體力學學科進行描述。那么，流變學就是專門對這類材料的受力與形變或流動問題進行研究。所以，流變學研究的是純彈性固體和牛頓流體狀態(tài)之間所有物質的變形與流動問題。 物質在外力作用下變形與流動的性質可以稱之為物質的流變性，流變學就是研究物質流變性的科學。,二、流變學的研究發(fā)展 在流變學的建立與發(fā)展

12、過程中，美國物理化學家賓漢姆教授作出了劃時代的貢獻。他不僅發(fā)現(xiàn)了一類所謂賓漢姆（Bingham）流體(如潤滑油、油漆、泥漿等)的流動規(guī)律，而且把20世紀以前積累下來的有關流變學的零碎知識進行了系統(tǒng)的歸納，并正式命名為流變學(Rheology)。1929年賓漢姆等倡議成立了美國流變學會(society of rheology of USA)，且同年創(chuàng)刊流變學雜志(Journal of Rheology)。人們一般以此作為流變學(作為學科)

13、創(chuàng)立的標志。以后流變學逐步被歐、美、亞等各大洲的許多國家所承認。目前全世界許多國家都有自己的流變學會，1948年在荷蘭召開了第一屆國際流變學會議，以后每4年舉行一屆國際流變學會議。2008年在美國的加利福尼亞舉行了第十五屆國際流變學會議。一般的說，我國在流變學方面的工作是從新中國成立后才開始的，特別是改革開放以來，在科學技術和工業(yè)發(fā)展的促進下，無論是在廣度還是在深度，流變學在我國都有了很大的發(fā)展。我國于1985年11月在長沙召開第一屆全

14、國流變學會議，2008在長沙湘潭大學舉辦了第九屆全國流變學會議。,三、流變學是一門交叉邊緣學科 既然流變學所研究的形變和流動問題是普遍存在的，其與不同學科的研究對象和內容總是會相互重疊，是一種典型的多學科交叉科學。例如流變學與物理學(尤其是其中的物性物理學和力學)、化學(特別是同膠體化學、高分子化學)、數(shù)學等學科領域密切相關。因此可以說流變學是一種學科的“譜”，包括從非常數(shù)學化的理論到非常實用的應用研究，形成了許多不同的分支

15、(如理論流變學、應用流體流變學)，同時涉及宏觀和微觀的眾多復雜現(xiàn)象和性質。流變學的發(fā)展有著密切的工業(yè)背景，本來流變學就是應工業(yè)的需要而發(fā)展起來的，因此，流變學在各工業(yè)領域的研究發(fā)展產(chǎn)生了許多對應的流變學分支，象聚合物加工流變學、生物流變學、藥品流變學、食品流變學、原油流變學、土壤流變學等等。,就流體而言，凡流變性質不符合牛頓內摩擦定律的流體統(tǒng)稱為非牛頓流體，以非牛頓流體為主要研究對象的流變學分支則稱為流體流變學?？梢哉J為原油流變學是流體

16、流變學的一個分支。不同的流變學分支，盡管有學多共性，但由于各分支研究的對象不同、研究的目的不同、環(huán)境條件不同等，其研究理論、研究方法可能有較大的不同。 流變學研究的內容非常廣泛，籠統(tǒng)地講，可分為以下幾個方面：（1）流變測量理論與技術研究；（2）物質流變方程的確定；（3）復雜流動中流變行為的測定或計算。 本書主要是關于原油流變學的內容，主要介紹流變學基本概念和理論，原油流變學測量基礎，原油基本流變性質，原油流變性的評

17、價，原油流變性在石油工業(yè)中的應用。,§1.3力、形變和流動 在傳統(tǒng)上流變學作為力學的一個分支，因為物質的流變性是應用力學的基本原理來確定的，盡管流變學更注重不同物質的力學性質與其內部結構之間的關系，而不限于力學本身。 一、連續(xù)介質的概念 所謂連續(xù)介質，就是把物質看作是由一個挨一個的、具有確定質量的、連續(xù)地充滿空間的眾多微小質點所組成。即認為物體內的質點是微觀上充分大(含有眾多的分子)、宏觀上充

18、分小的分子團，這些質點完全充滿所占空間，沒有間隙存在。例如流體，流體質點之間應無空洞，相鄰微團在流動過程中不能超越，也不能落后，在微團形變過程中，相鄰微團永遠連接在一起。質點的性質是眾多分子的統(tǒng)計平均性質—宏觀性質，質點的運動是分子集合的總體運動—宏觀運動。,物質被看成是連續(xù)介質，就擺脫了復雜的分子運動，而著眼于宏觀運動，那么反映宏觀物質的各種物理性質都是空間坐標的連續(xù)函數(shù)，在解決流變學問題時，就可應用數(shù)學分析中的連續(xù)函數(shù)概念進行數(shù)學解

19、析。 當然，當所研究的物體大小與物質分子的平均自由行程在同一個數(shù)量級時，連續(xù)介質模型是不適用的。 二、力與變形 一般施加到材料上的外力有三種或這三種的組合，第一是使材料伸張的力，稱為拉力或張力FT；二是使材料壓縮的力，稱為壓縮力FP；第三是使材料產(chǎn)生扭轉等切向變形的力，稱為切向力FS；在這些力的作用下，材料發(fā)生拉伸形變、壓縮形變、剪切形變，如圖1－2所示。一些復雜形變可認為是由這些簡單形變組合而成的。,

20、圖1－2 幾種簡單形變,流變學中描述物質或材料所受的外力要用應力，應力是作用于單位面積上的力。對于上述三種力，相應有三種應力，即,拉伸應力 （力的方向與面積A垂直）,壓縮應力 （力的方向與面積A垂直）,,,,,剪切應力 （力的方向與面積A平行）,壓縮應變： （?L和L0均與力的方向平行）,在流變學中用應變描述材料的形變。應變是相對于長度、面積或體積等參考構形的形變度量，亦稱為相對形變，是無量

21、綱量。相對于三種形變，三種應變形式為： 拉伸應變： （?L和L0均與力的方向平行）,,,,,,,剪切應變： （?L與力的方向平行，L0與力的方向垂直，見圖1－2）,根據(jù)物體的物態(tài)及變形形式，K的意義不同。 對理想固體，拉伸與壓縮狀態(tài)下 E為彈性模量。,應力與應變的關系為,,,,,,剪切狀態(tài)下

22、 G為剪切模量。,流體靜壓力p（各向同性應力）所引起的應變稱為體積應變， 靜壓力與體積應變的關系為其中KV稱體積模量，負號表示體積隨壓力的增加而減小。,,,,三、應變速率、剪切速率與速度梯度 用應變速率、剪切速率或速度梯度描述流體的流動。應變速率是單位時間的應變變化,應變速率又分為拉伸應變速率和剪切應變速率，剪切應變速率描述流體的剪切流動，拉伸應變速

23、率描述流體的拉伸流動。在簡單剪切流動中，流體的流動方向與速度梯度方向垂直，如平行平板間的拖動流、流體在等直徑圓管中的層流流動等；對簡單拉伸流動來說，流體的流動方向與速度梯度方向相同，如紡絲過程等。 剪切速率就是剪切應變速率，即單位時間剪切應變的變化，常用 表示剪切速率。,,,速度梯度是流體元的速度對空間坐標的導數(shù)，用 表示，在數(shù)學上速度梯度與剪切速率一般是相等的，這是因為一般速度梯度

24、 剪切速率。但在某些流動條件下，二者的物理意義有所區(qū)別，如在第三章介紹的同軸圓筒旋轉流動中。 流體在不同的流動方式下所表現(xiàn)出的流動阻力特性不同，剪切粘度等于剪切應力與剪切速率之比，剪切粘度就是牛頓內摩擦定律中的動力粘度。拉伸粘度等于拉伸應力與拉伸應變速率之比。對牛頓流體來說，在簡單的拉伸流動即單軸拉伸流動條件下

25、，其拉伸粘度為剪切粘度的3倍；對非牛頓流體來說，其拉伸粘度大于3倍的剪切粘度。有資料報道，自然界中95％以上的流動為剪切流動，本書除非有特殊說明，討論的都是剪切流動。,,,四、流變方程 反映物料宏觀流變性質的數(shù)學模型稱為本構方程，亦稱流變狀態(tài)方程和流變方程，它是關聯(lián)物料所受的應力與其流變響應如應變、應變速率，和響應時間，甚至溫度等其它變量的方程式。尋求物質的流變方程是流變學研究的一個重要內容。流變方程的作用包括：①流變方程

26、可以區(qū)分流體類型，即不同類型的流體要用不同的流變方程來描述；②從流變方程可以獲得流體內部結構的有關信息，如相轉變等；③流變方程與有關流體流動方程相聯(lián)立，可用以解決非牛頓流體的動量、熱量和質量傳遞等工程問題。,由流變方程決定力學行為的物質是理想的物質，實際上物質不會絕對遵循某一本構方程，但可以逼近或接近某個流變方程。 描述牛頓內摩擦定律的方程（1－2）就是最簡單的流體流變方程，牛頓流體流變方程中只有一個反映流體流變性質的參數(shù)，

27、即動力粘度?。對非牛頓流體來說，其流變方程至少要有兩個流變參數(shù)才能描述流體的流變性質。 對一些簡單的流變性質的描述也可用曲線形式表示，如剪切應力與剪切速率關系曲線、粘度隨剪切速率變化曲線等，并稱之為流變曲線。 對一些比較復雜的流體，其流變方程往往要用張量來分析描述。,§1.4物質的流變學分類 根據(jù)物質在簡單剪切條件下的受力與變形特性，可對物質進行廣義的流變學分類。表1-1給出了一個在簡單剪切條件

28、下物質的流變學分類譜。表1-1 簡單剪切條件下物質的流變學分類譜,,,上述分類實際上表示了一種理想化的模型，但它們代表了大量物質在實際變形或流動中的基本流變模型。另外，粘彈性體是一類在受力條件下，既表現(xiàn)出彈性又表現(xiàn)出粘性的一類物質，其又可分為以彈性特征為主的彈粘性固體和以粘性特征為主的粘彈性流體。 盡管許多物質比較明顯地分為固體或流體，但也有相當多的物質很難認為它們是固體還是流體，粘彈性體就是這一類物質。一般說來，在

29、一個剪切應力作用下，流體將產(chǎn)生連續(xù)的變形，而固體將產(chǎn)生一個平衡的變形結構。實際上這種性質也是相對的，它決定于物質固有的特性時間和觀察應力和應變變化的時間之間的相對大小，以及應力和應變的大小。如一種稱之為"反跳膠泥"的有機硅材料，盡管其非常粘滯，但若給以足夠的時間，它終將流成水平。然而，正如其名稱所示的那樣，由它做的小球往地板上擲時會反跳起來。,不難得出結論，在長時間標尺內發(fā)生的慢流動過程中，膠泥的行為象流體；在劇烈且

30、突然的形變下，膠泥會反跳，從而表現(xiàn)出固體的特征。再如花崗巖石一般認為是固體，但若以一個地質時期觀察它在重力作用下的效應，它仍表現(xiàn)出一個相當大的變形。因此，依賴于形變過程的時間標尺，一種給定物質或材料的行為可能象固體或流體。實際上流變學的一個基本原理，也就是希臘哲學家赫拉克里特斯(Heraclitus)的一句哲學名言，即萬物皆流。 為了描述材料的流變行為，現(xiàn)代流變學的奠基人之一瑞訥爾(Reiner)提出了一個無量綱準則數(shù)即德博

31、拉(Deborah)數(shù)De的概念。 De=τ/T式中，T是物質運動的特征時間，或者說是觀察形變過程的特征時間；τ是物質的特征時間或記憶時間。,利用德博拉數(shù)可將物質的流變學分類引入更一般化的概念中。嚴格地說，人們不能離開物質特定的運動特征時間來說明其是固體還是流體，只要能使物質處于某種特定的運動特征中，任何物質都可能呈現(xiàn)彈性或粘性。如水的特征時間約為10－13

32、 s，但在急速的運動中(如水錘現(xiàn)象)它也呈現(xiàn)出彈性特征；山脈的特征時間約為1013s，若以千億年的時間尺度觀察其運動時，山脈也會呈現(xiàn)粘性特征。因此，若De>1，物質表現(xiàn)出固體行為，具有彈性；若De≈1，則物質表現(xiàn)出粘彈性。 可見，流變學不限于具體的物質形態(tài)，而更注重于物質具體的流變行為。即流變學研究各種物質在彈性固體行為和牛頓流體行為之間的流變性質。若其涉及的物質在一般條件下表現(xiàn)出流體類的性質，則稱之為流體流變學

33、。流體流變學研究不符合牛頓內摩擦定律的所有流體的性質，這類流體被稱為非牛頓流體?？梢哉f非牛頓流體力學與流體流變學具有相同的概念。原油流變學就是一門流體流變學。,§1.5 流變學研究的分類 流變學是一門交叉學科，它是由許多數(shù)學家、物理學家、物理化學家、醫(yī)學家、生物學家及各方面的工程師創(chuàng)立并發(fā)展起來的。這種歷史背景及流變學本身的研究特點產(chǎn)生了眾多的流變學分支及眾多的解決流變學問題的方法。因此，任何一種流變學研究方面的分類標

34、準在某種程度上說都是任意的。 從原理上人們把流變學分為以下四個主要研究方向： 1.宏觀流變現(xiàn)象的描述； 2.上述宏觀現(xiàn)象在分子或粒子水平上的解釋及描述； 3.描述上述宏觀現(xiàn)象的有關常數(shù)及函數(shù)的實驗測定； 4.流變學的實際應用。 按照這一分類，流變學則由以下四個對應分支組成，即現(xiàn)象流變學(或宏觀流變學)、結構流變學(或微觀流變學)、流變測量學和應用流變學。,現(xiàn)象流變學是從宏觀尺度上考慮實際物體，而

35、忽略了分子或微觀粒子的性質，并利用了連續(xù)介質的概念。在宏觀流變學分支的基礎上現(xiàn)在出現(xiàn)了一個發(fā)展較快的新的研究領域，連續(xù)介質數(shù)學理論(理論流變學)，其目的是發(fā)展一種理論來描述真實物質的流變現(xiàn)象，并提出其流變方程(一般用張量表示)。這種解決問題的方法完全是公理性質的，在解決流變學問題時，它有著嚴格而普通的優(yōu)點，但有時也有其數(shù)學理論與實際物質不符的問題。 因此，宏觀流變學的另一個也即更具有實際意義的研究方法應運而生，這種方法提出的本構