Для расчета технологических параметров процесса необходимо знать основные реологические параметры нефти. В случае неньютоновских нефтей вязкость зависит от скорости сдвига

Разнообразные формы отклонения от неньютоновского поведения, проявляемые нефтями, определяются их химическим составом, а также условиями технологического процесса.

Реологические характеристики нефтей и систем, применяемых при добыче нефти и газа

Реологические свойства нефтей очень разнообразны и во многих случаях их поведение не определяется одним реологическим параметром – вязкостью. Нефти многих месторождений относятся к неньютоновским жидкостям, для которых не выполняется закон внутреннего трения Ньютона – сдвиговые касательные напряжения прямо пропорциональны скорости сдвига.

Для описания зависимости вязкости и напряжения сдвига от скорости сдвига выбирают подходящую реологическую модель. Наиболее распространенная реологическая модель для описания течения неньютоновских нефтей – это модель Шведова-Бингама

где τ – напряжение сдвига; τ₀ – предельное напряжение сдвига, превышение которого приводит к возникновению вязкого течения; μ – динамическая вязкость, численно равная тангенсу угла наклона кривой течения; – скорость сдвига.

Кривая течения (или реологическая кривая) для жидкостей представляет собой прямую линию на графике , пересекающую ось напряжений сдвига на расстоянии τ₀ от ее начала.

Объяснение поведения бингамовских сред исходит из предположения о наличии у покоящейся жидкости пространственной структуры, достаточно жесткой, чтобы сопротивляться любому напряжению, не превышающему величину τ₀. Примером может служить пространственная структура парафина при температуре ниже температуры застывания. Если напряжение превышает τ₀, то структура полностью разрушается, и система ведет себя как обычная неньютоновская жидкость. Когда же напряжение сдвига становится меньше τ₀, структура может снова восстановиться (явление тикстропии). На рис. 1 приведены типичные реологические кривые для высокопарафинистой нефти месторождения Узень.

Рис. 1. Реологические кривые нефти месторождения Узень

Свойства вязкопластичной жидкости ярко проявляются в несоблюдении закона сообщающихся сосудов. Известно, что уровень воды или любой ньютоновской жидкости в сообщающихся сосудах любых диаметров одинаков. Для вязкопластичной жидкости это не так. Если залить такую жидкость в U-образную трубку, то уровень в том колене, куда заливалась жидкость, будет выше, чем в другом. Нетрудно рассчитать разницу уровней Δh. Пусть уровень в левом колене диаметром d₁ куда заливалась жидкость, равен h₁; для правого колена соответственно обозначим d₂ и h₂ Разница в силах гидростатического давления между коленами Δhρgπd²/4 уравновешивается при пренебрежении длиной соединительной трубки, силой сцепления жидкости с поверхностью трубок с предельным напряжением сдвига τ₀.Следовательно,

так как , то

Как видно, знаменатель этого выражения обращается в бесконечность при d = 4τ₀/(ρg) Это означает, что при d₁ < d жидкость залить в левое колено не удается. Чем больше величина d₁ > d, тем легче залить жидкость. Поэтому сопротивление движения вязкопластичной жидкости резко возрастает с уменьшением проницаемости пласта.

Псевдопластические жидкости не обнаруживают предела текучести, и их кривая течения показывает, что отношение напряжения сдвига и скорости сдвига у них постепенно снижается с ростом скорости сдвига. Подобные зависимости характерны, например, для нефтей Герасимовского месторождения Томской области (рис. 2).

Рис. 2. Реологические кривые нефти Герасимовского месторождения

Для описания жидкостей такого типа Оствальдом была предложена эмпирическая функциональная зависимость в виде степенного закона. Этот закон усовершенствовал Рейнер:

(1)

где К – мера консистенции жидкости (чем выше вязкость жидкости, тем больше К); n – величина, характеризующая степень неньютоновского поведения материала (n < 1) (чем больше n отличается от 1, тем отчетливее проявляются неньютоновские свойства). Величины К и n являются постоянными для данной жидкости.

Эффективную вязкость μ_эф для степенного закона можно выразить через n, так как , т. е.

и поскольку для псевдопластичных материалов n < 1, то кажущаяся вязкость убывает с возрастанием скорости сдвига (рис. 3).

Дата добавления: 2014-01-04