.RU

Реологические характеристики нефтей - Отчет о научно-исследовательской работе по теме: Выявление универсальных молекулярных...


^ Реологические характеристики нефтей
Для определения реологических характеристик неньютоновских нефтей известно два основных метода [16]:

1. Непосредственное установление связи напряжения сдвига со скоростью сдвига путем создания в образце однородной сдвиговой деформации в специальном приборе и измерения напряжения сдвига при фиксированной скорости. Вискозиметры, использующие этот принцип, представляют собой ротационные устройства в виде соосных цилиндров или конуса и пластины.

2. Установление зависимости между напряжением сдвига и скоростью сдвига косвенным способом – по измерению перепада давлений и расходу жидкости в вискозиметрах с капиллярной трубкой. В таких приборах скорость сдвига изменяется от нуля на оси трубки до максимума на стенке.

При исследовании вязкоупругих свойств нефтей на ротационных вискозиметрах можно определить лишь касательное напряжение сдвига и вычислить эффективную вязкость


. (1.3)


В работе [15] показано, что определяемая таким образом величина эф для вязкоупругих жидкостей не может служить мерой вязкости, так как жидкость не испытывается в условиях чистого сдвига, а подвергается (в ротационном вискозиметре) длительному ламинарному сдвигу. В этой же работе [15] показано, что если жидкость в условиях ламинарного сдвига проявляет обратимую деформацию, то между главными осями эллипсоидов напряжения и скорости деформации наблюдается угловое расхождение. При этом лишь часть напряжения тратится на преодоление вязкого сопротивления и с увеличением напряжения сдвига расхождение будет расти, что приведет к соответствующему изменению экспериментального значения вязкости. Учитывая данную поправку, можно получить истинное значение коэффициента вязкости, соответствующего деформации чистого сдвига:


(1.4)


где  - истинное значение коэффициента вязкости; G – модуль упругости.

При исследовании вязкоупругих свойств нефтей в работах [10, 16, 17], была разработана методика оценки вязкости и модуля упругого сдвига на основе уравнения (1.4). Для этого по данным ротационной вискозиметрии строилась графическая зависимость


(1.5)


которая имела либо линейный либо кусочно-линейный характер. По пересечению с осью и наклону прямой можно определить, для случая вязкоупругих нефтей (типа максвелловских), истинную вязкость и модуль упругости.

В работе [7] параметры реологических свойств нефтей определялись по перепаду давления на концах капилляра от объемного расхода жидкости. Реологические кривые строились в системе координат градиент скорости – напряжение сдвига. Исследования показали, что кривые консистентности всех исследованных нефтей отличаются от кривых консистентности ньютоновских жидкостей. В большинстве случаев кривые по форме аналогичны кривым С. Оствальда, полученным для структурированных жидкостей [18]. Структурная сетка в таких системах относится к типу коагуляционных структур [19]. Неподчинение нефтей закону Ньютона и уравнению Гагена-Пуазеля при течении в капилляре обусловлено образованием структурной сетки. При температурах выше температуры насыщения нефти парафином пространственная структурная сетка создается мицеллами асфальтенов [20, 21].

На кривых можно отметить два линейных участка, сильно различающиеся углом наклона к оси напряжений сдвига (рисунок 1.4). Один участок (Б - В) при напряжения сдвига больше определенной величины имеет постоянный наклон, то есть является прямолинейным. Воображаемое продолжение этого участка кривой проходит через начало координат. Это область предельного разрушения структуры. Вязкость нефти в этой области остается постоянной и наименьшей. Н. В. Михайловым и П. А. Ребиндером [19] граничное напряжение сдвига, выше которого вязкость нефти остается постоянной и наименьшей, названо критическим напряжением сдвига предельного разрушения структуры (m), а наименьшая вязкость – наименьшей вязкостью предельно разрушенной структуры (m).




Рисунок 1.4  Типичные кривые консистентности нефтей


Второй участок (0 - А) находится в начале кривой консистентости – в области малых напряжений и скоростей сдвига. Угол наклона кривой на этом участке небольшой, следовательно, вязкость нефти высокая. Продолжение кривой проходит через начало координат. Это — область практически не разрушенной структуры. В этой области, по П. А. Ребиндеру, разрушение структуры сопровождается тиксотропным ее восстановлением, и система движется с практически не разрушенной структурой, т. е. наблюдается явление ползучести [22]. Вязкость нефти на этом участке постоянна и названа наибольшей предельной вязкостью практически не разрушенной структуры (0).

При некотором напряжении сдвига угол наклона кривой к оси абсцисс быстро увеличивается (участок А —.Б), достигая затем постоянного значения. Граничное напряжение сдвига, при превышении которого вязкость нефти начинает уменьшаться, А. А. Трапезниковым названо критическим напряжением сдвига неразрушенной структуры, (n).

Точно определить перечисленные граничные напряжения сдвига трудно, так как кривизна линии здесь небольшая. Поэтому при практических расчетах широко используется такой параметр системы, как предельное динамическое напряжение сдвига (). Это напряжение сдвига определяется как точка пересечения с осью абсцисс продолжения прямой, проведенной по наиболее крутому участку кривой консистентности [19, 22]. Из рисунка 1.4 видно, что предельное динамическое напряжение сдвига близко по величине к критическому напряжению сдвига практически не разрушенной структуры.

Таким образом, существуют две области, в которых вязкости нефти постоянны, но не одинаковы — от начала координат до точки А и от точки Б до области турбулентности. В области же между точками А и Б вязкость, вычисленная с использованием уравнения Пуазейля, переменная (эффективная вязкость) [19, 22]. Она характеризует равновесное состояние процессов разрушения и восстановления структуры, протекающих одновременно в установившемся потоке.

Авторами работы [7] была сделана попытка получения эмпирического уравнения зависимости предельного динамического напряжения сдвига  от содержания в нефти смол и асфальтенов. Было установлено, что предельное динамическое напряжение сдвига находится в прямой зависимости от содержания в нефти асфальтенов и в обратной – от содержания смол. Это подтверждает, что дисперсной фазой, образующей структуру, являются асфальтены. Смолы в коллоидной системе выполняют роль стабилизатора частиц асфальтенов. Общий вид уравнения имеет вид:


(1.6)


где А и С – содержание в нефти соответственно асфальтенов и смол, % вес,  - эмпирическая константа.

Для определения вязкости в этой же работе [7] авторами предложены эмпирические зависимости двух типов:


(1.7)


(1.8)


где n - критическое напряжение сдвига не разрушенной системы; А и В – эмпирические константы характеризующие скорость разрушения структурных связей в системе; 0 и m - вязкость нефти с разрушенной и с не разрушенной структурой.


1.1.2 Аппаратура, использованная для проведения

реологических измерений


В настоящее время известно большое число разнообразных методов измерения сдвиговой вязкости. Так, для растворов с вязкостью порядка наиболее пригодными оказались способы, основанные на затухании вращательного или колебательного движения, а также метод падающего груза. Для основного класса жидких растворов () наибольшее распространение получили капиллярные вискозиметры. Надежная теоретическая основа, простота методических приемов измерения и технологичность конструкций привели к тому, что к настоящему времени 90% всей информации о вязком течении жидкостей получено методами капиллярной вискозиметрии. Эталонные средства измерения вязкости также представлены набором стеклянных капиллярных вискозиметров.

В описываемых в данном отчете исследованиях объектом изучения являлись высокомолекулярные вещества (асфальтены), для изучения которых наиболее пригодными являются ротационные вискозиметры. Теоретическим основанием применения ротационного вискозиметра является хорошо известные закономерности течения жидкости в кольцевых зазорах вращающихся поверхностей. Метод вращающихся поверхностей - единственный прямой метод определения динамической вязкости, не требующий знания плотности жидкости.


Ротационный вискозиметр Brookfield LVDV-II+


Принцип работы вискозиметра – вращение специального измерительного цилиндра (шпинделя), погруженного в тестируемую жидкость, посредством калиброванной спиральной пружины. Вязкое трение жидкости о шпиндель определяется по закручиванию приводной пружины, которое измеряется датчиком угла вращения.

Непосредственно измеряемыми величинами являются:

1. Крутящий момент M, действующий на контактирующую с жидкостью поверхность шпинделя (определяется в процентах от предельного значения момента кручения калиброванной пружины);

2. Угловая скорость шпинделя ;

3. Геометрические размеры внутреннего и внешнего цилиндра.




Рисунок 1.5  Схема рабочего элемента ротационного вискозиметра.

1. – наружный цилиндр радиусом RH, 2 – внутренний цилиндр RB,

3 – центрирующая ось, 4 – дно рабочего цилиндра)


Для цилиндрического кольцевого зазора (в соответствии с рисунком 1.5) при малых значениях h и рабочей высоты H внутреннего цилиндра, погруженного в жидкость, вязкость которой измеряется, напряжение сдвига  в слое радиусом r определяется по формуле


(1.9)

скорость сдвига – по формуле


(1.10)


где  - угловая скорость ламинарно перемещающихся слоев среды.

Для ньютоновских жидкостей


(1.11)


интегрируя выражение (1.11), получаем:


(1.12)


где  - вязкость.

Для неньютоновских жидкостей:


(1.13)


Для практических вычисления вязкости в ротационных вискозиметрах цилиндр в цилиндре используется соотношение:


(1.14)


Для определения напряжения сдвига и скорости сдвига фирма Brookfield использует следующие соотношения:


(1.15)


(1.16)


где - скорость сдвига;  - напряжение сдвига, RH, RB - радиусы внешнего и внутреннего цилиндров; - угловая скорость вращения внутреннего цилиндра; M - значения момента (является инструментальным показателем вискозиметра); Нэф - эффективная длина внутреннего цилиндра.

В связи с тем, что существенное влияние на результаты измерений вязкости оказывает длина шпинделя, вместо истинной длины измерительного шпинделя Н, используют эффективную длину Нэф=Н+Н0. Значение Н0 находят, проведя ряд измерений М и  при различных Н и экстраполируя эту зависимость к М/0.

Общий вид вискозиметра представлен на рисунке 1.6.




Рисунок 1.6  Устройство вискозиметра Brookfield LVDV-II+


Калибровочная пружина имеет предельное значение момента кручения 0,0673 мН*м. Скорость вращения измерительного шпинделя может задаваться от 0,01 до 200 об/мин. Вывод информации об измеряемой жидкости осуществляется на экран вискозиметра. При использовании программы Wingather вывод информации осуществляется также на монитор компьютера и может быть сохранена на любом носителе информации.

Для измерений могут использоваться специальные UL – адаптер и адаптер для малой пробы SC4-25, каждый из которых представляет собой два коаксиальных цилиндра. Внешний цилиндр имеет термостатирующую рубашку и при работе является неподвижным. Внутренний цилиндр (шпиндель) является измерительным. Кроме, того, адаптер SC4-25 имеет встроенный во внешний цилиндр термометр.


UL – адаптер имеет следующие геометрические характеристики:

Эффективная длина шпинделя – 92,39 мм

Реальная длина шпинделя – 90,74 мм

Диаметр шпинделя – 25,15 мм

Внутренний диаметр внешнего цилиндра – 27,62 мм


Адаптер SC4-25 имеет следующие геометрические характеристики:

Эффективная длина шпинделя – 13,21 мм

Диаметр шпинделя – 4,78 мм

Внутренний диаметр внешнего цилиндра – 19,05 мм


Верхний предел диапазона измерения вязкости (ВПВ) с UL – адаптером и адаптером SC4-25 вычисляется для каждой скорости вращения по следующей формуле:


ВПВ (мПа*с) = ТК * SMC * 10000/RPM (1.17)


где ТК – коэффициент пружины (для вискозиметра LVDV-II+ = 0,09373); ^ SMC - множитель шпинделя (для UL – адаптера = 0,64; для SC4-25 = 512); RPM - скорость вращения шпинделя, об/мин.

Пределы измерения вязкости для UL – адаптера от 1,0 до 2000 мПа*с, для SC4-25 от 240,0 до 4790000 мПа*с. Погрешность измерений вязкости составляет  1% от верхнего предела диапазона измерения.

При проведении измерений на вискозиметре LVDV-II+ необходимо учитывать следующие ограничения по нижнему пределу вязкости: 1. Измерение вязкости приемлемо, если момент кручения находится в пределах от 10 до 100 %. 2. Измерение вязкости должно проводиться в условиях ламинарного течения.


Ротационный вискозиметр Reotest-2.1.


Для проведения измерений с малотекучими средами была смонтирована и налажена экспериментальная установка на основе ротационного вискозиметра Reotest-2.1. Технические характеристики установки: диапазон напряжений сдвига - от 1 до 104 Па; диапазон скоростей сдвига – от 0,02 до 1372 с-1; регистрируемый диапазон динамической вязкости – от 0,001 до 105 Па.с; точность поддержания температуры – не менее 0,1ОС; погрешность измерений реологических характеристик – менее 3 %.

В использованном ротационном вискозиметре Reotest-2.1 снятие вращающего момента с пружины производится с помощью потенциометра, включенного в мостовую схему, причем изменение силы тока, протекающего в диагонали моста, пропорционально вращающему моменту пружины. Расчет основных характеристик производится по следующим соотношениям.

Сдвиговое напряжение:


(1.18)


Скорость сдвига:


(1.19)


Динамическая вязкость:


(1.20)


Ротационный вискозиметр Reotest-2.1 обладает следующими паспортными характеристиками:



Характеристика

Коаксиально-цилиндрическое устройство



Конусо-пластиночное устройство

Диапазон вязкости

1-1,8*108 м Па с

8-4*108 м Па с

Диапазон скоростей сдвига

1,6-3*103 Па

40-2*103 Па

Диапазон температур

-60  +150 0С

-60  +150 0С

Количество измеряемой жидкости

5-50 мл

0,04-0,1 мл




skulpturi.html
skupoj-platit-dvazhdi-tupoj-trizhdi-loh-vsegda-chasto-zadavaemie-voprosi-ne-nado-chitat-mnogo-knig.html
skuyu-konferenciyu-s-mezhdunarodnim-uchastiem-problemi-fiziologii-adaptacii-i-zdorovya-cheloveka-posvyashennuyu-75-letiyu-pamyati-akademika-safarova-habiba-murodovich.html
skvorcov-yue-patrioticheskoe-dvizhenie-naseleniya-stalingradskoj-oblasti-v-pomosh-frontu-v-godi-velikoj-otechestvennoj-vojni-volgograd-izd-vo-znanie-1990-s-24-28.html
skvoz-prizmu-biblii-ctanislav-zigunenko.html
skvoznaya-programma-disciplin-tehnologiya-nauchnih-issledovanij-imetodologiya-nauchnih-issledovanij-indeksi-disciplin-po-uchebnomu-planu-en-r-01-i-opd-r-01-napravlenie-230200-informacionnie-sistemi-stranica-2.html
  • assessments.bystrickaya.ru/differencirovannij-podhod-k-postroeniyu-trenirovochnogo-processa-yunih-sportsmenov-na-etapah-mnogoletnej-podgotovki.html
  • desk.bystrickaya.ru/plan-massovih-meropriyatij-v-period-zimnih-kanikul-2010-2011-goda-pp.html
  • universitet.bystrickaya.ru/tancevalnogo-sporta-dinamo.html
  • lesson.bystrickaya.ru/trenirovka-mishc-yazika-i-nizhnej-chelyusti-uchebnoe-posobie-dlya-vrachej-moskva-2007-g-udk-613-7.html
  • learn.bystrickaya.ru/glava-7-upravlenie-izmeneniyami-jan-van-bon.html
  • diploma.bystrickaya.ru/vzaimodejstvie-v-konflikte.html
  • zanyatie.bystrickaya.ru/obrobka-ruk-hrurgchnih-rukavichok-u-hod-operac-pdgotovka-nstrumentv-do-operac-etapi-p.html
  • learn.bystrickaya.ru/glava-v-laboratoriya-geoekologii.html
  • tasks.bystrickaya.ru/12-metodicheskoe-obespechenie-deyatelnosti-bibliotek-bibliotechnie-programmi-i-proekti-napravlennie-na-molodezhnuyu.html
  • laboratory.bystrickaya.ru/v-kadrovoe-obespechenie-programma-razvitiya-municipalnogo-obrazovatelnogo-uchrezhdeniya-srednej-obsheobrazovatelnoj.html
  • college.bystrickaya.ru/26-marta-2009-fevral.html
  • paragraph.bystrickaya.ru/metodicheskie-rekomendacii-po-samostoyatelnomu-izucheniyu-uchebnogo-materiala.html
  • portfolio.bystrickaya.ru/ole-svyazannih-s-uchastiem-v-bolonskom-processe-yavlyaetsya-perehod-na-mnogourovnevuyu-sistemu-obrazovaniya-analogichnuyu-evropejskoj-vnedrenie-dvuhurovnevoj-sistemi.html
  • tests.bystrickaya.ru/kuratorstvo-effektivnaya-vuzovskaya-sistema-vzaimodejstviya-prepodavatelej-i-studentov-ona-pozvolyaet-reshat-mnogie-zadachi-v-tom-chisle-okazivat-studentam-pomosh.html
  • shpargalka.bystrickaya.ru/v-doshkolnom-uchrezhdenii-otkriti-novie-formi-doshkolnogo-obrazovaniya.html
  • obrazovanie.bystrickaya.ru/programma-disciplini-sravnitelnij-analiz-ekonomicheskih-sistem.html
  • textbook.bystrickaya.ru/kachestvo-produkcii-i-organizaciya-tehnicheskogo-kontrolya-chast-5.html
  • tests.bystrickaya.ru/kundalini-joga-vsbore-materialov-dlya-lekcij-i-v-podgotovke-knigi-k-izdaniyu-takzhe-prinimali-uchastie-anna-zubkova.html
  • lektsiya.bystrickaya.ru/prikazom-federalnoj-sluzhbi-lesnogo-hozyajstva-rossii-ot-29-12-93-g-347-nastavlenie-po-rubkam-uhoda-v-ravninnih-lesah-evropejskoj-chasti-rossii-moskva-1994-stranica-26.html
  • lektsiya.bystrickaya.ru/predmetnij-ukazatel-chvash-knizhnaya-respublikin-3-2010-letopis.html
  • urok.bystrickaya.ru/programma-68-j-studencheskoj-nauchno-prakticheskoj-konferencii-fakultet-gumanitarnij-aprel-2009-g.html
  • upbringing.bystrickaya.ru/literatura-vmesto-predisloviya.html
  • thesis.bystrickaya.ru/programma-elektivnogo-kursa-po-informatike-dlya-uchashihsya-9-klassa-yazik-programmirovaniya-pascal.html
  • letter.bystrickaya.ru/o-shakalah-i-lisah-chitatel-yanadeyus-chto-vi-blagozhelatelno-primete-etu-knigu.html
  • teacher.bystrickaya.ru/franciska-furtaj-sankt-peterburg-yu-m-romanenko-s-peterb-gos-un-t-dokt-filos-nauk-prof.html
  • shpargalka.bystrickaya.ru/upravlenie-predpriyatiem-v-usloviyah-krizisa.html
  • upbringing.bystrickaya.ru/memorial.html
  • urok.bystrickaya.ru/postanovleniem-glavi-bikovskogo-municipalnogo-rajona-376-ot-02-aprelya-2008-g.html
  • laboratornaya.bystrickaya.ru/programma-socialno-ekonomicheskogo-razvitiya-goroda-irkutska-na-2004-2007-godi-stranica-26.html
  • ucheba.bystrickaya.ru/prikaz-moskva-ob-utverzhdenii-poryadka-obrazovaniya-pozivnih-signalov-dlya-opoznavaniya-radioelektronnih-sredstv-grazhdanskogo-naznacheniya-vsootvetstvii-s-punktom-11.html
  • spur.bystrickaya.ru/metodicheskie-rekomendacii-gosudarstvennoe-obrazovatelnoe-uchrezhdenie-visshego-professionalnogo-obrazovaniya-pomorskij-gosudarstvennij-universitet-imeni-m-v-lomonosova.html
  • predmet.bystrickaya.ru/remeslennogo-professionalnogo-obrazovaniya-v-rossii.html
  • klass.bystrickaya.ru/9-materialno-tehnicheskaya-baza-otchet-o-samoobsledovanii-osnovnoj-obrazovatelnoj-programmi-po-napravleniyu-010700-68-fizika.html
  • student.bystrickaya.ru/10-perechen-literaturi-dlya-izucheniya-kursa-ugolovnoe-pravo-metodicheskie-ukazaniya-k-izucheniyu-kursa-vipolneniyu.html
  • occupation.bystrickaya.ru/novosti-negosudarstvennih-pensionnih-fondov-monitoring-smi-rf-po-pensionnoj-tematike-26-avgusta-2011-goda.html
  • © bystrickaya.ru
    Мобильный рефератник - для мобильных людей.