石油与牛顿流体的关系

2019年03月26日

    不同油田不同批次的原油在不同的温度下都不一样,有些可以按照牛顿流体处理,有些不行。是否算是牛顿流体要看具体应用和具体数据,因为根本没有完美牛顿的流体。

    “牛顿流体“并不是一种严格存在的东西,而是对一类流体很漂亮的近似描述。牛顿首先是通过实验拟合,发现大多数生活中的简单流体的剪切力与剪切率差不多成正比,然后强行定义这个比例系数叫做粘度。在统计热力学发展后,人们发现如果分子间仅仅通过弹性碰撞交换动量、碰撞过程各向同性、流体中不同的分子性质差别不大,(还有别的一堆假设), 那么可以严格推导出牛顿发现的正比关系。

    考虑到上述统计热力学的假定几乎没有真实的流体可以完全满足,所以实际上定义一种流体是否是牛顿流体完全看实际需求。比如,滚滚黄河携泥带沙,显然不是严格的牛顿流体;然而对于大多数相关的水文计算而言,用牛顿流体描述黄河水就已经达到足够的精度,那大多数人也就没必要考虑其非牛顿性然后平白给自己的计算添堵了。

    回到原油的问题。原油由于生成过程本身的复杂性,其成分的复杂性也很高,所以严格来说肯定不是完美的牛顿流体。原油的非牛顿性可能来源于以下几个方面:原油未必是单相流体,内部可能还有重质组分的结晶、矿物颗粒、甚至小水滴,这就让原油带上了一些乳液或悬浮液的非牛顿特性。对于原油相态的考虑,杭州飞科电气自行研发的含水仪在计算含水率的算法中,就加入了相应算法,对非单一态(实际上也不存在单相流体的原油)计算含水率上更趋于真实值。

    原油中常常存在极高分子量且有一定极性的组份。一方面,这些组份传递动量的过程不仅仅通过弹性碰撞,还包括角动量的交换甚至分子结构的拉伸;另一方面,这些组份常常参与自组装形成胶束一类的东西。这就导致了原油常常表现出类似高分子溶液的粘弹性。原油中的一些分子量特别大的组份甚至能够通过强大的分子间作用力让原油在较小的剪切下无法流动,从而显示出宾汉流体的特性。然而把非牛顿特性引入计算中是非常昂贵的。所以,在具体的应用中,如果在其流动环境与流动参数的范围内,其表观粘度大致不变,那么当然可以当作是牛顿流体来处理,这能省下不少时间和电费。考虑到不同油田出来的原油性质组成差距甚大,这个还得测下流变特性才知道。

    下面的图,可以看出不同来源的原油差距何等的大。图中的2明显可以当作牛顿流体处理,而3则明显不能当作牛顿流体处理。1有点复杂,基本上在管道中可以勉强当作牛顿流体处理,但是从剪切震荡的数据看,在多孔介质中的高流速状态下恐怕就不成。

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图片数据来源:Ilyin, Sergey O。, and Larisa A。 Strelets。 "Basic fundamentals of petroleum rheology and their application for the investigation of crude oils of different natures。"Energy & Fuels32, no。 1 (2018): 268-278

来源:杭州飞科电气PK10计划

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