2.6. Реологические свойства нефти

Свойства жидкостей при деформации и течении определяются реологическими характеристиками (reho – греч. течение).

При ламинарном потоке слои жидкости имеют разные скорости у стенки и в центре, плавно скользят друг относительно друга. Отношение разности движения двух слоев принято называть скоростью сдвига, dV/dt. Градиент скорости сдвига – это изменение скорости в направлении, перпендикулярном течению, размерность с^-1. Нагрузки, вызывающие деформацию, при которой начинается течение, обуславливают напряжение сдвига . Отношение напряжения сдвига к скорости сдвига характеризует вязкость жидкости:

 = /.

Рис.2.9. Реологические кривые нефтей

и нефтяных эмульсий, соответствующие

жидкостям (1 – ньютоновским; 2 –

псевдопластичным; 3 – дилатантным);

и псевдопластичным телам (4)

Вязкость проявляется только при движении, и чем она выше, тем больше требуется энергии на перемещение жидкости.

Для определенных жидкостей справедлив линейный закон трения Ньютона. Течение ньютоновских жидкостей начинается при каких угодно малых напряжениях сдвига, пропорциональных скорости сдвига, поэтому динамическая вязкость для них характеризуется одной постоянной величиной. Жидкости, у которых эти характеристики не пропорциональны друг другу, называют неньютоновскими.

Реологические свойства нефтей следует рассматривать как свойство коллоидно-дисперсных систем, склонных при определенных условиях к образованию объемных структур с выраженной тиксотропией. Реологические параметры нефти экспериментально оцениваются по характеру зависимости напряжений сдвига  от градиента сдвига (рис.2.9).

Линия 1 соответствует ньютоновской жидкости, вязкость которой не зависит от скорости сдвига и определяется углом наклона прямой, проходящей через начало координат.

Кривая 2 характеризует псевдопластичные жидкости. Для них течение начинается после приложения усилия с некоторым отклонением от линейного закона, выраженного криволинейным участком, который характеризует процесс разрушения структуры под действием приложенной нагрузки _пр. Реологические параметры в этой зоне являются переменными. С увеличением градиента скорости вязкость снижается, приближаясь к своему предельному значению при полном разрушении структуры. Предельные параметры вязкости и напряжения сдвига характеризуются прямолинейным участком кривой 2.

Кривая 3 свойственна дилатантной жидкости, предел текучести которой равен нулю, а вязкость с повышением скорости сдвига возрастает. Подобное реологическое поведение отмечено у многих нефтей и эмульсий.

Кривая 4 характеризует псевдопластичные тела, имеющие предельное напряжение сдвига ₀, ниже которого течение не происходит. Такие системы относят к твердообразным структурам. На кривой 4 можно выделить два предельных значения напряжений сдвига: ₀ – минимальный предел текучести, соответствующий началу течения (началу разрушения структуры), и _max – максимальный предел текучести, при котором кривая переходит в прямую линию, что соответствует разрушению структуры.

Реологическую модель вязкопластичной жидкости можно выразить через эффективную (кажущуюся) вязкость при определенной скорости сдвига, которая характеризует суммарные влияния прочностного и вязкостного сопротивления течению. Значения эффективной вязкости _эф можно получить графически или вычислить по уравнению

Зависимость составляет часть общего сопротивления движению, которая с увеличением скорости сдвига уменьшается. Поэтому эффективная вязкость не имеет физического смысла, если не указывается скорость сдвига, при которой она определяется.

Нефти с небольшим содержанием высокоплавких парафинов, как правило, не образуют структуры и относятся к ньютоновским жидкостям. Парафинистые нефти и агрегативно устойчивые концентрированные водонефтяные эмульсии обладают свойствами самопроизвольного увеличения прочности структуры ₀ во времени и восстановления структуры после ее разрушения. Это свойство носит название тиксотропии.

Время тиксотропного восстановления структуры после ее механического разрушения для различных нефтей и эмульсий различно и колеблется в широких пределах, от нескольких минут до десятков часов. Основные факторы, приводящие к резкому изменению реологических свойств нефтей, – это температура и давление. Вязкость нефти резко снижается с увеличением температуры. В пористой среде с широким спектром распределения пор при увеличении давления движение начинается в наиболее крупных порах, и по мере увеличения градиента давления движением охватываются все более мелкие поры. Чем больше разброс размеров пор, тем больше отличается фактическая фильтрация от идеальной. Изменение свойств нефти при деформациях в условиях всестороннего сжатия и сдвигового течения характеризуется релаксацией.

Кинематическая вязкость – отношение динамической вязкости к ее плотности при той же температуре,  = /=м²/с. Используется нефтепромысловой практике при различных расчетах

Текучестью называется величина, обратная динамической вязкости, u = 1/ [c/Па].

Относительная вязкость нефти – это отношение вязкости нефти к вязкости воды при той же температуре, безразмерная величина.

Условная вязкость – отношение времени истечения определенного объема нефти ко времени истечения того же количества дистиллированной воды при 20 С. Единица условной вязкости – градусы Энглера.

Соотношение между единицами вязкости, широко используемыми в нефтепромысловой практике, представлено в таблице.