РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ

МЕТОДИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ НЕРАВНОВЕСНЫХ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕФТЕЙ

РД 39 30 475 80

1981

Министерство нефтяной промышленности

УТВЕРВДЕНО

первым заместителем министра нефтяной промышленности В. И. Кремне вьш I.12.1980 г.

РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ

МЕТОДИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ НЕРАВНОВЕСНЫХ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕФТЕЙ РД 39-30-475-80

1961

ю

ЛУ % ь i * >> ! Ы GW* "'и V, '/** i се/ст/ ✓ /■5/76 и 2,2ё 28,46 а, 35 & згш 0,62 бом /а,/з .3 згвът 7,9/ 66, /о 50,/9 4 S8S33 /0,7 /27,60 00,67 £ 1 * 92067 /0,6 /7/, 63 56,09 6 //£6// /В,# £№fS4 72,60 7 /59/06 25,9 259,00 93,09 а /62679 27,0 302, Об //9,39 9 /63555 50,9 3/3,92 /22,52 10 79404Z 55Л 36/, о/ /Щ73

Рис.4. Реологическая кривая течения 12% годо-нефтяной эмульсии месторождения Кокайты

рг состроить, реологическую кривую течения и определить стационар-кые реологические характеристики для любого типа нефтей.

Пример 4. Опыты проводилась с 12% водонефтяной эмульсией м/р Кокайты при t и 20°С.

Измерение на выходе из капилляра d * 0,3 см и С ^2 см производилось при достижении постоянного значения давления на выходе. Интегральные и локальные характеристики потока рассчитаны по формулам (4) и (5), а результата даны в виде таблицы и реологической кривой (рлС. 4).

При проведении экспериментов ва капиллярном вискозиметре

II

необходимо учитывать ряд факторов, которые могут внести погрешности в измерения равновесных характеристик:

а)    наличие участка трубопровода значительной длины, на котором происходят процессы разрушения и формирования структуры нефти (до наступления равновесия стих процессов). Так,в случае перекачки манпшлакской нефти при 2Э°С время разрушения структуры и выхода на стационарный режим, достигает для некоторых градиентов скорости I часа. При градиенте скорости t = ТО I/сек длина трубопровода i 0,6 см до замерного участка должна составить ~ ТОО м;

б)    при перекачке нефти насосом происходит неконтролируемое разрушение структуры в ней, не отвечающее градиенту скорости, который имеет место в трубопроводе.

Указанные недостатки исключаются в капиллярном приборе шШС, включающем в себя калиброванный капилляр, дозатор и приемную камеру для нефти. Дозатор, представляющий собой систему двух коаксиальных цилиндров с расположенным между ними кольцевым поршнем, предназначен для перемешивания нефти при заданном градиенте скорости. Перемешивание нефти, осуществляемое за счет вращения внутреннего цилиндра, проводится до достижения нефтью постоянной вязкости. Подача нефти из дозатора в капилляр осуществляется за счет поступательного движения кольцевого поршня, под которнй прессом подается глицерин.

Скорость подачи выбирается и поддерживается за счет скорости движения плунжера в прессе такой, при которой сохраняется равенство градиентов скорости (вращательного - в щели дозатора и линейного - в калиброванном капилляре).

12

3. НЕРАВНОВЕСНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕФТЕЙ

Реологические характеристики кефтзй при неравновесных условиях течения или* деформирования- сугэственн о отличаются от значений. полученных при равновесных условиях. Метода оценки реологических характеристик при неравновесных условиях требует проведения специальных исследований. При этом необходимо учитывать степень неравновесности системы. Для характеристики неравновесности

«

могут бить использованы понятия времени релаксации системы, запаздывания, характерного времени процесса. Здесь будут даны основные методы оценки реологических и оелаксациэнных характеристик нефтей при неравновесных условиях-

3.1. При получении исходных данных для оценки релаксационных характеристик нефтей на ротационных приборах с измерительными устройствами цилиндр-цилиндр и конус-плоскость типа Реотест-2, оборудованных устройством, позволяющим вести запись нестационар-

__Q    б

них переходных процессов с характерными временами 1СГ * 10 используется следующая методика:

-    исследования производятся з соответствии с инструкцией к прибору;

-    температура опытов ограничивается областью проявления у данной нефти аномальных свойств;

переход от малых скоростей сдвига к большим осуществляется ступенчато;

-    для каждого огыта используется свежая проба нефти;

-    запись показаний на регистрирующем приборе производится с момента включения ротора.

Пример. Получена кривая кинетики развития касательных напряжений сдвига на приборе Реотест-2 (рис. 6) для трех типов нефтей:    вязкой    ньютоновской (I), парафинистой (2), смолистой (3).

13

Как и следовало ожидать касательные напряжения сдвига для вязкой нефти мгновенно достигают стационарного состояния, что свидетельствует об отсутствии релаксационный характеристик, которые могли бы играть существенную роль для гидравлического расчета нестационарны:: режимов ь трубопроводах. Для смолистой нефти касательные напряжения сдвига достигают своего максимального значения в течение некоторого периода времени. В первом приближении из данного графика можно оценить время релгксации системы, которое разно 2/3 от времени достижения стационарного значения. В данном случае для нефти ад/р Коштар q:    =    17    сек.

л

Для парафинистой нефти кривая кинетики развития касательных напряжений сдвига имеет точку максимума, а затем наблюдается интенсивный спад (релаксация) напряжений. Физически данное явление объясняется тем, что в начальный период деформирования нефти преобладают вязкоупругие свойства, затем по достижении некоторого уровня (точка максимума) наблюдается интенсивное разрушение структуры и начинают преобладать тиксотропные свойства системы,

В данном примере для парафинистой нефти Ханкыз время релаксации в вязкоупругой зоне < = 10 сек. Во второй области - облас-

л

ти тиксотропного разрушения структуры-достикеше стационарного состояния монет длиться часами.

3.2. Одним из эффективных методов оценю: релаксационных характеристик нефтей является метод моментов, который состоит в еледумцем. Если рассматривать достоянную скорость сдвига, при которой происходит деформация образца в вискозиметре, как сигнал на "входе", то сигнал на "выходе" - напряжение сдвига нефти.

Тогда данный переходный процесс по аналогии из теории систем автоматического регулирования (САР) можно описать с помощью обыкновенного дифференциального уравнения о постоянными коэффициентами /4/:

14

150 too 50	1 3 неф*?i*J м-р 1    - Себ Урта$у*ак ' (tr wr Г =5('.''7 2    .ХанкыЪ (ttiO°C,r=37e ) З.Хоштпр (t=2o*c, у * 48,6 с J / 1 1 г (Т-ю*) i i I 1 >4 / t 1 1 1 1 —. 1 i 1 i \ 1_^ 1 \ \
100 itOO 300 boo tee*

Fkc. 5 Кинетика развития касательных

напряжений для разжнчнюс систем ■ I-вязкая, 3-вяэко-птасткчная_# ^-вязко-упругая

d'k dt” *

d"-'€

~dt d^m‘ Ъ di ^/7T'^/

л. *ц/С»

A..+4 Tf

(5)

Зная кинетику развития входного и выходного сигналов во времени, можно определить вид нередаточной функции, описывающей данный переходный процесс.

В общем виде передаточная функция, соответствующая дифференциальному уравнению (5), будет:

4,5-10

Ф

5*

(6)

* й.5*а₀

15

Передаточную функцию можно определить для известной функции напряжения € (i):    *с

. ₍₇₎

Функция ^(tj может рассматриваться как импульсная перегонная функция, так как на входе "мгновенно" задается единичный ступенчатый сигнал в виде скорости сдвига, поэтому моменты /7 -го порядка для функции tj определяются выражением

_(S)

0

Разлагая в (7) функцию в в ряд Тейлора и сопоставляя полученное выражение с (6). получаем соотношение

- s% -    ~    %    '■■■)(?.    -0,5 ^..₉₎

Приравнивая коэффициенты в обеих частях уравнения (9) при одинаковых степенях параметра $    ,    можно    получить    систему    урав

нений для определения истинных значений коэффициентов. Обычно получаемые ва практике кривые релаксации (см.рис. 5) не требуот для своего описания применения передаточной функции в общем виде (6), а имеют более простой вид. Рассмотрим несколько примерев.

Пример I.

Пусть имеется вязкая жидкость без релаксационных свойств (кривая I на рис. 5). Ога овеивается с помощью идеального звена, которое имеет вид:

К = A i _t

где Е - коэффициент усиления системе ишеет фонический смысл коэффициента динамической вязкости jl .

16

Пример 2.

Пусть имеется экспериментальная кривая I (рис.6) кинетики развития напряжения для смолистой нефти месторождения Коштар, полученная при $ *8,1 с*¹:

- релаксационная кривая соответствует модели вида

W =*з'^и/ (TS*/)    '    -    передаточная    функция    ,

гА'Е +>£_ /(-c-lft-t )    ~    даФФ«реидиальное урав-

' dt    I    ^J/    кеше .

где С~ i - const,

~ единичная функция с элементом запаздывания,

Т - постоянная времени для рассаатриваемого процесса, вычисляется методом моментов    j •

- время чистого запаздывания 'Г. определяется по кривой и

«3

равно 18 секундам;

- для удобства вычисления кривая I представляется в виде зависимости т( ‘и*'} от времени, где * стационарное (установившееся) значение *£ . По формуле (8) рассчитываются моменты и ' ^, несобственный интеграл вычисляется по приближенному методу в интервале 0 + 72 с шагом h - 4, тогда <р * 2,16 н.сех/м², ^ * 39,2 н.сек/м².

По формуле Т * 9?    вычисляется характерное время релак

сации:

Те ^ffj /    *    IS    сек.

Пример 3.

Кривая 2 (рис.6) переходного процесса для парафинистой нефти (13% парафина) месторождения Бостон при t = 30^QC носит характер колебательного процесса.

17

г*

Ряс, б Релаксация напряжений в смолистой нефти (кривая I) при I* »2,7с~^ и парафинистой нефти (кривая 2) при £ «6,1с’¹

Рис. 7 Релаксация напряжений при такое-

тронном разру ив нюц. парафа к act ой нефти при £ «а, 1с-¹

18

Для определения релаксационных характеристик используются модель;

7t + i

V -^hT^'W^{T + T}f

W - /с(rs+ fjг,5 + /)    “ передаточная функция,

eft

- дифференциальное уравнение .

Кривая 2 переходного процесса представляется в виде 'г/* от времени.

Для определения параметров процесса используется система уравнений:

f ; r_t-ns_t;T,.rs_t<-s;(t-s_aJ, ао>

где <£*/ - тангенс угла наклона касательной кривой в начале координат:    Р , ..

s_t-J (/-?)<tt ,

^,г'=-гг/г *

s_a~j ,    '

О

Интегралы вычисляются по приближенному методу с шагом /? *4сек. ^ « К *= 9,1 н.сек/М²,    19    сек.,    $_г « 1,42 сек²

1,67 н.сек/м²

Из решения система (10) определяются релаксационные характеристики процесса Т * II сек, Tj * 30 сек., Т₂ * 60 сек.

Пример 4.

Пусть релаксационная кривая при тиксотропном разрушении парафинистой нефти месторождения Бостон имеет вид (рис.7),

Для описания переходного процесса применима модель:

L9

Значения моментов вычисляются по формуле (8) и равны « 167,    9?    «    9000    мин^,    <р^ш    679000    мин³.    А    характерные    значения

времени релаксации определяются из формул

т. .$,(бп-в1/гп ■ _Л

'    #/л?-    <Р,/<л    ’

Т = 41 млн, Tj = 94 мин.

4. даМГНОСТЙРОВАНИЁ РЕШСШСШЫХ свойств НЕФТЕЙ ПРИ ИХ ДВИЖЕНИИ В ТРУБАХ

4.1. Анализ и оптимизация технологических процессов, связанных с движением релаксационных сред в трубах и каналах, требует диагностирования внутренней структуры система, после чего можно надежно оценивать значения ее реологических параметров. Диагностирование внутренней структуры и определение параметров релаксационных систем можно проводить по информациям, полученным о дав» леяиях и расходах при перекачке систем по трубопроводу. Рассматривается случай, когда давление на входе и выходе- трубы постою-но, а скорость движения есть функция времени. Предполагается, что- движут^яся среда является релаксационно-пластичной, реологическое уравнение которой описывается следующей моделью:

^еж    <н>

-    напряжение сдвига;

-    предельное напряжение сдвига;

-    градиент скорости;

-    время релаксации;

-    коэффициент вязкости;

-    время.

Методическое руководство разработано ттод научным руководством академика АН АзССР А.Х.Мирзаджанзаде авторски?? коллективом:    Галлямов А,К., Мукук К.В., Саттаров Р.М., Сковородников Ю.А.,

Кфш В.Л., Аметов И.М., Азизов Х.Х., Велиев Ф.Г., Дегтярев B.IL, Ибтгаов Б.Г., Юкин А.Ф., Махкамов С.М., Мохаммед И.Х.,

Мустафаев В.Т., Салаватов Т.Ш., Панахов Г.М., Ризванов Н.Р., Хайбутшш Р.Я.

Настоящее руководство посвящено исследованию реологических характеристик нефтей, проявляющих неравновесные свойства (релаксация, запаздывание и т.д.).

При альтернативном подходе к диагностированию реологических свойств нефтей подробно расс?лотрена методика получения неравно--весных реологичеких характеристик нефтей на капиллярном и ротационном вискозиметрах и рекомендованы реологические модели течения нефтей.

Приведены методы диагностирования релаксационных характеристик нефтей при переходных режимах перекачки и способы количественной оценки релаксационных свойств. Дан расчет гидродинамичео-ких характеристик трубопровода с учетом этих свойств.

Руководство предназначено для инженерно-технических работников предприятий нефтяной промышленности, научно-исследовательских институтов и лабораторий.

РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ

Методическое руководство по определению неравновесии

реологических характеристик нефтей

РД 39-30-475-80

Вводится впервые

Приказом Министерства нефтяной промышленности

от 10 декабря    #    665

Срок введения установлен с 28.12.80г.

Срок действия до 28.12.85 г.

Настоящее руководство посвящено исследованию реологических характеристик нефтей, проявляющих неравновесные свойства.

Методическое руководство позволяет:

1.    Определять равновесные и неравновесные реологические характеристики нефтей методами ротационной и капиллярной вискозиметрии.

2.    Диагностировать релаксационные свойства нефтей при течении в трубах.

3.    Определить спектр времени релаксации для описания релаксационных процессов, описываемых обобщенной максвелловской моделью.

4.    Оценить пусковое давление нефтепровода с учетом влиянии неравновесных эффектов.

5.    Произвести расчет изменения температуры потока и давления по длине при движении релаксирувдей жидкости в трубопроводе.

I. ОБЩЕ ПОЯОШШ

I.I. Гидравлический расчет нефтепроводов определяется реологическим поведением нефтей. Характер зависимости напряжения сдвига С от деформации сдвига t и времени сдвига определяет

4

реологическое поведение нефтей. Формула, выражающая эту зависимость^ называется уравнением состояния. График зависимости напряжения сдвига от скорости сдвига назьзается кривой течения.

(I)

где dr

1.2. При высокой температуре, когда парафин полностью или в значительной мере растворен в нефти и последняя является ныь тоновспой системой, реологическое поведение характеризуется одной величиной-вязкостью:

Определение вязкости ньютоновских нефтей проводится по ГОСТ 33-66 ев капиллярных вискозиметрах, по ГОСТ 10028-67 и типа Пин-гезича. Указанный стандарт позволяет определить вязкость ньютоновских жидкостей в пределах от 0,6 до 30000 сст.

Гели реологическое уравнение состояния отличается от вида (I), то жидкости относятся к пеньютоновским.

1.3. Исследованиями последних лет установлено, что неньютоновские нефти характеризуются вязкоупругими и тиксотропными свойствами. В них под влиянием прилагаемого напряжения одновременно развиваются необратимые и обратимые деформации, сопровождающиеся изменением их структура*.

Вели прилагаемые напряжения и скорости деформация малы, то небольшие структурные’*изменения в системе компенсируются восстановлением под действием теплового движения. В результате наступает некоторое динамическое равновесное состояние деформирования, и подучаемые при этом условии реологические характеристики системы не зависят от времени.

С увеличением напряжения и скорости деформации в неф*и происходят более глубокие структурные изменения, которые приводят

о

к некоторому снижению сопротивления деформирования, "рассасыванию" напряжений или, как принято говорить, структурной релаксации, которая завершается установлением некоторого равновесного состояния.

Достигаемое при этом состояние системы правильно было бы назвать псевдоравновесным, так как оно зависит не только от заданного уровня скорости деформации, но и от всей предыдущей истории деформирования.

Реологические характеристики нефтей, определяемые при переходных режимах деформирования зависят от времени н отличаются не-равновесностью. Неравновесные характеристики играют важную роль при изучении нестационарных режимов в трубопроводах.

2. РАВНОВЕСНЫЕ И НЕРАВНОВЕСНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕФТЕЙ И ИХ ИДЕНТИШШ1ИЯ

Для определения равновесных реологических характеристик нефтей могут быть использованы методы ротационной и капиллярной вискозиметрии.

2.1. Метода ротационной вискозиметрии

Для этих целей применимы любые ротационные приборы типа Реотест-2, Ротовиско или другие, позволяющие при условиях однородной сдвиговой деформации определить напряжение сдвига в исследуемой системе при различных скоростях деформации (скорости сдвига).

Эксперимент проводится следующим образом. При некоторой определенней температуре после териостатировения выбирается самая низкая скорость сдвига ж включается подвижная часть измерительного устройстда-пдлиндр или конус. После достижения стационарных показаний на регистрирующем приборе, что будет соответствовать некоторому равновесному состоянию, снимаются показания и переклю-

о

чаются на большую скорость сдвига. После снятия показаний во всей исследуемом диапазоне скоростей сдвига производится обработка да к-ных согласно инструкции и построение реологической кривой течения-

При проведении реологического эксперимента на ротационных приборах со смолистыми и парафинистыми нефтями в области низких температур, "где особо проявляются ненызтоковские свойства тече-* ния", могут возникнуть явления, которые вносят погрешности в из-* мерения и не отражают истинной картины течения в рабочем зазоре* %и исследовании смолисто-асфальтено-парафикисткх нефтей в области высоких скоростей сдвига происходит частичная сепарация твердых частиц на торцевых концах цилиндра. Б результате в рабочем зазоре Лтается более жидкая часть нефти и при длительном деформировании напряжение сдвига резко уменьшается.

vB измерительном устройстве типа конус-плоскость происходит частичное выдавливание исследуемой нефти вследствие возникновения нормальных напряжений.

При длительной деформации высоковязких нефтей происходит саморазогрев системы вследствие диссипации внутренней энергии, что ведет к релаксации напряжений.

Пример I. Опыт проводился с парафинистой нефтью (ПО при температуре t = 15°С. Результаты обработок показаний прибора Реотест-2 в виде зависимости касательных напряжений сдвига € от скорость сдвига i даны ниже в виде таблицы и графика (рис.1).

Кривая течения хорошо описывается реологической моделью для вязко-пластичных сред;

_{2)

Значения предельного динамического нарпяжеввя сдвига и структурной вязкости q даны в таблице.

7

Рис. I Кривая течения парафинистой нефти Чаигирташ при t * 15^С

Пример 2. Опыт проводился со смолистой С6С$) нефть» месторождения Аму-Дарья на приборе Реотест-2. Результата измерений касательных напряжений сдвига от скорости сдвига даны в таблице и на рве. 2.

Кривая течения имеет нелинейный характер и хорошо описнва.т~ оя степенной модель»:

'Г=Л-*^/т,    (3)

где л - показатель консистенции жидкости;

/7    -    параметр,    хврахтеризуиций    неньятоноские    свойства    течения

о

\jf*f Ь[и		! сел
Т*	I 11,4	0,16
г	31.5	0,5
3	94.7	1,5
4	175,0	3
'» к i *	318,2	5,4
1 6	463,2	S
! 7	752,7	16,2 ■
3	1(371,1	24
9	IIo8,Q	27
1»	1737,0	48,6
II i_i	IS39,6	81

1С00    2ООО

Рис. 2 Реологическая кривая течения аномальной нефти Аму-Дарья зри £ = 20°С

Пример 3. Ошт проводился с парафинистой нефтью (13$) при температуре t « 15°С.

Снятие реологических кривых течения в отличие от двух предыдущих опытов производилось при различном времени деформирования Т « 0; 5; 15; 30 минут. Результаты обработки измерений представлены в таблице и на графиках (рис. 3).

Таким образом время деформирования парафинистых систем играет существенную роль при оценке их реологических параметров. Равновосше характеристики достигаются лишь при времени деформирования Т > 30 минут.

2.2. Метод капиллярной вискозиметрии.

Измеряемый расход жидкости Q _# вытекающей из капилляра % перепад давления д.Р , создающий его, представляют интеграль-

У
%	<г	t	С	*	Ъ	г1	С
1	1Q2	1,5	8,6	',6	1,В	Кб	6Р	7,6
г	/г,в	б/	4J	8,1	4,7	8,1	6Р	8/
з	16,8	27	&,Ь	27	7,7	27	6,8	27
4	ыр	81	16?	6i	/6,6	6/	14?	61
5	$5/	148	гв,7	248	27,8	245	26?	245
б	70,2	487	Ц4	487	<36,7	487	J8,2	457
7	94?	666	67,8	656	58,4	656	62?	656
а	£Ц$	729	Щ7	729	67,4	725	66?	729

^ис. 3 Шшяние времени деформирования на изменения течения нефти Избаскент при t = 15°с

вне характеристики потока., и для их использования в гидравлических расчетах требуется переход к локалышм характеристикам « напряжению сдвига € и скорости сдвига f .

ft

Максимальное напряжение сдвига будет на стенке и рассчитывается по формуле;

€_й ш&РД/ёС .    (4)

Метанная скорость сдвига определяется по формуле Рабиновича-Вейсенберга;

₍₅₎

средняя скорость сдвига. Для равновесных характаркоткк прибдииенно 4 i •

в

Полученные значения при различных значениях # позволяв

Л