原油流變學(xué)第一章 緒論 新版

原油流變性及測(cè)量油氣儲(chǔ)運(yùn)工程系第一章緒論§1.1流體的粘度一、流體的粘性流體普遍存在于自然界中，流體的流動(dòng)是在重力或外力作用下隨時(shí)間的連續(xù)變形過(guò)程。流體流動(dòng)時(shí)流層間存在著速度差和運(yùn)動(dòng)的傳遞正是由于流體具有粘性。（這也是流體與固體最重要區(qū)別。）當(dāng)相鄰流層存在著速度差時(shí)，快速流層力圖加快慢速流層，而慢速流層力圖減慢快速流層，流體所具有的這種特性就是粘性，流層間的這種力圖減小速度差的作用力稱為內(nèi)摩擦力或粘性力。流體的粘性實(shí)質(zhì)上是流體分子微觀作用的宏觀表現(xiàn)，可以從分子運(yùn)動(dòng)論來(lái)解釋。氣體具有粘性是由于動(dòng)量傳遞。氣體分子的距離大，當(dāng)氣體流動(dòng)時(shí)，其分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)也比較激烈。當(dāng)處于快層的分子（它們具有較大的動(dòng)能）由于熱運(yùn)動(dòng)而遷移到慢層時(shí)，就把較大的動(dòng)量傳給具有較小動(dòng)量的慢層分子而將其加速，當(dāng)慢層的分子遷移到快層時(shí)，則將使快層分子動(dòng)量減小而減速。液體具有粘性是由于分子引力所致，液體分子間的距離比氣體小得多，分子的熱運(yùn)動(dòng)不如氣體劇烈，幾乎沒(méi)有動(dòng)量傳遞，但分子間的引力則遠(yuǎn)比氣體大。當(dāng)液體流動(dòng)時(shí)，由于分子引力，快層的分子力圖拉著慢層的分子前進(jìn)，而慢層的分子則盡量將快層的分子往后拽。流體分子間的這些相互作用使得運(yùn)動(dòng)得以逐層傳遞，并保持著層間的速度差，即呈現(xiàn)流體的粘性。二、牛頓粘性定律牛頓粘性定律給出了粘度與內(nèi)摩擦力的定量關(guān)系。圖1－1所示為兩個(gè)無(wú)限大平行平板間流體的速度分布。

圖1－1液體在平行平板間的流動(dòng)設(shè)相鄰流層間的接觸面積為A，距離為dy，速度差為，則流體的粘性力為：上式亦可寫(xiě)成如下形式：

(1—1）

(1—2）公式（1－1）及（1－2）稱為牛頓內(nèi)摩擦定律或牛頓定律。凡符合牛頓定律的流體稱為牛頓流體，反之則稱為非牛頓流體。牛頓流體的剪切應(yīng)力與剪切速率之間呈正比關(guān)系，剪切應(yīng)力與剪切速率的比值為常數(shù)，即動(dòng)力粘度。非牛頓流體的剪切應(yīng)力與剪切速率之間無(wú)正比關(guān)系，剪切應(yīng)力與剪切速率的比值不再是常數(shù)。三、粘度的定義1、動(dòng)力粘度動(dòng)力粘度是穩(wěn)態(tài)流動(dòng)中的剪切應(yīng)力與剪切速率之比值，即單位：Pa.s或mPa.s。2、運(yùn)動(dòng)粘度運(yùn)動(dòng)粘度是動(dòng)力粘度與同溫度下的密度

之比值。又稱比密粘度，用符號(hào)

表示，即單位：m2/s或mm2/s。四、粘度與溫度、壓力的關(guān)系粘度與溫度的關(guān)系非常密切，在常溫常壓下當(dāng)溫度變化1℃時(shí)，液體的粘度變化達(dá)百分之幾至十幾，氣體約為千分之幾。粘度與溫度并不呈線性關(guān)系，它與溫度范圍有關(guān)，溫度越低，粘溫關(guān)系越密切，即隨溫度的降低，粘度隨溫度的變化越大。

氣體與液體的粘度隨溫度變化的規(guī)律完全相反，氣體的粘度隨溫度升高而增大，因?yàn)闅怏w的粘性是由于動(dòng)量傳遞所致，當(dāng)溫度升高時(shí)，分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，動(dòng)量增大，流層間的內(nèi)摩擦加劇，所以粘度增大。而液體的粘性來(lái)自分子引力，溫度升高，分子間的距離加大，分子間減小，內(nèi)摩擦減弱，所以粘度減小。粘度隨溫度變化的程度還與許多因素有關(guān)，例如物質(zhì)的化學(xué)組成、粘流活化能、粘度大小等，例如通常液體的粘度越大，液體的粘度隨溫度變化越大。液體和氣體的粘度隨著壓力的增大而增大，壓力的變化對(duì)氣體粘度的影響更大，這一因?yàn)闅怏w的壓縮性很強(qiáng)。

§1.2流變學(xué)概念一、流變學(xué)的定義及研究對(duì)象上一節(jié)介紹的主要較簡(jiǎn)單的流體，即牛頓流體。自然界中更多的流體并不屬于牛頓流體，而是非牛頓流體。自然界中有許多非牛頓流體的例子，例如：①高分子溶液和聚合物熔體，除濃度極小的溶液外，總是非牛頓流體；②用油漆在刷墻時(shí)，既要求油漆有良好的流平性，以自動(dòng)消除刷子留下的痕跡，但又不希望其流動(dòng)性大到油漆還未干時(shí)就從墻上流淌下來(lái)；③人體內(nèi)的正常血液循環(huán)要求血液粘度保持在合適的水平上，一些血栓即起因于血液粘度異常因而導(dǎo)致微循環(huán)和組織的新陳代謝出現(xiàn)障礙；④石油工業(yè)中用到大量鉆井液，用以潤(rùn)滑冷卻鉆頭，并在鉆井過(guò)程中將巖屑攜帶出鉆孔，這就要求鉆井液必須具有這樣一種性質(zhì)，受剪切時(shí)粘度低，停剪后變稠，以保證停鉆時(shí)巖屑不致沉降；⑤含蠟原油在低溫下會(huì)凝固，但外加應(yīng)力超過(guò)這種膠凝結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度后，其又會(huì)流動(dòng)起來(lái)，并且剪切流動(dòng)強(qiáng)度越大，其粘度越小；⑥潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂在高溫高壓高剪切速率的工作條件下，既要有較好的粘附性，又要有一定的彈性；⑦食品工業(yè)中的糊狀物、濃懸浮液、乳狀液、巧克力、奶油等等都屬于非牛頓流體；⑧日常生活中的牙膏、化妝品、洗滌劑等要具有一定的非牛頓流體性質(zhì)；⑨工業(yè)中的水煤漿、油煤漿及其其它礦漿也均為非牛頓流體。

傳統(tǒng)的流體力學(xué)無(wú)法應(yīng)對(duì)這類流體的流動(dòng)行為，需要有新的學(xué)科即流變學(xué)來(lái)解決這類問(wèn)題。流變學(xué)(Rheology)是一門(mén)研究材料或物質(zhì)在外力作用下變形與流動(dòng)的科學(xué)。流變學(xué)的研究對(duì)象：按照流變學(xué)的字面意義，它幾乎研究所有物質(zhì)在外力作用下的形變或流動(dòng)問(wèn)題，包括經(jīng)典的虎克固體和牛頓流體這樣的極端。但實(shí)際上這些經(jīng)典極端往往被認(rèn)為超出了現(xiàn)代流變學(xué)研究的范圍。人們遇到的許多物質(zhì)既不是理想的固體，也不是理想的流體。特別是現(xiàn)在隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，許多新材料不斷大量涌現(xiàn)在各個(gè)領(lǐng)域，它們的性質(zhì)往往介于理想固體和理想流體之間，很難用傳統(tǒng)的彈性力學(xué)或流體力學(xué)學(xué)科進(jìn)行描述。那么，流變學(xué)就是專門(mén)對(duì)這類材料的受力與形變或流動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行研究。所以，流變學(xué)研究的是純彈性固體和牛頓流體狀態(tài)之間所有物質(zhì)的變形與流動(dòng)問(wèn)題。物質(zhì)在外力作用下變形與流動(dòng)的性質(zhì)可以稱之為物質(zhì)的流變性，流變學(xué)就是研究物質(zhì)流變性的科學(xué)。二、流變學(xué)的研究發(fā)展在流變學(xué)的建立與發(fā)展過(guò)程中，美國(guó)物理化學(xué)家賓漢姆教授作出了劃時(shí)代的貢獻(xiàn)。他不僅發(fā)現(xiàn)了一類所謂賓漢姆（Bingham）流體(如潤(rùn)滑油、油漆、泥漿等)的流動(dòng)規(guī)律，而且把20世紀(jì)以前積累下來(lái)的有關(guān)流變學(xué)的零碎知識(shí)進(jìn)行了系統(tǒng)的歸納，并正式命名為流變學(xué)(Rheology)。1929年賓漢姆等倡議成立了美國(guó)流變學(xué)會(huì)(societyofrheologyofUSA)，且同年創(chuàng)刊流變學(xué)雜志(JournalofRheology)。人們一般以此作為流變學(xué)(作為學(xué)科)創(chuàng)立的標(biāo)志。以后流變學(xué)逐步被歐、美、亞等各大洲的許多國(guó)家所承認(rèn)。目前全世界許多國(guó)家都有自己的流變學(xué)會(huì)，1948年在荷蘭召開(kāi)了第一屆國(guó)際流變學(xué)會(huì)議，以后每4年舉行一屆國(guó)際流變學(xué)會(huì)議。2008年在美國(guó)的加利福尼亞舉行了第十五屆國(guó)際流變學(xué)會(huì)議。一般的說(shuō)，我國(guó)在流變學(xué)方面的工作是從新中國(guó)成立后才開(kāi)始的，特別是改革開(kāi)放以來(lái)，在科學(xué)技術(shù)和工業(yè)發(fā)展的促進(jìn)下，無(wú)論是在廣度還是在深度，流變學(xué)在我國(guó)都有了很大的發(fā)展。我國(guó)于1985年11月在長(zhǎng)沙召開(kāi)第一屆全國(guó)流變學(xué)會(huì)議，2008在長(zhǎng)沙湘潭大學(xué)舉辦了第九屆全國(guó)流變學(xué)會(huì)議。三、流變學(xué)是一門(mén)交叉邊緣學(xué)科既然流變學(xué)所研究的形變和流動(dòng)問(wèn)題是普遍存在的，其與不同學(xué)科的研究對(duì)象和內(nèi)容總是會(huì)相互重疊，是一種典型的多學(xué)科交叉科學(xué)。例如流變學(xué)與物理學(xué)(尤其是其中的物性物理學(xué)和力學(xué))、化學(xué)(特別是同膠體化學(xué)、高分子化學(xué))、數(shù)學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域密切相關(guān)。因此可以說(shuō)流變學(xué)是一種學(xué)科的“譜”，包括從非常數(shù)學(xué)化的理論到非常實(shí)用的應(yīng)用研究，形成了許多不同的分支(如理論流變學(xué)、應(yīng)用流體流變學(xué))，同時(shí)涉及宏觀和微觀的眾多復(fù)雜現(xiàn)象和性質(zhì)。流變學(xué)的發(fā)展有著密切的工業(yè)背景，本來(lái)流變學(xué)就是應(yīng)工業(yè)的需要而發(fā)展起來(lái)的，因此，流變學(xué)在各工業(yè)領(lǐng)域的研究發(fā)展產(chǎn)生了許多對(duì)應(yīng)的流變學(xué)分支，象聚合物加工流變學(xué)、生物流變學(xué)、藥品流變學(xué)、食品流變學(xué)、原油流變學(xué)、土壤流變學(xué)等等。就流體而言，凡流變性質(zhì)不符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體統(tǒng)稱為非牛頓流體，以非牛頓流體為主要研究對(duì)象的流變學(xué)分支則稱為流體流變學(xué)?？梢哉J(rèn)為原油流變學(xué)是流體流變學(xué)的一個(gè)分支。不同的流變學(xué)分支，盡管有學(xué)多共性，但由于各分支研究的對(duì)象不同、研究的目的不同、環(huán)境條件不同等，其研究理論、研究方法可能有較大的不同。流變學(xué)研究的內(nèi)容非常廣泛，籠統(tǒng)地講，可分為以下幾個(gè)方面：（1）流變測(cè)量理論與技術(shù)研究；（2）物質(zhì)流變方程的確定；（3）復(fù)雜流動(dòng)中流變行為的測(cè)定或計(jì)算。本書(shū)主要是關(guān)于原油流變學(xué)的內(nèi)容，主要介紹流變學(xué)基本概念和理論，原油流變學(xué)測(cè)量基礎(chǔ)，原油基本流變性質(zhì)，原油流變性的評(píng)價(jià)，原油流變性在石油工業(yè)中的應(yīng)用。§1.3力、形變和流動(dòng)在傳統(tǒng)上流變學(xué)作為力學(xué)的一個(gè)分支，因?yàn)槲镔|(zhì)的流變性是應(yīng)用力學(xué)的基本原理來(lái)確定的，盡管流變學(xué)更注重不同物質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，而不限于力學(xué)本身。

一、連續(xù)介質(zhì)的概念所謂連續(xù)介質(zhì)，就是把物質(zhì)看作是由一個(gè)挨一個(gè)的、具有確定質(zhì)量的、連續(xù)地充滿空間的眾多微小質(zhì)點(diǎn)所組成。即認(rèn)為物體內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)是微觀上充分大(含有眾多的分子)、宏觀上充分小的分子團(tuán)，這些質(zhì)點(diǎn)完全充滿所占空間，沒(méi)有間隙存在。例如流體，流體質(zhì)點(diǎn)之間應(yīng)無(wú)空洞，相鄰微團(tuán)在流動(dòng)過(guò)程中不能超越，也不能落后，在微團(tuán)形變過(guò)程中，相鄰微團(tuán)永遠(yuǎn)連接在一起。質(zhì)點(diǎn)的性質(zhì)是眾多分子的統(tǒng)計(jì)平均性質(zhì)—宏觀性質(zhì)，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)是分子集合的總體運(yùn)動(dòng)—宏觀運(yùn)動(dòng)。物質(zhì)被看成是連續(xù)介質(zhì)，就擺脫了復(fù)雜的分子運(yùn)動(dòng)，而著眼于宏觀運(yùn)動(dòng)，那么反映宏觀物質(zhì)的各種物理性質(zhì)都是空間坐標(biāo)的連續(xù)函數(shù)，在解決流變學(xué)問(wèn)題時(shí)，就可應(yīng)用數(shù)學(xué)分析中的連續(xù)函數(shù)概念進(jìn)行數(shù)學(xué)解析。當(dāng)然，當(dāng)所研究的物體大小與物質(zhì)分子的平均自由行程在同一個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，連續(xù)介質(zhì)模型是不適用的。二、力與變形一般施加到材料上的外力有三種或這三種的組合，第一是使材料伸張的力，稱為拉力或張力FT；二是使材料壓縮的力，稱為壓縮力FP；第三是使材料產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)等切向變形的力，稱為切向力FS；在這些力的作用下，材料發(fā)生拉伸形變、壓縮形變、剪切形變，如圖1－2所示。一些復(fù)雜形變可認(rèn)為是由這些簡(jiǎn)單形變組合而成的。圖1－2幾種簡(jiǎn)單形變流變學(xué)中描述物質(zhì)或材料所受的外力要用應(yīng)力，應(yīng)力是作用于單位面積上的力。對(duì)于上述三種力，相應(yīng)有三種應(yīng)力，即拉伸應(yīng)力（力的方向與面積A垂直）壓縮應(yīng)力（力的方向與面積A垂直）剪切應(yīng)力（力的方向與面積A平行）壓縮應(yīng)變：（

L和L0均與力的方向平行）在流變學(xué)中用應(yīng)變描述材料的形變。應(yīng)變是相對(duì)于長(zhǎng)度、面積或體積等參考構(gòu)形的形變度量，亦稱為相對(duì)形變，是無(wú)量綱量。相對(duì)于三種形變，三種應(yīng)變形式為：拉伸應(yīng)變：（

L和L0均與力的方向平行）剪切應(yīng)變：（

L與力的方向平行，L0與力的方向垂直，見(jiàn)圖1－2）根據(jù)物體的物態(tài)及變形形式，K的意義不同。

對(duì)理想固體，拉伸