胶凝原油屈服特性及环道启动过程研究

摘要

我国原油具有含蜡量高、凝点高、粘度高的特点,低温流动性较差。预防和处理含蜡原油管道凝管事故一直是管输工艺研究的重点和难点。开展低温含蜡原油启动特性研究,对保障管道安全经济运行,指导管道输送和启动作业具有重要的工程应用价值。
　　 本文利用流变仪和室内管流试验环道,结合粘弹性力学理论,对胶凝原油管流启动过程及其初始结构破坏阶段的力学特性进行了系统研究。首先,利用管流试验环道,对比研究了控制流量和控制压力两种加载方式下胶凝原油的管流启动过程。研究发现,胶凝原油管道内压力信号的传递规律与压力波不同,它以胶凝原油自身物性为基础,还与加载方式、传播距离等因素有关,胶凝原油的强阻尼作用是造成压力信号传递速度低于压力波波速的主要因为。通过监测管路沿线各段的压差变化,分析了启动过程管内凝油屈服前锋的移动规律。屈服前锋移动速度与凝油物性、载荷大小等因素有关；屈服前锋的移动滞后于压力信号的传递；屈服前锋移动速度是决定管道启动快慢的主要因素,屈服前锋移动到管路末端标志管道成功启动。其次,借助超声波位移测量系统,得到不同工况下管内原油的当量压缩系数,测得控制压力启动过程中管内流量的变化规律,明确了压力和流量变化与管道启动之间的内在联系。通过对比分析控制流量和控制压力两种管流启动过程的区别与联系,指出,较高启动压力条件下,原油的触变性是决定启动过程管路沿线压力分布和流量变化的重要因素:而较低启动压力条件下,原油的蠕变特性是决定启动过程管路沿线压力分布和流量变化的重要因素。再次,试验研究了原油温度、静态温降幅度、停输时间和启动流量四个因素对胶凝原油管流启动屈服应力的影响效果。应用支持向量机方法,对试验数据进行多元非线性分析,得到预测原油启动屈服应力的计算公式,量化了管流启动屈服应力与以上四个因素之间的函数关系。此外,借助AntonPaarPhysicaMCR301流变仪,对胶凝原油初始结构破坏阶段的剪切力学特性进行了测试,获得了不同加载方式下凝油的应力-应变关系。依据粘弹性理论,以Maxwell体和非线性粘滞体为基础建立了胶凝原油启动流变模型；通过无量纲分析,得到适用于不同加载条件的统一流变关系式。研究还发现,同轴圆筒式流变仪所测得的剪切应变表征的是内外筒间流体的径向当量剪切应变。

目录

文摘

英文文摘

第一章 引言

1.1 课题研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 胶凝原油力学特性

1.2.2 管道启动模型

1.2.3 启动压力的传播

1.3 本文主要研究内容

第二章 管道控制流量启动过程研究

2.1 管流试验装置简介

2.1.1 试验管路系统

2.1.2 水循环系统

2.1.3 自动化采集系统

2.2 试验方案

2.3 启动压力沿管线的传播

2.3.1 压力信号与压力波

2.3.2 压力信号的传递

2.4 启动屈服前锋的移动

2.4.1 屈服前锋的确定

2.4.2 屈服前锋移动过程分析

2.5 启动过程沿线压力分布规律

2.5.1 不同时刻管路沿线压力分布

2.5.2 不同管长下的管流启动压力

2.6 本章小结

第三章 管道控制压力启动过程研究

3.1 浮子位移的监测

3.1.1 位移测量

3.1.2 管内原油压缩性研究

3.2 启动压力的传递与衰减

3.2.1 压力信号的传递

3.2.2 启动压力的衰减与分布

3.3 恒压力启动过程分析

3.3.1 启动流量

3.3.2 启动时间

3.3.3 屈服前锋的移动

3.4 关于管道启动过程的几点认识

3.5 本章小结

第四章 胶凝原油管流启动屈服应力研究

4.1 管流启动屈服应力

4.2 支持向量机理论

4.3 启动屈服应力的预测

4.3.1 渤西原油

4.3.2 南阳原油

4.3.3 影响因素分析

4.4 本章小结

第五章 胶凝原油剪切力学特性研究

5.1 试验仪器简介

5.2 剪切应变

5.3 不同加载方式下的力学响应

5.3.1 剪切速率恒定

5.3.2 剪切速率连续增加

5.3.3 剪切应力恒定

5.4 启动流变模型

5.4.1 恒速率启动

5.4.2 变速率启动

5.4.3 无量纲分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢

作者简介