恒剪速下胶凝原油初始结构破坏过程力学特性

恒剪切速率下,胶凝原油的受力变形过程分为两个阶段:一是应力递增的初始结构破坏过程;二是屈服后应力递减的触变过程.以试验为基础,研究不同剪切速率条件下,大庆、襄樊和苏丹GNPOC原油初始结构破坏过程的力学响应特性,同时以粘弹性Maxwell体为基础,推导描述胶凝原油初始结构破坏阶段应力-应变关系的本构方程,此外,推导了同轴圆筒式流变仪用于计算剪切应变的理论公式,并对同轴圆筒式流变仪所测剪切应变的物理涵义进行了分析.结果表明:推导的本构方程具有较高的预测精度和较好的普及性;在初始结构破坏阶段,胶凝原油具有非线性的应力-应变关系,且呈递减硬化特性;在试验选用的剪切速率范围内,剪切速率越大,胶凝原油的屈服应力和屈服应变也越大.     

一种描述胶凝原油蠕变全程的损伤模型

根据统计力学原理,将连续损伤因子引入到虎克体中,得到与损伤耦合的非线性虎克体的本构方程,将得到的非线性虎克体模型与含有塑性体的NVPB模型串联,得到一个新的描述胶凝原油加速蠕变阶段的模型,编制拟合函数对试验数据进行拟合。对不同结构强度的胶凝原油蠕变过程进行拟合,分析模型中参数的变化规律及其实际物理意义。结果表明:该模型可以较为精确地描述胶凝原油非线性黏弹塑性剪切流变全程曲线;新模型结构简单、物理意义明确、精度高。     

胶凝原油临界损伤屈服应力计算模型研究

含蜡原油管道停输再启动压力与原油结构强度密切相关。为了理论上描述胶凝原油屈服应力,以胶凝原油微元强度服从Weibull分布为基础,结合统计力学理论及重正化群模型,建立了胶凝原油临界损伤屈服应力计算模型,并利用胜利及苏丹原油在胶凝点附近不同温度条件下的屈服应力对所建立模型进行可靠性验证。结果表明：在胶凝点附近温度条件下,随着测试温度的降低原油屈服应变呈下降的趋势;在测试范围内随着油温的升高,胶凝原油屈服应力越来越小,油温与屈服应力整体呈现幂律关系;相同温度条件下,随着剪切速率的增加,胶凝原油屈服应力逐渐增大;利用所建立的胶凝原油临界损伤屈服应力计算模型对不同温度条件下胜利原油屈服应力进行拟合,该模型能较好地描述原油屈服应力,计算结果可为含蜡原油管道停输再启动提供参考。     

胶凝原油的粘弹触变方程

粘弹性和触变性是胶凝原油重要的依时行为 ,能将胶凝原油的触变性和粘弹性统一起来的本构方程较为少见。利用机械比拟原理 ,建立了适用于胶凝原油的粘弹触变方程。分别对文献报道的以及旋转粘度计实验中获得的实验数据进行了拟合。结果表明 ,此方程能够较准确地描述恒剪切速率实验中胶凝原油的应力裂降过程 ,粘弹-触变方程中的参数可以反映出胶凝原油的相关特性     

胶凝原油的粘弹-触变方程

粘弹性和触变性是胶凝原油重要的依时行为,能将胶凝原油的触变性和粘弹性统一起来的本构方程较为少见。利用机械比拟原理,建立了适用于胶凝原油的粘弹-触变方程。分别对文献报道的以及旋转粘度计实验中获得的实验数据进行了拟合。结果表明,此方程能够较准确地描述恒剪切速率实验中胶凝原油的应力裂降过程,粘弹-触变方程中的参数可以反映出胶凝原油的相关特性。     

基于分数阶微积分的岩石非线性黏弹性应力松弛模型研究

基于Riemann-Liouville分数阶微积分理论,采用Koeller弹壶元件替换整数阶Poynting-Thomson模型中的Newton元件,结合Laplace正逆变换和Mittag-Leffler函数,构建了一种新的岩石非线性黏弹性应力松弛模型-分数阶Poynting-Thomson模型.应用岩石流变仪对三峡库区巴东组粉砂质泥岩进行了单轴压缩应力松弛试验.依据试验结果,分别采用整数阶Poynting-Thomson模型、整数阶五元件模型(H‖M‖M)和分数阶Poynting-Thomson模型对应力松弛试验数据进行拟合分析,比较了各模型的辨识精度.在此基础上,分析了分数阶Poynting-Thomson模型参数的敏感性,揭示了应变水平、分数阶阶数和黏滞系数对岩石应力松弛的影响规律.研究结果表明,分数阶Poynting-Thomson模型能够更准确地描述岩石的应力松弛特性.     

采用分数阶导数描述胶凝原油的流变模型

提出了采用分数阶导数的新流变模型理论来描述胶凝原油蠕变特性和动态粘弹特性的方法.由Maxwell体和分数阶导数的类Kelvin体组合建立了类Burgers体流变模型,并推导得到了分数阶导数类Burgers体的蠕变柔量表达式.试验验证了该模型能精确描述胶凝原油的蠕变过程,而经典的标准粘弹性固体模型和粘弹性流体模型都不能很好地拟合蠕变试验曲线.试验还验证了分数阶导数的类Kelvin体和类标准线性体都能精确描述胶凝原油的动态粘弹性能,而经典的标准粘弹性固体模型同样也不能很好地拟合动态粘弹试验曲线.     

采用分数阶导数描述胶凝原油的流变模型

提出了采用分数阶导数的新流变模型理论来描述胶凝原油蠕变特性和动态粘弹特性的方法.由Maxwell体和分数阶导数的类Kelvin体组合建立了类Burgers体流变模型,并推导得到了分数阶导数类Burgers体的蠕变柔量表达式.试验验证了该模型能精确描述胶凝原油的蠕变过程,而经典的标准粘弹性固体模型和粘弹性流体模型都不能很好地拟合蠕变试验曲线.试验还验证了分数阶导数的类Kelvin体和类标准线性体都能精确描述胶凝原油的动态粘弹性能,而经典的标准粘弹性固体模型同样也不能很好地拟合动态粘弹试验曲线.     

一种新的胶凝砂砾石坝坝料应变预测模型

为了研究胶凝砂砾石料的变形特性,对胶凝掺量60kg/m~3的胶凝砂砾石料在围压为300,600,900和1 200k Pa条件下进行三轴剪切试验,在此基础上,分别采用摩尔库仑准则、改进双曲线及抛物线描述胶凝砂砾石料的强度特性、应力-应变及体积应变-轴向应变关系,形成胶凝砂砾石料的应变预测模型。研究结果表明:高围压时峰值强度之前的应力应变曲线斜率比低围压时的斜率大,但软化不明显;与高围压相比,低围压下的试件会较早出现剪胀现象;轴向应变相同时,围压越高的试件主应力差与体积应变越大。模型计算结果与三轴剪切排水试验数据较为吻合,表明该模型能较准确地反映胶凝砂砾石料应力应变关系。     

MDYB-3有机玻璃在不同应变率下不同黏弹性模型的比较

对MDYB-3有机玻璃进行了准静态(0.001~1 s^-1)和动态(1 000~3 000 s^-1)压缩实验,以ZWT模型、多Maxwell模型及修正多Maxwell三种黏弹性本构模型拟合了所得应力-应变曲线. 结果表明ZWT模型对于低应变率拟合较好,多Maxwell模型无法准确描述应力-应变曲线的非线性,在三者拟合中,修正多Maxwell模型拟合效果最好. 在实际应用中,ZWT模型更灵活简便,而修正多Maxwell模型更准确.     

一种描述含蜡原油触变性的新方法

触变性是含蜡原油重要的流变特性之一.输油管道工艺计算需要对触变行为做出准确的定量描述.为了方便有效地表征含蜡原油的触变性,根据Moore模型进行推导,提出了一种描述含蜡原油触变性的方程式,并讨论了其具体的应用方法.利用该触变性表征方法对3种含蜡原油11个温度下的触变性实验数据进行拟合,最低相关系数为0.927 7,最高相关系数为0.991 0,平均相关系数为0.967 3.该触变性表征方法物理意义较明确且使用方便,能够较准确地描述不同剪切率下含蜡原油的触变特征.     

基于分数阶导数的盐岩流变本构模型

盐岩流变特性的研究对诸多地下工程如战略能源储备、CO2封存、高放废物处置等具有十分重要的意义.本文从分数阶导数出发,在常黏性系数Abel黏壶基础上,提出了一种新的变黏性系数的Abel黏壶元件.通过将分数阶Abel黏壶代替经典西原模型中Newton黏壶的方法,构建了基于分数阶导数的盐岩流变本构模型,并给出了流变本构模型的解析解.论文进一步应用程控流变仪进行了湖北江汉油田王储1井盐岩试件的单轴流变实验,基于盐岩流变实验数据,对分阶导数流变本构模型的参数进行了拟合分析,确定了模型中的参数.论文还进行了分数阶流变模型中的参数敏感性分析,揭示了应力水平、分数阶导数阶数、黏性系数对流变应变的影响规律,并验证了分数阶流变本构模型在特殊条件下可退化为经典西原模型.研究发现,本文提出的分数阶流变本构模型可以更好反映盐岩流变的三阶段尤其是加速流变阶段.     

W/O型含蜡原油乳状液屈服特性研究

屈服特性是W/O型含蜡原油乳状液重要的依时流变特性。本文利用VT550流变仪对3种物性不同的含蜡原油,在恒定剪切速率加载方式条件下,研究了其W/O型胶凝含蜡原油乳状液的屈服特性。发现凝点附近的W/O型含蜡原油乳状液形成水滴被包裹在蜡晶结构之中的胶凝体系,只有当剪切应力既能破坏蜡晶的空间网状结构,又能克服分散相液滴间的作用力时,体系才能够屈服产生流动,因此,W/O型乳状液的屈服应力明显高于脱水原油。当体积含水率较低时,屈服应力随含水率的增加幅度较小;当体积含水率较高时,屈服应力随含水率的增加幅度较大。并根据实验结果,总结提出了屈服应力与体积含水率之间的关系式。     

W/O型含蜡原油乳状液屈服—触变特性研究

屈服-触变特性是W/O型含蜡原油乳状液重要的依时性流变特性。利用流变仪对3种物性不同的含蜡原油,在恒定剪切速率加载方式条件下,研究了W/O型胶凝含蜡原油乳状液的屈服-触变特性。以可触变应力表征体系的结构特性。发现对于具有相同结构的乳状液胶凝体系,增加剪切速率,可触变应力增大;在液滴直径相同的情况下,增加体积含水率,以相同的剪切速率加载时,可触变应力增大。并根据实验结果,总结提出了可触变应力与体积含水率、剪切速率之间的关系式。     

复合驱油藏非线性渗流试井模型的影响因素

 在基于变截面孔喉模型建立的黏弹性本构方程的基础上,考虑黏弹性与流变参数的变化,建立了碱-表面活性剂-聚合物（ASP）溶液不稳定渗流的试井模型,并用有限差分方法求解,得到了相应的有量纲与无量纲试井曲线。通过有量纲试井曲线,分析了幂律指数、注入速度、稠度系数、渗透率、特征时间、孔隙因子等参数对复合驱油藏注入压力的影响;通过无量纲试井曲线,分析了这些参数对复合驱油藏试井曲线形态的影响。研究表明,在进行复合驱驱油藏试井分析应用的过程中应适当考虑流变参数变化与黏弹性的影响;而在流变参数变化不太剧烈、黏弹性不太大的情形下,幂律试井模型具有很好的适用性。该试井模型的分析研究对复合驱渗流规律的探讨具有一定的借鉴意义。     

一种胶凝原油剪切测试的新方法

对用旋转流变仪和管流试验装置研究胶凝原油剪切破坏特性的试验测试方法进行总结,发现油品的压缩性、收缩性,承受单向剪应力等因素会对测试结果产生影响。基于岩土等材质的剪切破坏试验方法的分析,借鉴测定土体强度的直剪法,使用数显测力计测试剪切应力,利用步进电机精确控制剪切速率,消除固有内阻的影响,通过空气浴来实现测试温度的控制,开发出胶凝原油直剪测试装置。试验结果表明,测试装置具有良好的可靠性和准确性,直接剪切试验能够较好地反映出胶凝原油的剪切屈服破坏过程。     

粘弹性聚合物溶液对残余油膜的作用机理

针对水驱后残余油膜的存在形式,及油藏孔隙内聚合物溶液粘弹特性,选取具有相继收数和扩张特性的波纹管模型和广泛用于数值计算粘弹性流体的上随体M~U本构方程,建立了由连续性方程、运动方程和上随体Maxwell本构方程、流函数、涡量函数及边界条件组成的较完整的数学模型。通过有效的数值求解,从力学的角度提出聚合物驱在理论上提高驱油效率的机理是:(l)粘弹性聚合物溶液产生的第一法向应力和剪切应力对油膜的携带作用大于相同粘度的牛顿流体产生的剪切应力对油膜的携带作用,从而可携带部分残余油膜流动;(2)粘弹性聚合物溶液与牛顿流体相比,相同流函数值的流线位置发生改变,其波及范围大于相同粘度的牛顿流体。     

基于近场动力学的岩石不同应力路径损伤演化

加卸载效应普遍存在于各类岩土工程中,为研究岩体在不同应力路径下加卸载的力学响应和损伤演化规律,通过在传统键型近场动力学本构模型中引入键的损伤变量函数,以反映岩石材料应力应变曲线中先应变硬化再应变软化的非线性阶段,采用改进键型近场动力学模型数值模拟与室内细砂岩加卸载试验对照的方法研究了细砂岩在不同加卸载路径下的力学、损伤演化规律。结果表明：改进的键型近场动力学本构模型能够较好地模拟岩石材料先应变硬化再应变软化力学性质和在不同应力路径下的力学响应及损伤发展趋势;在常规三轴路径下,岩石的抗压强度与围压呈较严格的正相关变化;定义的损伤值可直观的对比出不同加卸载路径与常规三轴压缩下岩石的损伤发展情况,相对常规三轴压缩,卸荷路径加快了岩石材料的破坏,且升轴压破坏程度>恒轴压破坏程度>卸轴压破坏程度。     

幂律流体管内充分发展的对流换热分析

将非牛顿流体的动量方程、能量方程和幂律流体的本构方程相结合 ,建立了幂律流体管内流动和换热充分发展时的对流换热控制方程组 ,并在恒热流和恒壁温边界条件下分别对方程组进行了求解 ,得到了两种不同边界条件下的温度分布和无量纲对流换热系数 (Nu数 )的表达式。结果表明 ,幂律流体的流变指数对流体流动的影响要大于对换热的影响 ;在恒热流边界条件下 ,幂律流体的温度在管内沿轴向呈线性分布 ;而在恒壁温条件下 ,其截面平均温度沿轴向呈指数规律变化。幂律流体的无量纲对流换热系数与幂律流体的流变指数有关 ,并且在两种边界条件下 ,均随着流变指数的增加而减小