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原油组成、蜡晶形态及结构是影响含蜡原油流变性的主要因素。研究原油流变性与蜡晶形态、结构及原油组成间的量化关系,对于深化对原油流变学机理的认识、发展原油管道输送技术都具有重要意义。以往国内外学者对此问题的研究只限于若干定性的认识。本文利用分形与体视学理论,对蜡晶形态与结构进行了量化表征,并定量分析了蜡晶形态、结构及原油组成对原油粘度、粘弹性、屈服应力与凝点/倾点的影响,从定量的层面上丰富了对含蜡原油流变性微观机理的认识。
本研究实现了蜡晶形态与结构的客观独立表征,提出了基于显微图像分析的蜡晶结构直接分形表征法,而现有文献均是利用流变数据借助悬浮体流变模型拟合得到分形维数的间接表征。对8种含蜡原油添加降凝剂改性前后的实验结果表明,同一试样不同视域蜡晶边界盒维数的相对极差为9.97%~1.88%,各组数据的标准偏差在0.0549~0.0107,同一试样不同视域的蜡晶分维数基本一致:相关性f假设检验表明,蜡晶的分形效应显著。进一步分析表明,随温度基本单调变化的蜡晶平均分维数,表征了蜡晶形态与结构随温度变化的高度非线性和不规则程度。基于体视学理论,应用蜡晶实际体积分数与表观面积分数定量描述蜡晶形态与结构,与分形表征互为补充,更全面地表征了蜡晶形态和结构。
应用多元聚类分析法,本文定量研究了蜡晶形态、结构及原油组成的13个特征参数间的关系,确定了5个相互独立的代表性参数,实现了对流变性产生明显影响的原油微观结构及组成的有效准确表征。
采用逐步回归分析法,初步建立了析蜡点以下温度时粘度与蜡晶形态、结构及原油组成间的定量关系模型,确定了对原油粘弹性和屈服应力有显著影响的因素:对储能模量,影响程度由强而弱依次为蜡晶平均分维数、原油平均分子量与蜡晶体积分数;对耗能模量,依次为蜡晶体积分数;对绝对动态模量,依次为蜡晶体积分数与原油平均分子量;对损耗角,依次为蜡晶平均分维数、原油平均分子量与含蜡量;对屈服应力,依次为蜡晶平均分维数、蜡晶体积分数与原油平均分子量。借助灰色关联理论的定量分析表明,对凝点/倾点的影响程度由强而弱依次为含蜡量、蜡晶平均分维数、原油平均分子量、蜡晶体积分数与液态原油粘度。这些研究对进一步建立含蜡原油流变性微观机理的数学模型具有一定指导意义。