Реологические характеристики нефти в значительной степени определяются содержанием в ней смол, асфальтенов, твердого парафина, порфиринов. Асфальтены за счет плохой растворимости в углеводородах представляют собой коллоидные системы. Мицеллы асфальтенов стабилизируются смолами.
При значительном содержании парафина и асфальтенов вязкость нефти зависит от скорости сдвига, т.е. приобретает свойства неньютоновских жидкостей.
Структурно-механические свойства движущихся неньютоновских жидкостей изучает наука – реология.
Как известно, вязкость ньютоновских жидкостей зависит только от температуры и давления и касательное напряжение 
, возникающее в движущихся слоях жидкости, пропорционально градиенту скорости 
:
. (2.3)
Данное уравнение записывается в форме, аналогичной закону Гука, путем следующих преобразований
, (2.4)
где 
– длина в направлении скорости движения 
; 
– время.
Величина 
характеризует сдвиг 
слоев (деформацию), и, следовательно, у ньютоновских жидкостей скорость сдвига пропорциональна касательному напряжению и обратно пропорциональна вязкости жидкости
. (2.5)
Данное уравнение называют реологическим уравнением.
Вязкость неньютоновской жидкости зависит не только от давления и температуры, но и от скорости деформации сдвига и предыстории состояния жидкости (от времени ее нахождения в спокойном состоянии). Свойства этих жидкостей описываются реологическим уравнением другого вида
. (2.6)
В зависимости от вида функции 
эти жидкости разделяются на три вида:
1) бингамовские пластики;
2) псевдопластики;
3) дилатантные жидкости.
Реологические кривые для различных видов жидкостей приведены на рисунке.
|
|
Реологическая кривая 1 относится к бингамовским пластикам. В этом случае нефть проявляет свойства пластической жидкости. В состоянии равновесия нефтяная система ведет себя как пластическая жидкость (рис. 3.26) и обладает некоторой пространственной структурой, способной сопротивляться сдвигающему напряжению (τ), пока величи-на его не превысит значение статического напряжения сдвига (τо). После достижения некоторой скорости сдвига нефть способна течь как ньютоновская жидкость. 
Для определения аномальной вязкости 
таких пластичных тел Ф. Н. Шведовым предложено следующее реологическое уравнение:
, (2.7)
где Е — модуль Юнга;
— предельное напряжение сдвига;
— скорость деформации;
– период релаксации (определяет время, необходимое для «рассасывания»
упругих напряжений, возникших в теле при постоянной деформации 
.
Бингамом аналогичное вязкопластичное течение описывается уравнением:
. (2.8)
Два последних уравнения идентичны и обычно объединяются в одну формулу Шведова – Бингама:
(2.9)
где 
динамическое напряжение сдвига;
– пластическая вязкость, не зависящая от скорости сдвига и равная угловому
коэффициенту линейной части зависимости 
.
За эффективную вязкость пластичных тел принимается вязкость некоторой ньютоновской жидкости, величина которой
. (2.10)
Эффективная вязкость пластичных тел является переменной величиной.
П с е в д о п л а с т и к и (реологическая кривая 2 на рис. III.26) характеризуются отсутствием предела текучести, а также тем, что эффективная их вязкость понижается с увеличением скорости сдвига. Псевдопластиками такие жидкости называют потому, что в определенном интервале напряжений они подчиняются уравнению Шведова — Бингама.
|
|
Д и л а т а н т н ы е жидкости (кривая 4) также относятся к телам, у которых отсутствует предел текучести, однако их эффективная вязкость в отличие от псевдопластиков повышается с возрастанием скорости сдвига. Такой тип течения характерен для суспензий с большим содержанием твердой фазы. Предполагается, что в покое жидкость равномерно распределяется между плотно упакованными частицами и при сдвиге с небольшой скоростью жидкость служит смазкой, уменьшающей трение частиц. При больших скоростях сдвига плотная упаковка частиц нарушается, система расширяется и жидкости становится недостаточно для смазки трущихся поверхностей. Действующие напряжения в таком случае должны быть значительно большими.
Движение псевдопластиков и дилатантной жидкости аппроксимируется степенным законом зависимости касательного напряжения и модуля скорости деформации