文丨猿十叁编辑丨猿十叁在阅读此文之前，麻烦您点击一下“关注”，既方便您进行讨论和分享，又能给您带来不一样的参与感，感谢您的支持最近几年，全球蜡质油的来源和生产量迅速增加
当油温降至蜡饱和温度以下时，由于蜡沉淀导致油的粘度增加，油逐渐呈现非牛顿流体行为和流动性差，这给生产和运输系统带来了一系列流动保证问题
提高原油的低温流动性是实现高效安全生产和运输的基本途径
改善蜡质原油流动性的传统方法主要包括加热和化学处理
电处理，即将原油暴露在高电压电场下，是改变原油流动性的新兴方法
这项技术是基于蜡质原油的电流变效应
我们发现，通过施加直流电场数秒钟，可以将密度为855 kg/m3的原油的粘度降低82.1％
随后，我们的研究小组发现，通过将直流电场施加到静止液态原油中，或者将直流电场施加到与油流方向垂直的方向，也可以实现显著的粘度降低
对此，我们扩展了对胶体状原油的电流变效应的理解
我们发现，经过直流电场处理的蜡油凝胶，在液态状态下，其结构行为显著减弱，并且流变学行为在失去应力的情况下大大降低
通过将凝胶状原油暴露在高电压直流电场中，发现其屈服应力，平衡模量和视黏度可降低90％以上蜡质原油的电流变效应在数小时至数天的时间内逐渐减弱，并在去除电场后恢复
电流变微观结构实验中我们使用了两种原油样品
其中，油样A在所有实验中用于基础了解交流电场下电流变响应，而油样B用于验证从油样A得出的主要观点的有效性
实验前对油样进行了以下处理：将样品密封在试瓶中，加热至80℃并保持2小时，然后自然冷却至室温并静置48小时
此预处理的目的是消除热和剪切历史的影响，确保流变测试结果可重复性
流变测试使用配备了电流变附件的TA DHR2流变仪进行
电压是通过最高电压为4000V的高压放大器Trek施加在油样上的
表1：被测试的蜡质原油的物理性质在此实验中，我们使用直径为40mm且具有阻止蒸发能力的Peltier板，并将两个板之间的间距设置为0.5mm
仪器的TRIOS软件控制具体的波形和信号发生器
可实现灵活可编程的电压曲线，例如步进、斜坡、正弦和三角波形函数
油样加热至50℃并保持30分钟，然后装入预热至50℃的流变仪中，随后以0.5℃/min的速率冷却至22℃和16℃，并在相应的温度等温保持30分钟
随后，对油样施加电场处理100秒
然后，在一系列控制剪切速率下进行粘度测量
10s⁻¹的剪切时间为15分钟，其他剪切速率的持续时间为10分钟
图1：油样A（a）和油样B（b）的蜡沉淀曲线油样装入预热至50℃的流变仪中，并保持温度10分钟，然后以0.5℃/min的速率冷却至18℃和12℃，并以相应的温度保持60分钟，以确保凝胶结构充分形成
随后，对油样施加电场处理100秒
然后，使用1Hz的振荡剪切和0.1 Pa的应力振幅对凝胶状油样进行加载
应力振幅扫描具有优势，可以获得屈服应力以及储存模量和损耗模量，以便更好地理解油样的结构变化
屈服应力测试交流电场频率的影响对油样施加具有不同频率和5 kV/mm的正弦交流电场，并持续作用100秒
在移除电场后，测量油样在10 s⁻¹下的粘度
粘度降低率被定义为 (η0 - ηE) / η0 × 100%，其中η0代表未经处理的原油粘度，在本研究中为549 mPa·s；ηE代表电场处理后的油样粘度
可以发现，直流电场的粘度降低最显著，降低率为67.8%；在低频范围，粘度降低随频率增加而急剧减小，然后降低的趋势变得缓和
图2：流变仪与电流变附件的示意图
为了研究电场频率对凝胶油样结构行为的影响，对具有不同频率的正弦交流电场进行了100秒处理
基于蜡质油电流变效应的界面极化机制，并根据电静态极化理论，电流变效应依赖于分散相颗粒与悬浮液中连续相介质之间的介电不匹配
对于原油体系，树脂和沥青质由于介电不匹配在电场下发生极化，从而在蜡颗粒和树脂、沥青质之间产生电静力
表2：不同波形下功率法模型的K值和n值（电场幅值：5 kV/mm，频率：0.01 Hz）关于频率的影响，可以运用Maxwell-Wagner动态极化理论进行定性分析
根据该理论，假设各个相的介电常数和电导率为常数，独立于频率
分散相和连续相的复电介质常数可写作εp和σp分别是颗粒的介电常数和电导率，ε0是真空介电常数
因此，蜡颗粒与树脂和沥青质之间的最大电场静电力可以表示为：其中，εf是体相流体的介电常数；εp是蜡颗粒的介电常数；E是施加的电场强度；a是蜡颗粒的半径；r是带电粒子与蜡颗粒之间的距离；θ是电场方向与力之间的夹角；→er和→eθ分别是r方向和θ方向的单位向量；βeff是从以下表达式中得出的有效相对极化率
即：施加电场强度的影响将频率为0.01 Hz的正弦交流电场施加到22°C下的油样中，且电场强度的幅值不同，持续时间为100秒
未经处理的原油的粘度为549 mPa•s
可以看出，随着电场强度幅值的增加，粘度降低程度也增加
当电场强度幅值从1 kV/mm增加到6 kV/mm时，粘度降低从5%增加到47%
这种现象的机制可以通过使用方程（1）来解释
方程表明，更高的电场强度会导致更大的带电粒子迁移力，从而将更多的带电粒子输送到蜡颗粒的表面，从而增强界面极化效应
图3：在10 s⁻¹和22℃条件下，频率对液体油的粘度降低有着一定的影响
然而，交流电场和直流电场在电压的程度和方向上有所不同
这可以通过使用电压均方根值的概念来进一步说明
交流电场的电压均方根值也被称为电压的有效值
它是根据直流电场的等效热效应来定义的
对于平行板之间的一定间隙d，交流场的均方根值为Erms = Urms/d
交流电场的电压均方根值随电场波形变化
固相颗粒在外电场的作用下极化后相互吸引，在电极间沿着电场的方向形成链状电场波形的影响在本研究中，将22°C下的油样置于频率为0.01 Hz、电场强度幅值为5 kV/mm的交流电场中，持续时间为100秒，但采用不同的电场波形，之后测量了不同剪切速率下的粘度
经过交流电场处理后，各个剪切速率下的粘度都有所下降，方波、正弦波和三角波形条件下的粘度降低分别为55%、43.7%和27.9%
此外，较低剪切速率下观察到了更显著的电流变效应
在接近倾点温度的温度下，蜡质原油表现出非牛顿流体行为
使用幂律模型来拟合每个剪切速率下的平衡粘度
图4：在18°C下，以3 kV/mm的幅值施加不同频率的正弦交流电场对凝胶状油进行动态应力扫描处理后的一致性系数K减小，流动行为指数n增加，意味着油变得更加接近牛顿流体
此外，方波形式显示出最显著的效果
在18°C下，以3 kV/mm的幅值和50 Hz的频率施加方波、正弦波和三角波形的正弦交流电场对油凝胶的动态响应
处理后的平衡模量和屈服应力减小，其中方波形式的电变流变效应最强，正弦波和三角波形依次减弱
图5：频率对油凝胶的平衡模量的影响这与粘度降低的结果一致，可以归因于不同波形的均方根（RMS）值的差异
对于相同的电压幅值Umax，方波形的电压的RMS值为Umax，而正弦波和三角波形的RMS值分别：因此，在相同的电压幅值和极板间距下，方波形的场强的RMS值分别是正弦波和三角波形的1.41倍和2倍
对于正弦交流电场而言，方程（1）中的场强（E）应该是场强的RMS值（Erms）
正如上面所述，方波形的电场下带电粒子的迁移力更大，导致更多的树脂和沥青质运输到蜡晶体表面，从而使电变流变效应更强
图6：频率对油凝胶的屈服应力的影响附加实验与直流电场相比，交流电场的主要特点是电压的大小和方向的变化，即电场频率
因此，为了确认之前对油A的实验结果的主要理解，即频率对电变流变效应的影响，我们进行了使用另一种油的附加实验
附加实验的结果验证了之前得出的定性结论，即交流电场的电变流变效应弱于直流电场，且频率越低，电变流变效应越强
图7：在10 s⁻¹和22°C时，液体油的粘度减小与电场场强幅值的关系交流电场可以改善蜡质原油的冷流动性
以研究中的蜡质原油A为例，在22°C时，施加频率为1 Hz、场强幅值为5 kV/mm的正弦交流电场后，在10 s⁻¹的剪切速率下，粘度从549 mPa⋅s降低至464.47 mPa⋅s，降幅为15.40%
交流电场的电变流变效应较直流电场要弱，频率越低，效应越强
这主要归因于频率对蜡颗粒界面极化的影响
图8：三种波形的示意图
随着频率的增加，界面极化由电导不匹配控制变为介电不匹配控制
介电不匹配相关的极化系数小于电导不匹配相关的极化系数，从而减小了对带电粒子迁移的力量，削弱了树脂和沥青质向蜡颗粒迁移的过程
不同波形的交流电场对电变流变效应的影响与电场强度的均方根值相关
在相同频率下，随着场强幅值的增加，粘度降低效应显著提高
图9：使用不同波形处理的原油粘度 (电场幅值: 5 kV/mm，频率: 0.01 Hz)对于相同的场强幅值，粘度、平衡模量和屈服应力的降低效果从高到低依次为方波、正弦波和三角波形
这可以归因于交流电场强度的不同均方根值对带电粒子施加不同的电静力
因此，在工程应用中，选择合适的交流电源可以最大限度地发挥电变流变效应