非均匀高频电场下W/O型乳化液动态破乳聚结特性的实验研究

采用自主设计搭建的非均匀电场动态破乳聚结特性实验装置,首次在国内配套使用高频/高压脉冲交流电源和FBRM G600型聚焦光束反射仪,建立了W/O型乳化液中分散相水颗粒粒径分布的在线测试评价方法,进而系统研究了电场参数和流动参数对W/O型乳化液在非均匀电场作用下动态破乳聚结特性的影响规律。实验结果表明,对于所配制含水率为20%的W/O型乳化液,在电场强度为2.87 kV×cm~(-1)、电场频率为2 kHz、占空比为50%时,分散相水颗粒体积平均粒径(VMD)值较初始稳定状态的增长倍数达到最大值,为3.81倍;小粒径水颗粒(粒径小于10μm)数目较初始稳定状态减小至最小值,减少了62%;充分证明在非均匀电场下,合理电场参数的筛选对于乳化液破乳聚结具有重要意义。在实验流速范围内,VMD值增大倍数随着流速的增加先增大后减小,表明在确保足够停留时间的前提下,适度增加乳化液流速方能显著提升破乳聚结效率,因此合理流速的确定应当优先满足乳化液在电场中最短停留时间的要求。     

基于相场法模拟液滴在电场作用下的聚结特性

随着三元复合驱试验区的逐步扩大,联合站电脱水设备垮电场的问题日益凸显。为研究竖挂电极电脱水器中水滴的动力学行为及其影响因素,采用相场法模拟电场作用下分散液滴的变形和聚结过程,分析了电场强度、液滴距离、液滴直径和连续相粘度对液滴运动特性的影响。利用自制电脱装置和现场采出液开展了实验研究,实验结果与模拟结果相吻合。模拟研究结果表明,在竖挂电极中,随着电压的增大,聚结时间越短,但是存在最佳电场范围,当电场强度高于3000V/cm时,会发生电分散的现象。随着液滴直径变大,液滴聚结时间变短;随着液滴间距的变小,液滴聚结时间变短,但液滴开始作用的间距不能简单地用几倍直径来表示。实验研究结果表明电场强度越大脱水效果越好,作用时间越长脱水效果越好,所得结论可为现场电脱水器参数的选取提供参考。     

高密度差体系中单液滴运动的数值模拟

采用VOSET方法捕捉液液两相运动界面,对高密度差体系中单液滴的运动进行数值模拟,分析不同时刻的表面图和流线图及瞬态速度变化图,研究了单液滴运动过程的速度变化及形变。研究结果表明：液滴形变随密度差和液滴粒径以及界面张力减小而变得剧烈;液滴上升速度随密度差和界面张力的增大而增大;液滴速度振荡幅度随粒径减小而减小;液滴形变的频率随界面张力增大或粒径减小而变小。     

新型静电聚结器中水滴聚结特性研究

传统电脱水器采用裸电极,含水率较高时在高强电场作用下容易发生击穿现象,今设计了包覆绝缘层的高压电极并加工了新型静电聚结器,可有效避免击穿现象的发生。采用水/原油乳状液为实验介质,并利用显微高速摄像系统结合图像处理技术对水滴的聚结规律进行了观察和分析,探索了电场强度、流量、含水率等因素对水滴聚结特性的影响。结果表明:包覆绝缘层的高压电极可有效防止电击穿现象的发生,增加电场强度有助于油水分离,但高于临界场强后容易导致液滴破碎;含水率为10%、20%、30%时,最优电场强度不同,分别是372、320和204 kV m 1;含水率10%和30%乳化物液滴粒径增大倍数明显大于含水率20%的工况;电场作用时间影响液滴聚结效果,高强电场在低流量下具有很显著的作用;随着流量的增加电场作用降低,但高强电场在高流量下依然使液滴粒径明显增大。     

高频/高压静电聚结破乳评价方法及电场频率选择研究

为满足当前所处理原油劣质化的新挑战,实现设备紧凑高效、运行节能降耗等发展目标,采用高频/高压电场进行W/O型乳化液静电聚结破乳脱水已经成为国内外的研究热点。采用自主研制开发的全数字控制高频/高压脉冲方波交流电源,基于矩形流道连续流动实验装置,采用Turbiscan Lab分散稳定性分析仪评估静电聚结破乳特性,并系统研究了电场频率和乳化液含水率对分散相水液滴聚结长大的影响。研究结果表明,W/O型模拟乳化液含水率5%时,施加电压为5.4 kV、频率为1.1 kHz的电场,分散相水液滴的平均体积粒径增大39.75倍,稳定动力学参数增加3.12倍,破乳效果非常明显;W/O型模拟乳化液的含水率不同,分散相水液滴取得最佳聚结效果所对应的电场频率也不同,工程应用中应该根据不同油田原油乳化液的实际情况进行具体评估。     

流花油田老化油高频/高压脉冲交流电场破乳脱水研究

在测定老化油乳化液粘度-温度曲线、含水率反相点曲线的基础上,采用静态静电聚结破乳实验装置研究了油水反相特性对电场破乳脱水效果的影响,使用自主搭建的动态破乳脱水特性快速评价装置研究了高频/高压脉冲交流电场下电场强度和频率对老化油乳化液破乳脱水效果的影响. 结果表明,流花油田老化油反相点含水率约为40%,油水反相过程中乳化液粘度增加,电场破乳脱水难度增大;老化油乳化液含水率为30%时,最优电场强度1.25 kV/cm、电场频率2.5 kHz下破乳后的离心脱水率为97.8%,远高于工频电场下的离心脱水率(4.2%),高频/高压电场破乳比工频/高压电场破乳优势明显.     

匀强电场作用下分散相液滴的变形和破裂

基于Cahn-Hilliard方程的相场方法,建立了在匀强电场作用下液滴的变形和破裂行为模型。从微观角度研究分散相液滴变形过程中电荷密度、电场强度和电场力的分布规律以及流场和电场分布,探讨了微观液滴变形机理;采用数值模拟方法研究了电场强度、液滴直径和界面张力对液滴变形的影响,结果表明电场强度越强,液滴直径越大,界面张力越小,液滴变形量越大;分析了液滴的两种主要破裂方式,其破裂主要取决于连续相和分散相物性条件,为电破乳技术提供了理论基础。     

匀强电场作用下分散相液滴的变形和破裂

基于Cahn-Hilliard方程的相场方法,建立了在匀强电场作用下液滴的变形和破裂行为模型。从微观角度研究分散相液滴变形过程中电荷密度、电场强度和电场力的分布规律以及流场和电场分布,探讨了微观液滴变形机理;采用数值模拟方法研究了电场强度、液滴直径和界面张力对液滴变形的影响,结果表明电场强度越强,液滴直径越大,界面张力越小,液滴变形量越大;分析了液滴的两种主要破裂方式,其破裂主要取决于连续相和分散相物性条件,为电破乳技术提供了理论基础。     

海上原油乳化液在高频脉冲电场中的脱水特性研究

为了探究高频脉冲脱水法对海上原油的适应性以及脱水电参数的选取方法,本文通过实验开展了高压脉冲电场下原油乳化液电脱水特性的研究,分析了高频电场的频率、电场强度、含水率、破乳剂浓度对原油乳化液电脱水效果的影响,并通过实验结果分析了高频脉冲电场对海上原油脱水特性的影响规律,同时通过回归分析方法确定了原油在电脱水过程中最优电参数的选取方法。研究结果表明:在高频脉冲电场下,脱水前期在较低电场频率下,脉冲电场强度和频率对脱水效果的影响并不明显;在较高电场频率下,随着电场强度的增大,原油乳化液在脱水初期的脱水效果越好。当脱水进入中后期,原油脱水效果随着电场强度的增大而增大,随着频率的增大而降低;该回归分析方法可根据原油的物性参数确定电脱水过程中电场强度、频率的选取范围,实现对电脱水效果的预估计,保证脱水电场的稳定性,提高电脱水效率与脱水质量。     

高频高压脉冲电场作用下水链形成与消散行为的实验研究

为深入探究原油乳状液静电聚结破乳过程中水链形成、消散行为机理,对高频高压脉冲电场作用下水链形成与消散行为进行显微实验研究,得到乳状液中水链形成与消散的方式。实验条件下,水链的形成方式有两种:单液滴在高电场强度下,由于较大的极化力引发的水滴中段扯裂成链,水链长度大于1000μm;液滴群在高频高压脉冲电场中发生接触时,液滴界面膜发生静电击穿引发聚结成链,链长为268μm。水链消散的方式也有两种:水链自身水滴在电场作用下发生极化,当液滴间的静电应力大于液滴表面张力时即发生聚并消散,链长51μm、平均粒径8.8μm的水链聚并消散为一个粒径16μm的液滴,而链长204μm、平均粒径20μm的水链聚并成链长68μm、平均粒径33μm的水链;外界液滴与水链端部液滴接触时,液滴和水链的部分电荷发生中和,电荷分布发生变化,水滴在电场极化力作用下发生聚并,粒径26μm的外界液滴与链长37μm、平均粒径9.3μm的小水链聚并成一个粒径30μm的大液滴,而粒径35μm的外界液滴与链长259μm、平均粒径39μm的水链聚并成链长210μm、平均粒径50μm的水链。     

电场作用下双液滴聚合特性

乳状液破乳分离是目前高含水期油田开采过程中难以解决的技术问题,电场破乳方法具有高效清洁等优点,是解决该问题的有效手段。采用数值模拟与试验验证相结合的方法研究电脱水过程中阶跃、斜坡电场诱导下双液滴的聚合与分离特性。结果表明,在斜坡电场作用下,界面张力引起的泵吸作用大于电场力引起的颈缩作用,有利于液滴聚并,且液滴发生二次乳化现象的概率降低。而施加阶跃电场时,一定范围内能够达到液滴破乳的目的,但液滴在聚并过程中易发生二次乳化现象。从电场对连续相影响的角度分析发现,阶跃电场不仅对液滴具有驱动作用,对连续相的影响也较为明显,阶跃电场会增大连续相内湍流作用,不利于电脱水过程。因此,采用斜坡信号诱导液滴聚合能够降低二次乳化现象发生的概率。     

脉冲电场强度及频率对乳化液脱水的影响

为提高油田原油脱水处理效率,保证脱水电场的稳定性,满足陆上及海上石油处理设备紧凑、高效的技术要求,开展了脉冲电场下电场强度和频率对乳化液脱水效果影响的研究;通过水滴伸缩模型的建立,分析了水滴在电场作用下的受力情况,推导得出水滴形变量与电场强度的关系式;建立水滴振动动力学模型,分析水滴振动时的受力情况,得出水滴共振时外施电场频率的表达式,从理论上给出了最佳脱水频率的选择方法.研究结果表明,乳化液脱水过程中存在最佳脱水电场强度和最佳脱水频率.随着外施电场强度增加,脱水率逐渐升高,当外施电场强度超过水滴临界破裂电场强度时,脱水率有所下降,且脱水电场不稳定;当外施电场频率使水滴达到共振时,水滴振幅最大、脱水效果最好.     

高频脉冲电场参数对水滴极化变形的影响

在理论分析基础上进行显微实验,得到了高压高频脉冲电场参数对水滴极化变形的影响规律。结果表明,随电场强度的增加,水滴的变形度近似呈抛物线形增大,水滴的极化弛豫时间降低,极化电荷的迁移速度增加,水滴最大变形度所对应的电场频率增大。电场频率过低时,油水乳状液的电容较大,极化电压过小,极化程度较低;电场频率偏离水滴固有频率越多,水滴的振荡幅度及共振效应越差,水滴的变形受到抑制。随占空比的增加,作用于水滴的电场能随之增加,水滴变形度增加;占空比过大,部分电场能经油相发生泄漏,水滴变形度小幅降低。研究发现,高压高频脉冲电场作用下,各电场参数间的交互作用对水滴极化变形的影响不可忽略。上述研究成果为高压高频脉冲静电破乳机理的深入探讨奠定了基础。     

Movement of dispersed droplets of W/O emulsion in a uniform DC electrostatic field:Simulation on droplet coalescence☆

Considering the droplet coalescence, the motion of a group of dispersed droplets in W/O emulsion in a DC electric field is simulated. The simulation demonstrates the evolutions of droplet number, size as wel as its distribution, local concentration distribution and droplet size-velocity relation with the applied time of electric field. The sim-ulated average droplet size is roughly consistent with the experimental value. The simulated variation of droplet number with time under several applied voltages shows that increasing voltage is more effective for raising the rate of droplet coalescence than extending exerting time. However, with the further raise of applied voltage, the improvement in droplet coalescence rate becomes less significant. The evolution of simulated droplet size–velocity relationship with time shows that the inter-droplet electric repulsion force is very strong due to larger electric charge on the droplet under higher applied voltage, so that the magnitude and the direction of droplet velocity become more random, which looks helpful to droplet coalescence.     

Coalescence behaviour of water droplets in water‐oil interface under pulsatile electric fields

In this research, the deformation of water droplets in sunflower oil-interface under pulsatile electric field was studied experimentally. Three types of coalescence were observed:(i) complete coalescence, (ii) incomplete coalescence and (iii) no-coalescence. The first type is desirable because of leaving no secondary droplets. The second type that produced secondary droplets which caused by necking process, due to extreme elongation of droplets (mostly small droplets), was undesirable; because the small droplets were more difficult to coalesce and remove. The no-coalescence was caused by very fast coalescence and extensive pushing of droplet into the continuous phase. In this work the process was operated with the utilization of a batch cylindrical separator with high voltage system. The lower part of the cylinder was filled with the aqueous phase and its top part was filled with sunflower oil to form an interface between the two phases. The effects of electric field strength, frequency, and waveform types were investigated. It was found that, the ramp-ac waveform was the best waveform, avoiding the production of secondary droplets and in this case the frequency also played an important role.     

Electro-coalescence of an aqueous droplet at an oil-water interface

The coalescence of an aqueous droplet at an oil-water interface under an electric field has been investigated, with a view to quantify conditions that give rise to secondary droplet formation. Two patterns of drop-interface coalescence may occur: complete coalescence and partial coalescence. The former is obviously the desirable pattern for industrial coalescers. However in practice, the process of coalescence could actually produce smaller droplets, which become more difficult to remove, and hence undesirable. This is caused by either necking, due to extensive elongation of the droplet, or reaction to a fast and energetic coalescence and is referred to as partial coalescence. The volume of the droplets formed in this way has been analyzed as a function of the initial droplet size, electric field strength and the distance between the droplet and the interface. The expansion speed of the neck connecting the droplet and interface at the beginning of the pumping process has also been quantified. These results are useful in optimizing the electro-coalescence process.     

电场作用下液滴的变形及库仑分裂模式

基于高速成像技术,本文对电场作用下甲醇液滴的显微形貌特征进行了可视化研究,精确捕捉了两相流体系中不同生长阶段的荷电液滴基于时间分辨特性的变形及库仑分裂演变行为,得到不同工况下荷电液滴的变形分裂过程及行为演化细节。基于液滴所受库仑力和介电泳力与周围流域的耦合作用,揭示了电场作用下不同生长阶段的液滴库仑分裂形成机理。结果表明,电场强度和液滴粒径是决定液滴变形及库仑分裂模式的主要因素,荷电液滴的变形及库仑分裂模式可以分为推压变形、顶部破碎、顶部-边端破碎、伞状破碎。结合量纲为1参数对液滴的变形及破碎特征进行了定量分析,随着电场强度的增大及液滴粒径的减小,液滴变形及顶部破碎的程度更加剧烈,液滴临界伞状破碎长度减小。     

Non-coalescence behavior of neutral droplets suspended in oil under a direct current electric field

The excessive electric field gives rise to droplet non-coalescence and droplet chains in the electric dehydrator, which severely deteriorates oil–water separation efficiency and even leads to short circuit. To reveal the underlying mechanism of droplet non-coalescence, dynamic behavior of two neutral droplets in silicone oil under a direct current electric field is investigated by using high-speed photography. The experimental results show that there exists a critical electric field strength above which two droplets will bounce off after the contact. The critical electric field strength of droplet non-coalescence is affected by the initial separation distance between droplets, the radius of droplet, and the surfactant concentration. Whether the non-coalescence behavior occurs in the electric field is determined by the competition of electric force and capillary force, which dominates the evolution of tiny connection channel.