混沌脉宽调制电场激励油中液滴振动动力学特性分析

常用的恒定脉冲电场进行破乳脱水处理过程中,由于乳化油中液滴粒径的动态变化导致了电场最佳破乳频率的不确定,使得电场破乳效果受到了影响,进而提出了运用混沌脉宽调制电场实现乳化油高效破乳处理。以油中单液滴为研究对象,建立了液滴混沌脉宽调制电场振动动力学模型,数值分析了液滴的振动特性。结果表明：电场频率对液滴振动产生了直接影响,当施加的电场频率等于或接近液滴共振频率时,液滴发生共振;当电场频率小于液滴共振频率一半时,液滴振动频率高于电场频率;反之,液滴振动频率与电场频率一致。此外,不同粒径的液滴在混沌脉宽调制电场中的振动响应均存在滞后现象,粒径越大,其响应滞后越明显,混沌振动程度也会随之降低。     

混沌脉冲组电场作用下油中液滴的聚结特性

混沌脉冲组(CPG)电场可用于乳化液破乳,但是乳化液滴在油中的聚结特性尚不清楚。通过数值方法研究了油中液滴在混沌脉冲组电场中的聚结特性以及电场参数对液滴聚结过程的影响。结果表明：CPG电场作用下液滴聚结过程可分为6个阶段,各阶段的呈现与电场作用时间和电场休止时间相关,其中第Ⅲ阶段的持续时间对聚结时间影响较大;占空比影响液滴聚结过程的状态以及聚结时间;电场强度的增加对液滴聚结状态无显著影响,但明显缩短聚结时间,当电场强度从500 kV/m增加到700 kV/m,液滴聚结时间从0.400 s减小到0.152 s。研究液滴在CPG电场中的聚结特性能够为CPG电场在工业中的应用提供理论依据。     

脉冲电场作用下界面张力对乳化油液滴变形振动的影响

乳化油中液滴在高压脉冲电场作用下发生变形振动,油-水界面张力为液滴振动提供了回复力,对液滴振动产生重要影响。通过建立液滴振动动力学模型,解得液滴振动振幅一次近似解,以分析界面张力对液滴变形振动的影响。由仿真计算结果发现,乳化油中液滴振动振幅峰值随油-水界面张力的减小而增大,在小界面张力区域内,液滴发生不稳定振动,但可通过增大电场频率来改善;液滴共振频率随着界面张力的增大而增大,因此较大界面张力的乳化油在高频电场中破乳效果较好。实验结果对高效破乳的脉冲电场选择具有指导意义。     

高频脉冲电场作用下液滴行为特性研究

电化学破乳是一项重要的原油脱水技术。目前对高频脉冲电场作用下分散相液滴行为的了解十分有限。结合数字图像处理技术,通过试验研究高频脉冲电破乳机理。结果表明:在高频脉冲电场作用下,分散相液滴存在变形、破裂、碰撞、聚合、分离等行为,其表观特征与高压直流电场作用下液滴行为相似;电源脉冲频率及电场强度对液滴行为有着显著的影响;相对于高压直流电场,高频脉冲电场破乳技术具有显著优势。     

脉冲电场下液滴极化变形的数值模拟

为深入探究脉冲电场下的电脱水机制,基于COMSOL技术,采用电场和流场耦合的相场方法,建立了在脉冲电场下油包水乳状液液滴极化变形的二维模型,研究了液滴极化变形的影响规律。研究结果表明:随着电场强度的增加,液滴振荡变形的幅值增大,液滴变形度曲线上升沿的过冲现象逐渐减弱,下降沿的过冲现象逐渐增强;随着液滴界面张力的减小,液滴抵抗电场极化变形的能力大幅降低,其极化变形程度以及随脉冲电场的振荡幅度显著增大;随着电场频率增加,乳状液容性负载变化,液滴受到的偶极聚结力小幅增大,极化变形程度提高,液滴变形周期缩短;随着液滴粒径的增大,施加于液滴两端的电场力增大,液滴内外压差减小,液滴的变形度及振荡幅度增大。研究结果可为脉冲电场静电破乳机理的深入研究提供理论依据。     

高频脉冲电场下乳状液中液滴运动行为研究

本文采用光学显微镜和CCD摄像机结合CG400 Performance Versionl．0采集卡，对在脉冲电场作用下用模拟油配置的W／O型中乳状液液滴的运动行为进行了观察研究。由实验结果可以看出：电压较小时，液滴的变形程度很小，电压越大，液滴的变形越大；脉冲电场有振动作用及剪切作用：液滴被电场偶极极化而沿电场强度的方向排列成链。     

激励及地电条件与天然气水合物的电偶源电场响应

海底天然气水合物电磁勘探采用动态水平电偶源发射与静态阵列式海底偶极接收的测量方式。基于一维地电模型,求解海底水平层状介质的电偶源电场响应,得到海底两个水平正交电场的传播表达式,据此研究天然气水合物电场响应的影响因素。对供电频率、电偶源离地高度、海水深度、覆盖层厚度以及天然气水合物地层自身的物理化学结构等因素与归一化电场幅值的关系分别进行了计算分析,结果显示:调整供电频率可使归一化电场幅值变化于10-16~10-10V/(A.m2);将电偶源施放至离海底数十米高度进行拖曳可获得较好的作业效果,且不改变信号采集的质量;深水及浅薄覆盖层属于有利的探测环境,该环境下的感应场源具有较高的信噪比;天然气水合物的孔隙度、饱和度影响介质电阻率值,其电阻率越高,电场响应幅值越大。正演模拟结果可对天然气水合物探测设备研制及海洋作业提出切实可行的设计方案。图7参22     

油液黏度对脉冲电场最佳破乳频率的影响

通过建立油中乳胶粒子在脉冲电场作用下的非线性振动动力学模型,研究了粒子非线性参激共振及其条件,得出脉冲电场最佳破乳频率关系式。结果表明,油中乳胶粒子最佳破乳频率及其共振振幅随油液黏度的增大而减小。利用模型得出的乳胶粒子振动幅频特性关系在理论上解释了油液黏度对最佳破乳频率产生的影响,以及最佳破乳频率偏离粒子振动固有频率的成因。     

浊流沉积的动力学机制与响应

浊流按粒度成因分类法可分为低密度、砂质高密度和砾质高密度3种类型。其流变机理特别是高密度浊流的流动机制和过程目前仍存在争议。从分布状态、触发机制、悬浮过程、沉积速率等方面展开探索,构建出浊流本体的动力侵蚀带、前部调节带、沉积卸载带、后部调节带、动力平衡带5个动力变形部分。从流动机制来说动力侵蚀带由于高度流动其形态保持相对固定,挟裹粗粒沉积物拖曳后面发散状细粒沉积物形成云雾状水流轨迹;沉积卸载带在混合作用下其流动时间和空间上仅有缓慢变化,当流动分离产生的湍动力不能超过粘滞强度的阻尼效应时,沉积物发生卸载顺次堆积;调节带和平衡带则起到动力转换、连接前后结构体、平衡沉积/侵蚀作用的功能。此外,浊流大规模高速流动必然增加其结构的不稳定性和支撑机制的多样化,这也是它与重力流其它类型之间存在过渡、改造和转化的根本原因。     

牙轮钻头动力学模型的建立与仿真分析

在牙轮钻头几何学、运动学和钻头与岩石互作用静力学模型的基础上，对钻进过程进行适当简化后，建立了牙轮钻头动力学模型，主要包括钻头纵向动力学模型、钻头横向动力学模型和钻头扭转振动模型。在建立钻头动力学模型的基础上，完成了牙轮钻头动力学仿真分析软件的设计，利用该软件实现了对牙轮钻头动力学仿真分析计算，并与静力学模型的仿真计算结果进行分析对比，得出了影响钻头、钻柱动力学性能的因素除与钻头结构、牙齿结构、岩石性质和钻井参数有关外，还与钻具结构和钻具的组合形式有较大关系等结论。     

电场破乳分散相液滴形变力学初探

从微观角度对电场中乳化液的极化液滴进行受力分析,并对其形变进行了深入的研究,给出了电场力与液滴大小、表面张力及变形形态之间的数学关系式,分析了影响液滴变形的各种因素,建立了相关数学模型,通过数值求解模拟液滴在拉伸电场作用下的变形形态,与实际液滴变形及现有的椭球形模型进行对比和相应的理论分析,较好地解释了液滴尖端变形现象。     

油水乳状液在电场作用下的力学计算

乳状液是一种复杂的液-液复杂分散体系,其分散程度与体相及界面层的流变性质密切相关。根据W/O乳状液液滴模型,分析了油水乳状液在电场作用下相关力学行为及其势能分布。分别应用Poisson-Boltzmann方程与Poisson-Smoluchowski方程揭示了阻止液滴絮凝的势垒关系,解析了乳状液的界面张力、分散相界面电势与电荷密度的关系、双电层势、分散相液滴之间的感应势等影响乳状液稳定性的因素,对于应用电方法进行破乳作业具有较重要的指导作用。     

脉冲电场下W/O乳状液中水滴聚并行为的可视化研究

采用显微实验方法,全面考察高频高压脉冲电场下W/O乳状液中水滴的聚并行为。结果表明,实验范围内,随着脉冲电场强度、占空比和频率的增加,W/O乳状液中的水滴相互靠近的速率相应增大;当聚并时刻比超过0.8,水滴的靠近速率迅速增加。在脉冲电场中,W/O乳状液中的水滴融合时间与电场参数间并无直接关系,而与油-水界面张力紧密相关;油-水界面张力越大,水滴融合速率越快。静电脱水过程中,施加于W/O乳状液的电场强度应小于过度极化临界电场强度,否则将显著降低乳状液破乳脱水效果。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。     

海洋油田原油乳化液高频/高压交流电脱水实验

采用自行设计的矩形波高频/高压脉冲交流电源和静电聚结器,以取自海洋油田原油配制的含水率分别为5%和20%的2种W/O型原油乳化液为研究对象,对原油乳化液进行了高频/高压静态电脱水实验,与工频/高压交流电源的脱水效果作对比,并测量了乳化液在施加电场前后的电导率。结果表明,相比工频交流电场,高频/高压脉冲交流电场对原油乳化液具有更好的破乳脱水效果;W/O型原油乳化液最佳脱水频率范围在1400~1500 Hz;高频/高压脉冲电场对W/O型乳化液的电导率参比值有明显影响,乳化液在电场作用后的电导率明显高于施加电场前的电导率,同时电导率参比值随电场强度和频率的变化也会发生变化,因此也可以作为评价原油乳化液脱水效果的指标。     

塔河油田酸化油高频脉冲电脱水实验研究及现场应用

针对塔河油田酸化油乳化程度高,常规方法无法实现深度脱水的问题,通过高频脉冲电脱水单因素实验,考察脱水电压、频率、脉宽比和温度4个因素对脱水性能的影响。实验结果表明,高频脉冲电脱水的最佳参数为电压1 300 V、频率16 kHz、脉宽比70%。现场试验表明,高频脉冲电脱水装置在设计处理量以内运行时,能有效地将酸化油、老化油含水率降低至1%以下,经济效益显著。     

高压交流电场中单液滴振荡特性实验

 以白油和水为实验介质,利用显微高速摄像系统结合图像处理技术对高压交流电场(AC)作用下水滴在油中的振荡特性进行了研究,考察了电场强度、频率、油品黏度、介电常数、油-水界面张力以及液滴直径对液滴伸缩变形幅度的影响。结果表明,交流电场作用下液滴变形度呈周期性变化,且变形度变化频率是电场变化频率的2倍;液滴变形度主要受电场强度、液滴直径、油-水界面张力等因素的影响,而液滴伸缩变形幅度受电场频率、油品黏度和油-水界面张力的影响明显;在50~300 Hz的交流电场中,电场频率越大、油品黏度越高、油-水界面张力越低,液滴的伸缩变形幅度越小;电场强度和直径对液滴伸缩变形幅度的影响不明显。     

剪切流场中分散相液滴形变三维力学模型论证

针对乳化液破乳机理研究中剪切流场作用下分散相液滴形变模型选择的问题,通过改进设计内、外桶反向旋转剪切实验装置,并结合数字图像处理技术,从实验的角度率先对液滴变形的基本模型进行验证,实验结果表明,液滴在剪切流场中发生三维力学变形。在此基础上进一步对其变形规律及变形机理进行了一定的实验及理论探讨,提出了液滴形变非仿射度概念。通过对剪切流场中变形液滴表面应力分布进行模拟,提出了更加准确的液滴模型描述方法,为今后精确变形液滴形态数学模型的建立打下基础。     

Viscosity Reduction of Heavy and Extra Heavy Crude Oils by Pulsed Electric Field

Abstract

The ever-increasing world energy demand would require the use of all hydrocarbon resources available, especially heavy and extra-heavy crude oils in the near future. However, transportation of these crudes is very difficult due to their high viscosity and low mobility. There are many different methods to reduce heavy crude oil viscosity. Some of these methods are heating, blending, water-in-oil emulsion formation, upgrading, and core annular flow. But each of these methods has several problems. The aim of this research is to investigate a new method to reduce viscosity for pipeline transportation. In this method asphalt molecules, which are mainly responsible for high viscosity, are aggregated temporarily to micronized clusters while going through a pulsed electric field, causing a reduction of the viscosity. This method does not change the oil's temperature and is very suitable for underwater pipelines. The authors applied electric fields in the range of 0.5 to 1.8 KV/mm an Iranian heavy crude oil and viscosity reduction up to 7% was observed.