定量表征流场剪切对油水乳化过程界面自由能贡献的方法技术

本发明专利技术涉及的是定量表征流场剪切对油水乳化过程界面自由能贡献的方法，它包括：（一）流场剪切作用下油水乳化液滴的变形描述；（二）流场剪切应力与乳化液滴油‑水界面张力的关系建立；（三）流场剪切作用下油水乳化液滴的变形特征参数获取；（四）油水乳化过程流场剪切能与界面自由能变的关联；（五）流场剪切对油水乳化过程界面自由能贡献的定量表征；（六）重复步骤（二）至（五），定量另一物性油水介质、或另一特性流场中油水乳化过程的流场剪切能与界面自由能变，实现不同特性流场剪切对不同物性油水乳化过程界面自由能贡献的定量表征。本发明专利技术解决对油田集输系统剪切流场中油水乳化行为及其乳化液滴受力、变形微尺度描述的问题。

A Method for Quantitatively Characterizing the Contribution of Flow Shear to Interface Free Energy in Oil-Water Emulsification Process

The invention relates to a method for quantitatively characterizing the contribution of flow field shear to interfacial free energy in oil-water emulsification process, which includes: (1) description of deformation of oil-water emulsified droplets under flow field shear; (2) establishment of the relationship between flow field shear stress and interfacial tension of oil-water emulsified droplets; (3) oil-water emulsion under flow field shear action. Obtainment of deformation characteristic parameters of droplets; (4) correlation between shear energy of flow field and interfacial free energy variation in oil-water emulsification; (5) quantitative characterization of contribution of flow field shear to interfacial free energy in oil-water emulsification; (6) repetitive steps (2) to (5) quantitative determination of another physical oil-water medium or another characteristic flow field The flow field shear energy and interfacial free energy change in oil-water emulsification process, which can quantitatively characterize the contribution of flow field shear to interfacial free energy in different physical properties of oil-water emulsification process. The invention solves the problems of oil-water emulsification behavior in shear flow field of oil gathering and transportation system and micro-scale description of force and deformation of emulsified droplets.

【技术实现步骤摘要】
定量表征流场剪切对油水乳化过程界面自由能贡献的方法一、
：本专利技术涉及的是油田地面工艺中，解决油水混合介质集输时，在流场剪切作用下油水乳化行为及其乳化液滴的受力、变形描述，尤其是对剪切流场中油水乳化过程界面自由能贡献定量表征的技术难题，具体涉及的是定量表征流场剪切对油水乳化过程界面自由能贡献的方法。二、
技术介绍
：油田开发过程中，原油大部分以乳化液的形式采出，一般是一种水珠分散于油相中的油包水(W/O)体系，或油珠分散于水相中的水包油(O/W)体系，尤其随着油藏开发进入中高含水期及二、三次采油措施的相继实施，油田乳化液的形成与存在非常的普遍，且往往在井筒及地面集输系统剪切流场中导致以多重型油水乳化液(O/W/O或W/O/W)为主(ZhangFan(张帆)，WangFubin(王福宾)，ZhangShixing(张石兴)，Oil-GasFieldSurfaceEngineeringy(油气田地面工程)，2005，24(12)：2～3；XuMingjin(徐明进)，LiMingyuan(李明远)，PengBo(彭勃)，WuZhaoliang(吴肇亮)，LinMeiqin(林梅钦)，GuoJixiang(郭继香)，JournalofChinaUniversityofPetroleum(中国石油大学学报(自然科学版))，2007，31(4)：139～143)。尽管关于油水乳化液的这些类型具有成熟的方法可以鉴别，但对于其成型与稳定的内在机制描述仍比较局限，如目前已有共识认为“除了内外相组成特性及油水界面性质等内部因素外，外部剪切作用对油水乳化液体系的热力学及动力学稳定性具有重要影响，且随着体系界面能的降低、剪切强度的增加，乳化液成型变易、稳定性增强”(LiuYang(刘扬)，Oil&GasGatheringandTransferring(油气集输)，2015)，但这种认识与理解仅局限于定性描述，尤其是缺少将外部剪切作用和内部界面性质对油水乳化机制的影响相关联。作为垂直于流体流动方向且具有速度梯度的剪切流场，其普遍存在于油田集输系统的管道、泵机组及管路沿线弯头等各不同生产节点，这种流场剪切不同程度作用于油井采输的不同物性油水介质，使在地层、特别是在近井地带及射孔炮眼等区域形成的原始油水乳化液滴发生变形，在相间界面改变引起正相关于油水乳化行为的界面自由能变化的同时，这种变形会在一定程度上促进乳化液滴中内相的分散与稳定，但油水乳化液滴的粒径本身就小(一般分布在0.1～100μm)，这种微尺度的变形便需联合乳化液滴的形状及取向进行描述，并通过构建三维空间坐标系进行静力平衡分析。与此同时，剪切流场中油水混合介质的运动矢量，如速度、受力均具有方向性，给相关问题的定量研究及运算又带来很多不便。然而，流场剪切做功所生成的能量作为标量，给能够突破关于流场剪切效应、油水界面自由能变与油水乳化机制之间关系的定性分析提供了可能和途径。为此，专利技术一种定量表征流场剪切对油水乳化过程界面自由能贡献的方法，解决油水混合介质集输过程中，在流场剪切作用下油水乳化行为及其乳化液滴的受力、变形描述，以及对剪切流场中油水乳化过程界面自由能贡献的定量表征，对于剪切流场中油水乳化作用机制的再现与深刻揭示、油水乳化液成型与稳定理论的丰富与拓展具有重要价值，同时有益于促进油田地面高效破乳技术的开发与设计应用工作。三、
技术实现思路
：本专利技术的目的是提供定量表征流场剪切对油水乳化过程界面自由能贡献的方法，它用于解决对油田集输系统剪切流场中油水乳化行为及其乳化液滴受力、变形微尺度描述的问题，尤其是解决对流场剪切效应、油水界面自由能变与油水乳化机制之间的关系因油水混合介质运动矢量具有方向性而不便运算的制约，目前仅局限于定性分析和描述而未实现定量表征的问题。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：这种定量表征流场剪切对油水乳化过程界面自由能贡献的方法：(一)流场剪切作用下油水乳化液滴的变形描述:对任一流场剪切作用下、不同程度形变发生后的油水乳化液滴描述为半径分布各异的椭球状液滴，并与流动方向呈一定角度的取向角，由于在油田普遍集输系统温度、压力下油水介质的不可压缩性，流场剪切作用引起变形过程中乳化液滴的体积能被认为是一个常数，而当球状油水乳化液滴在三维空间z轴方向的变形值为δx时，由于变形的轴对称性，三维空间x轴和y轴方向上发生相同的变形值kδx，进而构成椭球长轴4和椭球短轴5，据油田普遍集输系统温度、压力下油水介质的不可压缩性有：式中：rd为原始球状油水乳化液滴的半径，m；δx为流场剪切作用下球状油水乳化液滴在三维空间z轴方向上的变形值，m；k为流场剪切作用下油水乳化液滴的变形收缩系数，k∈(0,1)；kδx为流场剪切作用下球状油水乳化液滴在三维空间x轴和y轴方向上的变形值，m；从而，任一流场剪切作用下油水乳化液滴的变形收缩系数可被表达为：在流场剪切带来的适度形变速率下，球状油水乳化液滴在任一坐标轴方向上的变形值远小于液滴半径，化简得到流场剪切作用下油水乳化液滴的变形收缩系数由此完成流场剪切作用下油水乳化液滴的变形描述；(二)流场剪切应力与乳化液滴油-水界面张力的关系建立：将控制流场剪切作用下所变形并发生取向角椭球状油水乳化液滴平衡的受力划分为恢复力、粘性剪切应力和内压力，由变形圆周面上油-水界面张力引起的、反向于形变方向的液滴形状恢复力为：Fσ＝2π(rd-kδx)σ液滴椭球面上经受的粘性剪切应力为：液滴的内压力为：Fp＝π(rd-kδx)2Pd-c对于半椭球油水乳化液滴，根据静力平衡有：Fσ＝Fp+Fτ引入拉普拉斯方程：同时，结合步骤(一)对流场剪切作用下油水乳化液滴变形描述中所确定的油水乳化液滴变形收缩系数，建立流场剪切应力与乳化液滴油-水界面张力之间的关系：上式中：Fσ为恢复力，N；Fτ为粘性剪切应力，N；Fp为内压力，N；σ为油-水界面张力，N/m；τ为流场剪切应力，N；Pd-c为油水乳化液滴分散相与周围连续相间的压差；α为流场剪切作用下油水乳化液滴变形时被同步诱发的取向角，rad；rd为原始球状油水乳化液滴的半径，m；δx为球状油水乳化液滴在三维空间z轴方向上的变形值，m；k为流场剪切作用下油水乳化液滴的变形收缩系数，k∈(0,1)；kδx为球状油水乳化液滴在三维空间x轴和y轴方向上的变形值，m；完成流场剪切应力与乳化液滴油-水界面张力的关系建立；(三)流场剪切作用下油水乳化液滴的变形特征参数获取：采用变形度D来表征原始呈球状油水乳化液滴在不同流场剪切作用下形成为半径分布各异椭球状时的变形特征，并定义：同时根据油水乳化液滴所受粘性剪切应力和其内部油-水间界面张力的分布，定义两个相关于油水介质物性的系数ψ和λ：当相比于流场粘性力，完全由油-水界面张力主导油水乳化液滴的变形时，也就是液滴形状恢复力占优时：此时，有变形特征参数的临界下限值：δx→0，当相比于油-水界面张力，完全由流场粘性力主导油水乳化液滴变形时，也就是液滴经受的粘性剪切应力占优时：此时，有变形特征参数的临界上限值：当流场粘性力和油-水界面张力共同发挥作用时：此时，上式中：D为流场剪切作用下油水乳化液滴的变形度；α为流场剪切作用下油水乳化液滴变形时被同步诱发的取向角，rad；ψ为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种定量表征流场剪切对油水乳化过程界面自由能贡献的方法，其特征在于：这种定量表征流场剪切对油水乳化过程界面自由能贡献的方法：(一)流场剪切作用下油水乳化液滴的变形描述：对任一剪切流场(1)剪切作用下、不同程度形变发生后的油水乳化液滴描述为半径分布各异的椭球状液滴(3)，并与流动方向呈一定角度的取向角(6)，由于在油田普遍集输系统温度、压力下油水介质的不可压缩性，流场剪切作用引起变形过程中乳化液滴的体积被认为是一个常数，当球状液滴半径(2)在三维空间z轴方向的变形值为δx时，由于变形的轴对称性，三维空间x轴和y轴方向上将发生相同的变形值kδx，进而构成椭球长轴(4)和椭球短轴(5)，据油田普遍集输系统温度、压力下油水介质的不可压缩性有：

【技术特征摘要】
1.一种定量表征流场剪切对油水乳化过程界面自由能贡献的方法，其特征在于：这种定量表征流场剪切对油水乳化过程界面自由能贡献的方法：(一)流场剪切作用下油水乳化液滴的变形描述：对任一剪切流场(1)剪切作用下、不同程度形变发生后的油水乳化液滴描述为半径分布各异的椭球状液滴(3)，并与流动方向呈一定角度的取向角(6)，由于在油田普遍集输系统温度、压力下油水介质的不可压缩性，流场剪切作用引起变形过程中乳化液滴的体积被认为是一个常数，当球状液滴半径(2)在三维空间z轴方向的变形值为δx时，由于变形的轴对称性，三维空间x轴和y轴方向上将发生相同的变形值kδx，进而构成椭球长轴(4)和椭球短轴(5)，据油田普遍集输系统温度、压力下油水介质的不可压缩性有：式中：rd为原始球状油水乳化液滴的半径，m；δx为流场剪切作用下球状油水乳化液滴在三维空间z轴方向上的变形值，m；k为流场剪切作用下油水乳化液滴的变形收缩系数，k∈(0,1)；kδx为流场剪切作用下球状油水乳化液滴在三维空间x轴和y轴方向上的变形值，m；从而，任一流场剪切作用下油水乳化液滴的变形收缩系数表达为：在流场剪切带来的适度形变速率下，球状油水乳化液滴在任一坐标轴方向上的变形值远小于球状液滴半径(2)，化简得到流场剪切作用下油水乳化液滴的变形收缩系数完成对流场剪切作用下油水乳化液滴的变形描述；(二)流场剪切应力与乳化液滴油-水界面张力的关系建立：将控制剪切流场(1)中流场剪切作用下所变形并发生取向角(6)的椭球状液滴(3)平衡的受力划分为恢复力(8)、粘性剪切应力(9)和内压力(10)，由变形圆周面上油-水界面张力引起的、反向于形变方向的液滴形状恢复力(8)为：Fσ＝2π(rd-kδx)σ液滴椭球面上经受的粘性剪切应力(9)为：液滴的内压力(10)为：Fp＝π(rd-kδx)2Pd-c对于半椭球液滴(7)，根据静力平衡有：Fσ＝Fp+Fτ引入拉普拉斯方程：同时，结合步骤(一)对流场剪切作用下油水乳化液滴变形描述中所确定的油水乳化液滴变形收缩系数，建立流场剪切应力与乳化液滴油-水界面张力之间的关系：上式中：Fσ为恢复力，N；Fτ为粘性剪切应力，N；Fp为内压力，N；σ为油-水界面张力，N/m；τ为流场剪切应力，N；Pd-c为油水乳化液滴分散相与周围连续相间的压差；α为流场剪切作用下油水乳化液滴变形时被同步诱发的取向角，rad；rd为原始球状油水乳化液滴的半径，m；δx为球状油水乳化液滴在三维空间z轴方向上的变形值，m；k为流场剪切作用下油水乳化液滴的变形收缩系数，k∈(0,1)；kδx为球状油水乳化液滴在三维空间x轴和y轴方向上的变形值，m；完成剪切流场中流场剪切应力与乳化液滴油-水界面张力的关系建立；(三)流场剪切作用下油水乳化液滴的变形特征参数获取：采用变形度D来表征原始呈球状油水乳化液滴在不同流场剪切作用下形成为半径分布各异椭球状液滴(3)时的变形特征，并定义：同时根据油水乳化液滴所受粘性剪切应力(9)和其内部油-水间界面张力的分布，定义两个相关于油水介质物性的系数ψ和λ：当相比于流场粘性力，完全由油-水界面张力主导油水乳化液滴的变形时，液滴形状恢复力(8)占优时：此时，有变形特征参数的临界下限值：δx→0，当相比于油-水界面张力，完全由流场粘性力主导油水乳化液滴变形时，液滴经受的粘性剪切应力(9)占优时：此时，有变形特征参数的临界上限值：当流场粘性力和油-水界面张力共同发挥作用时：此时，上式中：D为流场剪切作用下油水乳化液滴的变形度；α为流场剪切作用下油水乳化...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志华，刘扬，钟会影，周楠，许云飞，甘亦凡，
申请(专利权)人：东北石油大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23