CN108918347A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

本发明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。

Description

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、技术领域：
本发明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、背景技术：
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)，Wang Fubin(王福宾)，Zhang Shixing(张石兴)，Oil-Gas Field SurfaceEngineeringy(油气田地面工程)，2005，24(12)：2～3；Xu Mingjin(徐明进)，Li Mingyuan(李明远)，Peng Bo(彭勃)，Wu Zhaoliang(吴肇亮)，Lin Meiqin(林梅钦)，Guo Jixiang(郭继香)，Journal of China University of Petroleum(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”(Liu Yang(刘扬)，Oil&Gas Gathering and Transferring(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，发明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、发明内容：
本发明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。
本发明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为揭示使液滴拉伸的粘性剪切应力与维持液滴球状的界面张力之间竞争机制的系数；λ为分散相与连续相的粘度比；a和b分别为变形后椭球状油水乳化液滴的长轴长和短轴长，m；μd为分散相的粘度，Pa·s；μc为连续相的粘度，Pa·s；τ为流场剪切应力，N；为流场剪切作用下变形油水乳化液滴的等效粒径，m；σ为油-水界面张力，N/m；
完成流场剪切作用下油水乳化液滴变形特征参数的获取；
(四)油水乳化过程流场剪切能与界面自由能变的关联：将流场剪切做功生成的能量作为剪切能，该能量是促进一定物性油水介质乳化的驱动力，突破流体运动矢量具有的方向性在很大程度上制约定量化运算、描述和表征流场剪切作用的局限，通过下式揭示特定流场剪切做功所生成的标量——剪切能：
ΔEs＝τ·dAs·dLs
考虑界面自由能变是在描述油水乳化液滴发生形变时，表征扩展分散相和连续相界面所消耗的功与增加的表面积互成正比关系的一项比例系数，所以：
∫ΔGdAs＝∫σdAs
根据步骤(二)建立流场剪切应力与乳化液滴油-水界面张力的关系，关联得到：
上式中：ΔEs为特定流场中的剪切能，J；ΔG为界面自由能变，J/m2；As为扩展界面的表面积，也就是流场剪切面积，m2；Ls为流场剪切距离，m；τ为流场剪切应力，N；σ为油-水界面张力，N/m；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；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；
由此完成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：根据步骤(三)油水乳化液滴的变形特征参数临界值和步骤(四)剪切能与界面自由能变的关联式，当相比于粘性力，完全由油-水界面张力主导油水乳化液滴变形时，相当于是启动油水乳状液原始界面扩展需要克服的界面自由能；当相比于油-水界面张力，完全由粘性力主导油水乳化液滴变形时，ΔG＝0，相当于是油水乳状液界面实现最大程度扩展后需要克服的界面自由能；继而，剪切能成为克服油水乳化过程界面自由能的能量形式，作为定量表征流场剪切对油水乳化过程界面自由能的贡献，剪切能越高的流场区域，其贡献于界面自由能的降低而使该流场区域的界面自由能越低，油水乳化行为越剧烈，流场剪切能便是体现油水混合物动能对其乳化过程中界面自由能贡献的一种有效形式；
由此完成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)、(三)、(四)和(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。
上述方案中原始球状油水乳化液滴的半径rd及流场剪切作用下变形油水乳化液滴的等效粒径均采用激光粒度法测试获得。
上述方案中油-水界面张力σ采用旋滴法测试获得。
上述方案中分散相的粘度μd和连续相的粘度μc均采用旋转法测试获得。
上述方案中流场剪切应力τ采用幂律模型确定，本式中流场剪切速率的计算根据具体流场特性区分层流流态和紊流流态，稠度系数K和流变指数n则通过测试具体物性油水乳化液的流变性曲线获得。
有益效果：
(一)本发明对剪切流场中油水乳化液滴的变形描述为与流动方向呈一定角度取向角，且以一定半径分布的椭球状液滴，相比于规则球状分散模式的描述，既与实际流场剪切效应相契合，又有益于从三维空间构建更符合于各种工况剪切流场环境的乳化液滴受力、变形描述方程，保证定量化、科学化实现对剪切流场中油水乳化液滴变形的微尺度描述。
(二)本发明充分考虑油水乳化液滴在剪切流场中变形收缩过程所受的内力和外力，建立了流场剪切应力与乳化液滴油-水界面张力之间的关系，为流场剪切作用与油水乳化机制的定量关联形成了重要的基础，使流场剪切效应对油水乳化机制作用及其贡献的解释从传统的定性延伸到定量成为了可能。
(三)本发明对油水乳化液滴变形特征参数的获取，既着眼于油水介质物性与流场特性的对应性、油水乳化体系分散相与连续相的分布性，同时兼顾油田集输系统剪切流场油水乳化液的界面特性和非牛顿行为，避免了工况不具代表性及对乳化转相特征分析的缺失，进而保证了油水乳化液滴变形特征参数获取的实效性，有益于在真实工况集输系统油水乳化行为的表征及相应破乳技术开发中可靠应用。
(四)本发明突破剪切流场中运动矢量具有方向性而对运算带来的不便，从流场剪切做功生成标量——剪切能这一能量形式出发，有效构建了流场剪切作用机制与油水界面自由能变的关系，形成了“流场剪切能是体现油水混合物动能对其乳化过程中界面自由能贡献的一种有效形式”的新认识，并实现了流场剪切对油水乳化过程界面自由能贡献的定量表征，为更加科学、深入地揭示剪切流场中油水乳化作用机制提供了有益的方法和借鉴。
(五)本发明根据多相流体动能与相间界面自由能的相关性，关联并表征流场剪切作用对油水乳化过程界面自由能的影响，原理明确、可行，方法科学、可靠，能突破传统仅对流场剪切效应与油水乳化机制的关系定性描述的局限，有效提供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，科学性、可操作性及实用性强，能够为油田集输系统不同生产节点油水乳化行为的深刻揭示与有效识别提供有益方法和依据，同时丰富并拓展油水乳化液成型与稳定理论，并指导油田地面高效破乳技术的开发与设计应用。
四、附图说明：
图1为本发明方法的原理示意图；
图2是图1的A-A立体剖面图；
图3为集输管道流场区域和90°弯头流场区域油水乳化液滴的等效粒径分布；
图4为集输管道流场区域和90°弯头流场区域油水乳化液的流特征变曲线；
图5定量构建流场剪切能与油水界面自由能变的对应关系。
1剪切流场 2球状液滴半径 3椭球状液滴 4椭球长轴 5椭球短轴 6取向角 7半椭球液滴 8恢复力 9粘性剪切应力 10内压力。
五、具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
如图1所示，在垂直于油水介质流动方向上具有速度梯度的剪切流场1中，流场剪切作用使原始球状油水乳化液滴产生形变，球状液滴半径2发生一变形值而变形为椭球状液滴3，并诱发一取向角6，同时由于变形的轴对称性，椭球长轴4和椭球短轴5具有相同的、且与球状液滴半径2的变形值呈等比例的一变形值。
如图2所示，对于变形后的椭球状液滴3，其半椭球液滴7受油-水界面张力引起的、反向于形变方向的液滴形状恢复力8、液滴椭球面上的粘性剪切应力9、液滴的内压力10而达到静力平衡。
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)原始呈球状的油水乳化液滴在任一流场剪切作用下会具有适度的形变速率，对于任一剪切流场1，考虑流场剪切作用会使原始呈球状的油水乳化液滴具有适度的形变速率，将在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能被认为是一个常数，而当球状液滴半径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，则有：
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仍然要远小于球状液滴半径2，于是可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对流场剪切作用下油水乳化液滴的变形描述。
(二)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
则对于半椭球液滴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，联合上述各式即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。
由此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。
重复该步骤，可建立另一物性油水介质、或另一特性流场中流场剪切应力与乳化液滴油-水界面张力的关系。
(三)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，也就是液滴形状恢复力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，也就是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液滴变形时被同步诱发的取向角，rad；ψ为揭示使液滴拉伸的粘性剪切应力与维持液滴球状的界面张力之间竞争机制的系数；λ为分散相与连续相的粘度比；a和b分别为变形后椭球形油水乳化液滴的长轴长和短轴长，m；μd为分散相的粘度，Pa·s；μc为连续相的粘度，Pa·s；τ为流场剪切应力，N；为流场剪切作用下变形油水乳化液滴的等效粒径，m；σ为油-水界面张力，N/m。
与此同时，针对某物性的油水介质，采用激光粒度法测试获得原始油水乳化液滴的半径rd，采用旋滴法测试获得油-水界面张力σ，采用旋转法测试获得分散相的粘度μd和连续相的粘度μc，通过测试流变曲线获得油水乳化液的稠度系数K和流变指数n；针对具体的剪切流场特性，采用激光粒度法测试获得该流场剪切作用下变形油水乳化液滴的等效粒径并由雷诺数区分层流流态和紊流流态，计算流场剪切速率继而采用幂律模型确定流场粘性力存在使液滴拉伸的剪切应力τ。由此完成流场剪切作用下油水乳化液滴变形特征参数的获取。
重复该步骤，可获取另一物性油水介质、或另一特性流场中油水乳化液滴的变形特征参数。
(四)将流场剪切做功生成的能量作为剪切能，该能量便是促进某一定物性油水介质乳化行为发生的驱动力，突破运动矢量具有的方向性在很大程度上制约定量化运算、描述和表征流场剪切作用的局限，通过下式揭示特定流场剪切做功所生成的标量——剪切能：
ΔEs＝τ·dAs·dLs
考虑界面自由能变是在描述油水乳化液滴发生形变时，表征扩展分散相和连续相界面所消耗的功与增加的表面积互成正比关系的一项比例系数，所以：
∫ΔGdAs＝∫σdAs
根据步骤(二)建立流场剪切应力与乳化液滴油-水界面张力的关系，便可关联得到：
上式中：ΔEs为特定流场中的剪切能，J；ΔG为界面自由能变，J/m2；As为扩展界面的表面积，也就是流场剪切面积，m2；Ls为流场剪切距离，m；τ为流场剪切应力，N；σ为油-水界面张力，N/m；rd为原始呈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；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。
由此完成油水乳化过程流场剪切能与界面自由能变的关联。
重复该步骤，可关联另一物性油水介质、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。
(五)根据步骤(三)油水乳化液滴的变形特征参数临界值和步骤(四)剪切能与界面自由能变的关联式，当相比于粘性力，完全由油-水界面张力主导油水乳化液滴变形时，相当于是启动油水乳状液原始界面扩展需要克服的界面自由能；当相比于油-水界面张力，完全由粘性力主导油水乳化液滴变形时，ΔG＝0，相当于是油水乳状液界面实现最大程度扩展后需要克服的界面自由能。继而，剪切能成为克服油水乳化过程界面自由能的能量形式，也就作为定量表征流场剪切对油水乳化过程界面自由能的贡献，剪切能越高的流场区域，其贡献于界面自由能的降低而使该流场区域的界面自由能越低，油水乳化行为越剧烈，流场剪切能便是体现油水混合物动能对其乳化过程中界面自由能贡献的一种有效形式。由此完成流场剪切对油水乳化过程界面自由能贡献的定量表征。
重复步骤(二)、(三)、(四)和(五)，可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。
此发明主要为五步法，即流场剪切作用下油水乳化液滴的变形描述、流场剪切应力与乳化液滴油-水界面张力的关系建立、流场剪切作用下油水乳化液滴的变形特征参数获取、油水乳化过程流场剪切能与界面自由能变的关联、以及流场剪切对油水乳化过程界面自由能贡献的定量表征，其中一、二步为油水乳化液滴变形的微尺度描述及受力平衡关系建立，三、四、五步为突破剪切流场运动矢量具有方向性而对运算带来的不便，从能量形式构建流场剪切作用机制与油水界面自由能变关系的实现。针对剪切流场中油水乳化行为及其乳化液滴的受力、变形，特别是流场剪切对油水乳化过程界面自由能贡献的定量表征，能够实现对不同物性油水介质经历不同流场剪切时油水乳化液滴的变形描述及其变形特征参数获取，保证再现油水混合物动能的能量形式与乳化过程油水界面自由能相关联的对应性和统一性，并充分考虑油水乳化液的界面特性和非牛顿行为，构建助解剪切流场中油水乳化作用机制科学、深入揭示难题的科学有效方法，提供保障油水乳化液高效集输及后续处理的有益思路和途径。
保密实验：
采用本发明所述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进行了保密性实验，实验对象为布设有90°弯头、规格为DN50的一条集输管道，集输介质为含水率55％的油水混合物，流量为50t/d，原油胶凝温度为35.6℃，集输温度38℃下的连续相原油粘度为29.6mPa.s，分散相水的粘度为0.9mPa.s，油-水界面张力23.6mN/m。
图3为集输管道流场区域和90°弯头流场区域油水乳化液滴的等效粒径分布。
图4为集输管道流场区域和90°弯头流场区域油水乳化液的流特征变曲线。
通过对流态、粘度比及粘性剪切应力与油-水界面张力竞争关系系数的分析，获取集输工况下油水乳化液滴在集输管道流场区域和90°弯头流场区域的变形特征参数：
集输管道流场区域：球状油水乳化液滴在z轴方向上的变形值δx＝1.268μm，剪切作用下油水乳化液滴变形时被同步诱发的取向角α＝0.2536πrad。
90°弯头流场区域：球状油水乳化液滴在z轴方向上的变形值δx＝5.346μm，剪切作用下油水乳化液滴变形时被同步诱发的取向角α＝0.459πrad。
从而，定量构建流场剪切能与油水界面自由能变的对应关系，如图5所示：
显然，剪切能是克服油水乳化过程界面自由能的一种能量形式，含水率55％的油水混合物在流场突变的特殊区域，如相比于正常集输管道流动，在90°弯头流动中，油水界面自由能变急剧减小，从单位面积的8.56J减小到0.27J，流场中的剪切能则大幅增大，从单位面积、单位距离的4.29J/增大到9.72J，揭示出剪切能越高的流场区域，其贡献于界面自由能的降低而使该流场区域的界面自由能越低，油水乳化行为越剧烈，乳化稳定性越强，因此，流场剪切能便是体现油水混合物动能对其乳化过程中界面自由能贡献的一种有效形式，从而也就基于本发明方法实现了对流场剪切贡献于油水乳化过程界面自由能的定量表征。
本发明很好地应对了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，特别是解决了目前对流场剪切效应、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存在方向性的制约而仅局限于定性描述的问题。在对剪切流场中油水乳化液滴变形特征描述的基础上，建立了流场剪切应力与乳化液滴油-水界面张力之间的关系，给出了油水乳化液滴变形特征参数获取的方法，从流场剪切做功生成剪切能这一能量形式出发，有效构建了流场剪切作用机制与油水界面自由能变的关系，形成了“流场剪切能是体现油水混合物动能对其乳化过程中界面自由能贡献的一种有效形式”的新认识，能够实现流场剪切对油水乳化过程界面自由能贡献的定量表征。原理明确、过程清晰、方法科学、可操作性及实用性强，便于为油田集输系统不同生产节点油水乳化行为的深刻揭示与有效识别提供方法和依据，同时指导并促进油田地面高效破乳技术的开发与设计应用，尤其通过作为标量的能量体现形式实现流场剪切对油水乳化过程界面自由能贡献的定量表征，能够为剪切流场中油水乳化液成型与稳定理论的丰富及拓展提供重要基础。

Claims (5)

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液滴变形时被同步诱发的取向角，rad；ψ为揭示使液滴拉伸的粘性剪切应力与维持液滴球状的界面张力之间竞争机制的系数；λ为分散相与连续相的粘度比；a和b分别为变形后椭球形油水乳化液滴的长轴长和短轴长，m；μd为分散相的粘度，Pa·s；μc为连续相的粘度，Pa·s；τ为流场剪切应力，N；为流场剪切作用下变形油水乳化液滴的等效粒径，m；σ为油-水界面张力，N/m；
完成流场剪切作用下油水乳化液滴变形特征参数的获取；
(四)油水乳化过程流场剪切能与界面自由能变的关联：将流场剪切做功生成的能量作为剪切能，该能量是促进某一定物性油水介质乳化行为发生的驱动力，突破运动矢量具有的方向性在很大程度上制约定量化运算、描述和表征流场剪切作用的局限，通过下式揭示特定流场剪切做功所生成的剪切能：
ΔEs＝τ·dAs·dLs
考虑界面自由能变是在描述油水乳化液滴发生形变时，表征扩展分散相和连续相界面所消耗的功与增加的表面积互成正比关系的一项比例系数，所以：
∫ΔGdAs＝∫σdAs
根据步骤(二)建立流场剪切应力与乳化液滴油-水界面张力的关系，关联得到：
上式中：ΔEs为特定流场中的剪切能，J；ΔG为界面自由能变，J/m2；As为扩展界面的表面积，也就是流场剪切面积，m2；Ls为流场剪切距离，m；τ为流场剪切应力，N；σ为油-水界面张力，N/m；rd为原始呈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；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；
完成对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：根据步骤(三)油水乳化液滴的变形特征参数临界值和步骤(四)剪切能与界面自由能变的关联式，当相比于粘性力，完全由油-水界面张力主导油水乳化液滴变形时，是启动油水乳状液原始界面扩展需要克服的界面自由能；当相比于油-水界面张力，完全由粘性力主导油水乳化液滴变形时，ΔG＝0，是油水乳状液界面实现最大程度扩展后需要克服的界面自由能；继而，剪切能成为克服油水乳化过程界面自由能的能量形式，作为定量表征流场剪切对油水乳化过程界面自由能的贡献，剪切能越高的流场区域，其贡献于界面自由能的降低而使该流场区域的界面自由能越低，油水乳化行为越剧烈，流场剪切能是体现油水混合物动能对其乳化过程中界面自由能贡献的一种有效形式，完成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)、(三)、(四)、(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。
2.根据权利要求1所述的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：所述的原始球状油水乳化液滴的半径rd及流场剪切作用下变形油水乳化液滴的等效粒径均采用激光粒度法测试获得。
3.根据权利要求2所述的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：所述的油-水界面张力σ采用旋滴法测试获得。
4.根据权利要求3所述的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：所述的分散相的粘度μd和连续相的粘度μc均采用旋转法测试获得。
5.根据权利要求4所述的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：所述的流场剪切应力τ采用幂律模型确定，本式中流场剪切速率的计算根据具体流场特性区分层流流态和紊流流态，稠度系数K和流变指数n则通过测试具体物性油水乳化液的流变性曲线获得。
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