CN113378401A - 一种预测乳液破乳沉降析液的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预测乳液破乳沉降析液的方法，包括以下步骤：配置乳液，获取乳液参数，并基于这些参数建立网格化的乳液初始模型；建立油水界面模型、黏度模型、液滴位移模型、液滴聚结模型；基于乳液初始模型，利用油水界面模型、位移模型、聚并模型不断更新乳液初始模型，获得液滴随时间的分布情况。本发明可以得到乳状液完全破乳前任意析水时间下的液滴位置、液滴尺寸、析水率及乳状液粘度等信息。能够准确描述液滴的微观运移，从微观的角度解释乳状液的宏观破乳过程。

Description

一种预测乳液破乳沉降析液的方法

技术领域

本发明涉及破乳技术领域，具体涉及一种预测乳液破乳沉降析液的方法。

背景技术

经过大量文献调研，目前工业上还没有关于乳液破乳沉降析液的方法和此类模型，因此本发明模型提供一种预测乳液破乳沉降析液的方法，该方法基于实际液滴粒径分布随机分配液滴尺寸、液滴坐标及结合已知的环境条件、油水物性条件，建立液滴位移模型、析水率模型、粘度预测模型和液滴相遇模型，可以得到乳状液完全破乳前任意析水时间下的液滴位置、液滴分布、析水率及乳状液粘度等信息。能够准确描述液滴的微观运移，从微观的角度解释乳状液的宏观破乳过程。

发明内容

鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种预测乳液破乳沉降析液的方法，本发明的技术方案为：

一种预测乳液破乳沉降析液的方法，包括如下步骤：

S1、配置乳液，获取乳液参数，这些参数包括液滴的数量、单个液滴的尺寸，连续相的黏度、分散相粘度、总析水率；利用计算机将液滴随机分配在与所述乳液等体积的圆柱形空间中，对所述圆柱形空间沿水平剖分面等间距h剖分，建立网格化的乳液初始模型；剖分后的乳液初始模型为多层；

S2、建立油水界面模型，具体步骤如下：

式中：h_o-w(t)为t时刻油水界面的位置，m；h_o-w(t+dt)为时间步长dt时刻油水界面的位置，m；d_w为运移到界面以下的液滴的平均直径，m；h为乳液初始模型剖分层高，m；

为沉降到油水界面以下液滴的数量；

通过油水界面模型中的油水界面以下为水的高度，因此，油水界面高度即为析水高度，这个参数可以用于确定乳液的宏观物性参数；

S3、计算各层乳液析水率对应的各层乳液黏度，计算油水界位以上各层乳液黏度的平均值作为乳液平均粘度，建立黏度模型；

对于每层乳液而言，其液粘度计算公式如下；

μ_m为第m层乳液的粘度，Pa·s；μ_c连续相粘度，Pa·s；μ_d为分散相粘度，Pa·s；k(f_wm)为第m层乳液的析水率影响因数；k(NRe.p)为雷诺数影响因数；f_wm为第m层乳液的析水率，％；

第m层乳液的析水率f_wm计算公式如下：

第m层乳液的析水率影响因数k(f_wm)的计算方式属于现有技术，此处不再详述，具体参考Wang Wei《Prediction of the apparent viscosity of non-Newtonian water-in-crude oil emulsions》；

S4、基于Langevin方程和Stokes方程建立乳液液滴位移模型：获取每层乳液中液滴数量P_m并基于计算机生成P_m个符合正态分布含数

的Z轴位移值{Z_im(Δt)}，将P_m个位移值随机分配给该层乳液的各个液滴；

式中，Δt为位移计量的时间步长；Z_im(Δt)为位于m层乳液中的第i个液滴在时间步长Δt下的纵向位移，m；v_w为Stokes方程中液滴的沉降速度，m/s；k_B为Boltzmann系数，1.381×10^-23；T为温度，K；μ_m为乳液粘度，Pa·s；dm为第m层乳液液滴的平均直径，m；P_m为第m层乳液液滴总量，个；

S5、建立乳液液滴聚结模型：以液滴中心距离小于两个液滴半径之和为标准从乳液初始模型中筛选存在聚并趋势的液滴并进行聚并计算，聚并运算后得到新的液滴尺寸、位置分布；新液滴的体积等于两个聚并液滴体积之和、形状为球形；聚并后新液滴的位置与两个聚并液滴中Z轴高度最低的液滴相同；具体步骤如下：

S51、依据乳液初始模型获取初始液滴参数X_i＝(x_i,y_i,z_i，d_i，m),提取初始液滴向量集合{X_i}的前四列组建液滴尺寸位置集合{X_i，1}；

初始液滴参数中，i为液滴编号,(x_i、y_i、z_i)为第i个液滴的中心位置，d_i为第i个液滴的直径，m为第i个液滴所处的层位；

S52、筛选液滴尺寸位置集合{X_i，1}中存在聚并趋势的液滴，对于任意两个液滴I(x_i,y_i,z_i,d_i)、N(x_j,y_j,z_j,d_j)，其存在聚并趋势的判断标准为：

式中，D_ij为第i、j个液滴的中心距离，d_i为第i个液滴的直径，d_j为第j个液滴的直径；

S53、对于存在聚并趋势的两个液滴进行聚并计算；

聚并后新液滴的位置与两个聚并液滴中Z轴高度最低的液滴相同；

对于存在聚并趋势的两个液滴，聚并后新的液滴尺寸计算公式如下：

S6、基于乳液初始模型，利用油水界面模型、黏度模型、位移模型、聚并模型不断更新乳液初始模型，获得乳液随时间的变化情况。具体包括乳液黏度、析水率、液滴尺寸、位置随时间的变化情况。

本发明有益效果如下：

根据实际液滴粒径分布随机分配液滴尺寸、液滴坐标及结合已知的环境条件、油水物性条件，建立液滴位移模型、析水率模型、粘度预测模型和液滴相遇模型，可以得到乳状液完全破乳前任意析水时间下的液滴位置、液滴分布、析水率及乳状液粘度等信息。能够准确描述液滴的微观运移，从微观的角度解释乳状液的宏观破乳过程。

附图说明

图1为本发明实施例研究单元及研究对象剖分示意图；

图2为本发明实施例第22层乳液析水率随时间变化曲线图；

图3为本发明实施例各层乳液析水率随时间变化曲线图；

图4为本发明实施例第22层乳液黏度随时间变化图；

图5为本发明实施例乳液液滴粒径分布随时间变化图；

图6为本发明实施例液滴数量随时间变化曲线图；

图7为本发明实施例乳液油水界面随时间变化曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本文将建立乳液的稳定性分析模型，准确描述液滴的微观运移，从微观的角度解释乳状液的宏观破乳过程。在乳液中选取固定高度的微小单元作为研究单元如下图，将分散液滴作为研究对象

S1、以油和水体积比为1：2做为基液，Tween-80为0.5wt％，醇为0.1wt％混合制备乳液，获取乳液参数，这些参数包括液滴的数量、单个液滴的尺寸，连续相的黏度、分散相粘度、总析水率；利用计算机将液滴随机分配在与所述乳液等体积的圆柱形空间中，对所述圆柱形空间沿水平剖分面等间距h剖分，建立网格化的乳液初始模型；剖分后的乳液初始模型为22层，并对其从上到下进行编号，如图1；

S2、建立油水界面模型，具体步骤如下：

式中：h_o-w(t)为t时刻油水界面的位置，m；h_o-w(t+dt)为时间步长dt时刻油水界面的位置，m；d_w为运移到界面以下的液滴的平均直径，m；h为乳液初始模型剖分层高，m；

为沉降到油水界面以下液滴的数量；

通过油水界面模型中的油水界面以下为水的高度，因此，油水界面高度即为析水高度，这个参数可以用于确定乳液的宏观物性参数；

S3、计算各层乳液析水率对应的各层乳液黏度，计算油水界位以上各层乳液黏度的平均值作为乳液平均粘度，建立黏度模型；

对于每层乳液而言，其液粘度计算公式如下；

μ_m为第m层乳液的粘度，Pa·s；μ_c连续相粘度，Pa·s；μ_d为分散相粘度，Pa·s；k(f_wm)为第m层乳液的析水率影响因数；k(NRe.p)为雷诺数影响因数；f_wm为第m层乳液的析水率，％；

第m层乳液的析水率f_wm计算公式如下：

第m层乳液的析水率影响因数k(f_wm)的计算方式属于现有技术，此处不再详述，具体参考Wang Wei《Prediction of the apparent viscosity of non-Newtonian water-in-crude oil emulsions》；

S4、基于Langevin方程和Stokes方程建立乳液液滴位移模型：获取每层乳液中液滴数量P_m并基于计算机生成P_m个符合正态分布含数

的Z轴位移值{Z_im(Δt)}，将P_m个位移值随机分配给该层乳液的各个液滴；

式中，Δt为位移计量的时间步长；Z_im(Δt)为位于m层乳液中的第i个液滴在时间步长Δt下的纵向位移，m；v_w为Stokes方程中液滴的沉降速度，m/s；k_B为Boltzmann系数，1.381×10^-23；T为温度，K；μ_m为乳液粘度，Pa·s；dm为第m层乳液液滴的平均直径，m；P_m为第m层乳液液滴总量，个；

S5、建立乳液液滴聚结模型：以液滴中心距离小于两个液滴半径之和为标准从乳液初始模型中筛选存在聚并趋势的液滴并进行聚并计算，聚并运算后得到新的液滴尺寸、位置分布；新液滴的体积等于两个聚并液滴体积之和、形状为球形；聚并后新液滴的位置与两个聚并液滴中Z轴高度最低的液滴相同；具体步骤如下：

S51、依据乳液初始模型获取初始液滴参数X_i＝(x_i,y_i,z_i，d_i，m),提取初始液滴向量集合{X_i}的前四列组建液滴尺寸位置集合{X_i，1}；

初始液滴参数中，i为液滴编号,(x_i、y_i、z_i)为第i个液滴的中心位置，d_i为第i个液滴的直径，m为第i个液滴所处的层位；

S52、筛选液滴尺寸位置集合{X_i，1}中存在聚并趋势的液滴，对于任意两个液滴I(x_i,y_i,z_i,d_i)、N(x_j,y_j,z_j,d_j)，其存在聚并趋势的判断标准为：

式中，D_ij为第i、j个液滴的中心距离，d_i为第i个液滴的直径，d_j为第j个液滴的直径；

S53、对于存在聚并趋势的两个液滴进行聚并计算；

聚并后新液滴的位置与两个聚并液滴中Z轴高度最低的液滴相同；

对于存在聚并趋势的两个液滴，聚并后新的液滴尺寸计算公式如下：

S6、基于乳液初始模型，利用油水界面模型、黏度模型、位移模型、聚并模型不断更新乳液初始模型，获得乳液随时间的变化情况。具体包括乳液黏度、析水率、液滴尺寸、位置随时间的变化情况。

模拟结果见图2-7，图2为第22层乳液析水率随时间变化曲线图；图3为各层乳液析水率随时间变化曲线图；图4为第22层乳液黏度随时间变化图；图5为乳液液滴粒径分布随时间变化图；图6为液滴数量随时间变化曲线图；图7为乳液油水界面随时间变化曲线图。

由图6可知，液滴数量随时间的变化减少。而且随着时间的变化数量减少的速度先增大后减小，说明更多的液滴沉降到油水界面以下了

由图7可知，随着更多液滴沉降，油水界面随着时间的变化而上升，直到所有液滴沉降完，油水界面再不会发生改变。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种预测乳液破乳沉降析液的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、配置乳液，获取乳液参数；利用计算机将液滴随机分配在与所述乳液等体积的圆柱形空间中，对所述圆柱形空间沿水平剖分面等间距h剖分，建立网格化的乳液初始模型；

S2、建立油水界面模型，具体步骤如下：

式中：h_o-w(t)为t时刻油水界面的位置，m；h_o-w(t+dt)为时间步长dt时刻油水界面的位置，m；d_w为运移到界面以下的液滴的平均直径，m；h为乳液初始模型剖分层高，m；

为沉降到油水界面以下液滴的数量；

S3、计算各层乳液析水率对应的各层乳液黏度，计算油水界位以上各层乳液黏度的平均值作为乳液平均粘度，建立黏度模型；

所述各层乳液粘度计算公式如下；

μ_m为第m层乳液的粘度，Pa·s；μ_c连续相粘度，Pa·s；μ_d为分散相粘度，Pa·s；k(f_wm)为第m层乳液的析水率影响因数；k(NRe.p)为雷诺数影响因数；f_wm为第m层乳液的析水率，％；

第m层乳液的析水率f_wm计算公式如下：

第m层乳液的析水率影响因数k(f_wm)的计算方式属于现有技术，此处不再详述，具体参考Wang Wei《Prediction of the apparent viscosity of non-Newtonian water-in-crude oil emulsions》；

S4、基于Langevin方程和Stokes方程建立乳液液滴位移模型：获取每层乳液中液滴数量P_m并基于计算机生成P_m个符合正态分布含数

的Z轴位移值{Z_im(Δt)}，将P_m个位移值随机分配给该层乳液的各个液滴；

式中，Δt为位移计量的时间步长；Z_im(Δt)为位于m层乳液中的第i个液滴在时间步长Δt下的纵向位移，m；v_w为Stokes方程中液滴的沉降速度，m/s；k_B为Boltzmann系数，1.381×10^-23；T为温度，K；μ_m为乳液粘度，Pa·s；dm为第m层乳液液滴的平均直径，m；P_m为第m层乳液液滴总量，个；

S5、建立乳液液滴聚结模型：以液滴中心距离小于两个液滴半径之和为标准从乳液初始模型中筛选存在聚并趋势的液滴并进行聚并计算，聚并运算后得到新的液滴尺寸、位置分布；新液滴的体积等于两个聚并液滴体积之和、形状为球形；聚并后新液滴的位置与两个聚并液滴中Z轴高度最低的液滴相同；

S6、基于乳液初始模型，利用油水界面模型、黏度模型、位移模型、聚并模型不断更新乳液初始模型，获得乳液随时间的变化情况。

2.根据权利要求1所述的一种井下防喷器，其特征在于，所述步骤S5包括如下步骤：

S51、依据乳液初始模型获取初始液滴参数X_i＝(x_i,y_i,z_i，d_i，m),提取初始液滴向量集合{X_i}的前四列组建液滴尺寸位置集合{X_i，1}；

初始液滴参数中，i为液滴编号,(x_i、y_i、z_i)为第i个液滴的中心位置，d_i为第i个液滴的直径，m为第i个液滴所处的层位；

S52、筛选液滴尺寸位置集合{X_i，1}中存在聚并趋势的液滴，对于任意两个液滴I(x_i,y_i,z_i,d_i)、N(x_j,y_j,z_j,d_j)，其存在聚并趋势的判断标准为：

式中，D_ij为第i、j个液滴的中心距离，d_i为第i个液滴的直径，d_j为第j个液滴的直径；

S53、对于存在聚并趋势的两个液滴进行聚并计算；

聚并后新液滴的位置与两个聚并液滴中Z轴高度最低的液滴相同；

对于存在聚并趋势的两个液滴，聚并后新的液滴尺寸计算公式如下：

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