CN114514304A - 确定用于从水乳液中分离水的破乳剂的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于选择最有效地从油中分离水的破乳剂及其浓度的方法包括：将干性油(902)与破乳剂(904)混合(1300)以获得具有第一浓度的混合物(620)；在混合物(620)内生成(1302)水滴(610)；将水滴(610)和混合物(620)泵送(1304)到微流体通道(110)中；发送(1306)激光束(122)穿过微流体通道(110)；用相机(130)记录(1308)水滴(610)在混合物(620)中的图像；以及计算(1310)当水滴由于重力作用而自由下落穿过混合物(620)时在微流体通道(110)内聚结的水滴的百分比。

Description

确定用于从水乳液中分离水的破乳剂的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年9月4日提交的题为“SYSTEM AND METHOD FOR DETERMININGDEMULSIFIER FOR SEPARATING FROM WATER EMULSION(确定用于从水乳液中分离水的破乳剂的系统和方法)”的美国临时专利申请No.62/895,622的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。

背景技术

技术领域

本文公开的主题的实施例总体上涉及用于从水乳液中分离水的系统和方法，并且更具体地，涉及在基于微流体通道的系统内测试一种或更多种破乳剂的效率。

背景技术的讨论

从水乳液中分离水滴的过程需要合适的破乳剂/表面活性剂。破乳剂的选择及其浓度或体积比取决于许多参数，这些参数中一些是乳液的其他组分及它们的浓度。

在石油工业中，由于以下原因，在加工前需要从提取的原油中分离水。当原油在炼油厂加工时，原油中存在的水可能会腐蚀这些炼油厂所使用的管道和其他设备。由于该设备价格昂贵，因此在工业中需要在加工之前从原油中去除水。由于以下原因，原油中存在大量水。在油井的提高的石油采收率(Enhanced-Oil-Recovery)过程中，水被泵送到地下储层中以提高储层的压力，以便提取底层石油。此外，对于页岩勘探，油井被压裂以产生更多路径以供油流入到油井中。压裂过程涉及在油井内以高压泵送具有其他化学物质的水，然后迫使这种混合物进入到油井周围的地下，以在井与油储层之间开辟更多路径。水在两种操作中都被加压并与储层中的原油有效搅拌，从而生成从油井中提取的水油乳液。

为了从这种乳液中分离水，化学表面活性剂(破乳剂)被添加到原油以增强水滴的聚结。这种破乳剂通常由醇、乙氧基化酚、乙氧基化醇和胺、乙氧基化树脂、乙氧基化壬基酚、多元醇和磺酸盐的环氧乙烷和聚环氧丙烷的聚合链制成。为给定的水-油乳液选择最优类型和浓度的破乳剂很重要，否则整个过程效率低下，原油中残留水，并且在原油加工阶段可能对炼油厂设备造成损坏。

为了为给定的原油样品选择最有效的破乳剂，目前的测试和筛选方法是实验室的“瓶测试”，其涉及向瓶中手动添加一定量的原油乳液和一定量的破乳剂。将不同类型和浓度的破乳剂添加到不同瓶中的相同原油乳液中以供测试。这是一个冗长的过程，但在石油工业中被广泛使用。在如上所述制备多个瓶后，将瓶放置在离心机中以用于将破乳剂分配到原油中，并试图从原油中分离水。将瓶离心一给定量时间后，测量和分析来自每个瓶中聚结的水体积分数，以确定最佳破乳剂及其浓度。

然而，瓶测试不仅冗长且缓慢，而且是静态测试，该测试不能准确反映实际分离器中发生的真实动态流动条件。

[1]中提出了一种确定合适破乳剂的新方法。[1]中的方法提出了一种微流体装置来生成小液滴并当这些液滴在微通道中聚结时进行测试。然而，[1]中的装置无法生成与真实情况相似的剪切流。

因此，需要一种新的测试，该测试重现原油流中水滴的动态，能够在更短的时间量内进行，不像现有的测试那样费力，并避免了由静态瓶测试引起的偏差。

发明内容

根据一个实施例，存在一种用于选择最有效地从油中分离水的破乳剂及其浓度的方法。该方法包括：将干性油与破乳剂混合以获得具有第一浓度的混合物；在混合物内生成水滴；将水滴和混合物泵送到微流体通道中；发送激光束穿过微流体通道；利用相机记录混合物中水滴的图像；以及计算当由于重力作用而自由下落穿过混合物时在微流体通道内聚结的水滴的百分比。

根据另一个实施例，存在一种破乳剂测试系统，其包括：微流体通道，该微流体通道具有小于1mm的至少两个侧面，其中，微流体通道沿竖直方向延伸；激光源，其被配置为生成激光束，其中，激光束被引导穿过微流体通道；相机，其定位成接收穿过微流体通道后的激光束；以及单分散液滴生成机构，其流体连接到微流体通道。单分散液滴生成机构被配置为将水滴生成到干性油和破乳剂的混合物中。

附图说明

为了更完整地理解本发明，现参考以下结合附图的描述，其中：

图1A是具有单个微流体通道的破乳剂测试系统的示意图；

图1B是具有多个微流体通道的破乳剂测试系统的示意图；

图2A和2B示出了各种油和水的吸光度；

图3示出了各种相机和人眼对光的光谱敏感度；

图4示出了用于近红外光的光学准直的装置；

图5A和5B示出了平移式扩散器如何提高用近红外光拍摄的图像质量；

图6A和6B示出了用于在油中生成水滴的单分散液滴生成机构；

图7示出了针对含有不同初始尺寸的水滴的各种乳液，多分散度如何随时间变化；

图8列出了微流体装置生成的水滴的多分散度与时间的关系；

图9A至图9C示出了水滴在微流体通道中的运动；

图10示出了当水滴在微流体通道内在重力作用下下落时的平均速度与时间的关系；

图11示出了各种乳液的随时间推移的聚结概率，如利用图1A中所示的破乳剂测试系统进行测量；

图12是用于测量各种乳液聚结的方法的流程图；以及

图13是用于选择最佳破乳剂及其添加到油中的浓度/比率以用于从油中分离水的方法的流程图。

具体实施方式

下面参照附图对实施例进行描述。不同附图中的相同附图标记表示相同或相似的元件。下面的详细描述并不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求书确定。为简单起见，下面的实施例是关于一个系统进行讨论的，该系统使用一个或更多个微流体通道来确定原油中水滴的聚结倾向。然而，接下来要讨论的实施例不限于从水乳液中分离水，而是可以应用以确定对于任何乳液的合适破乳剂。

在整个说明书中，提到“一个实施例”或者“实施例”时，指的是结合该实施例描述的特定特征、结构或者特性包含在所公开主题的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中多个地方出现的短语“在一个实施例中”或者“在实施例中”不一定都是指同一实施例。另外，特定特征、结构或者特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多个实施例中。

根据一个实施例，一种新型破乳剂测试系统包括一个或更多个微流体通道，一受控量的特定破乳剂、水和油被引入该微流体通道中并被允许自由落下以用于量化特定乳液的聚结事件的发生率和数量。水滴被允许在重力作用下在一个或更多个长微流体通道中缓慢自由落下。水滴的这种缓慢沉降提供了相邻液滴之间长的相互作用时间，这使得它们更有可能聚结。在小通道中自由落下使得液滴以不同的速度运动，从而具有相互通过并经历剪切运动的趋势，这能够增强聚结过程，类似于在炼油厂分离容器中将破乳剂添加到原油中的真实情况。为了识别任何聚结事件，系统使用流动聚焦装置将尺寸均匀的水滴馈送到微流体通道中。系统还包括相机以在水滴朝向微流体通道的底部沉降时对这些水滴进行成像。使用对能够穿过不透明原油的近红外光敏感的高速摄像机对水滴进行成像。激光装置被包含在系统中以生成近红外光。对由相机记录的水滴的尺寸进行分析，它们指示了任何聚结的发生，因为聚结过程会增加水滴的尺寸。通过比较每种给定乳液在不同浓度下的聚结次数，以及这些事件发生的速度，可用作破乳剂有效性的指标。现在参照附图对这种新型测试系统和方法进行更详细地讨论。

图1A示出了破乳剂测试系统100，其包括放置在光源120与高速相机130之间的微流体通道110。由光源120发射的光束122在进入微流体通道110之前被引导穿过静态扩散器140。一个或更多个透镜150可以放置在微流体通道110之后和高速相机130之前，用于聚焦从存在于微流体通道110中的液滴112反射/折射的光。如稍后讨论的，控制器160可以以有线或无线的方式连接到这些元件中的每一个以用于控制它们。图1B示出了类似的配置，不同之处在于不是使用单个微流体通道110，而是使用多个通道110A至110D。尽管图1B示出了平行设置的四个微流体通道，但是本领域技术人员将理解的是，可以使用平行分布的更少或更多个通道。

在图中未按比例绘制的微流体通道110具有至少一个侧面，例如该侧面的宽度W或深度D为100μm至1mm。在一个应用中，两个侧面的W和D的尺寸都在这个范围内。在一个实施例中，微流体通道110的横截面是正方形，即W＝D。对于该实施例，通道的宽度和深度能够是大约500μm。在另一个实施例中，微流体通道110的横截面是长方形。由于以下原因，正方形或长方形的形状是有利的。如稍后讨论的，水滴从通道110的顶部朝向其底部下落。如果像[1]中那样使用二维(2-D)通道(其内直径小于水滴直径)，则对于水滴来说，没有足够的空间相互通过，即水滴具有沿图中Z轴线描述的重力方向的单个自由度。

然而，通过具有如图1A所示的微流体通道110的正方形或长方形横截面，水滴具有沿X轴线的额外的自由度。换言之，水滴不仅能够沿Y轴线运动，还能够沿X轴线运动，并与其他水滴相互作用。应当注意，沿Y轴线的深度D不能够增加超过一定水平，因为原油是不透明的，并且没有足够的光传到高速相机以区分水滴。微流体通道110的长度L可以在100mm至2m变化。发明人所进行的实验使用了300mm长的通道110。微流体通道110放置在竖直位置，即其长度L与竖直轴线Z对齐，使得水滴在重力作用下从通道110的顶部落到其底部。在一个实施例中，微流体通道110可以相对于竖直轴线Z以非零角度放置并且仍然可以实现相同的结果。

光源120可以实现为一个或更多个近红外范围(NIR)激光二极管。NIR定义为波长在705至2000nm范围内的光。然而，可用于系统100的NIR光受到以下两个因素的限制。一个是原油的光吸收度，另一个是相机传感器的灵敏度。为了有足够的照明和更少的光强损失，对于发明人所进行的实验选择了980nm波长。如图2A和2B所示(分别对应于[2]的图1和[3]的图1)，原油在800nm至1600nm范围内具有相对较低的吸收度，该范围在NIR激光的范围(705nm-2000nm)内。图2A示出了水(曲线200)和各种原油(24API原油的曲线202、30API原油的曲线204和38API原油的曲线206)的吸收光谱，而图2B示出了原油(曲线210)和成品油(曲线212)的吸收光谱。应当注意，在图2A中，y轴线项A是与波长有关的摩尔吸收系数，其单位为M^-1cm^-1，该项是由Beer-Lambert定律导出的，该定律表示为-log(I/I₀)＝A(λ)×C×L，其中C是溶液的浓度，L是透射长度，以及I和I₀分别表示透射光和初始光的光强。然而，相机的CMOS传感器无法在1100nm以上有效工作。因此，系统100中使用的NIR激光的波长选择为在800nm到1100nm的范围内。

扩散器140放置在光源120与微流体通道110之间以扩散聚焦光束122。高速相机130可以实现为CMOS高速相机Photron SA5。这样的相机能够以高达7000fps的帧率获取全帧图像(1280px×800px)。如果观察较小的像素区域，则能够实现更高的帧率。相机附接到镜头150，例如具有可调节放大率、光圈和焦距的Leica显微镜头(Z16APO)。典型的放大率为8，提供2.5μm/px的分辨率。图3将(1)CMOS相机传感器的光谱灵敏度示出为曲线300，将(2)CCD相机的光谱灵敏度示出为曲线302以及将(3)人眼的光谱灵敏度示出为曲线304。应当注意，CMOS相机传感器曲线300能够以对NIR光(980nm的波长)大约35％的灵敏度检测NIR光，这对于该方法的目的来说已经足够了。

在一个实施例中，激光二极管120连同专用准直透镜124一起被安装在专用的热交换器底座121中。如图4所示，根据二极管的焦距(f＝5.6mm)，该实施例中的准直光束126’的直径为大约3.0mm(r＝1.5mm)。在该配置中，水平轴线Y与光束122的最外部光线之间形成的角度θ约为15度。激光二极管120可以由最大功率为200mW的功率控制器160驱动。如图4所示，系统100还可以包括温度控制器128以用于防止对激光二极管的热损坏。系统被配置为接受各种激光二极管，即具有不同波长的可互换二极管。

由于系统试图检测水滴在沿微流体通道110下落时的聚结，因此由高速相机130生成的图像质量需要处于其最佳状态。除了相机的质量外，其他因素也会对图像质量起作用。例如，观察到:由于散斑图案，图像质量还取决于背景扩散器140。通过使用两个扩散器140和142而不是一个(即通过使用一个静态扩散器140以及一个快速移动的扩散器142)来获得更好的图像质量。在一个应用中，仅使用一个扩散器，但扩散器如图1A和图1B中的箭头144所示上下移动。马达146可以用于上下自动移动扩散器142或使其在x-z平面中转动。马达146可以由控制器160控制。这样，可以改善相机130拍摄的图像质量，如图5A及图5B所示。图5A示出了利用单个固定式扩散器拍摄的原油中水滴的图像，而图5B示出了利用固定式扩散器和移动扩散器拍摄的类似水滴的图像。相对于图5A的图像质量，图5B的图像质量被大为改善。

返回到图1A，单分散液滴生成机构170用于在原油中生成水滴以形成油包水乳液。然后，水乳液通过连接管172被泵送到微流体通道110。由于图1A未按比例绘制，因此连接管172显得不成比例地小于微流体通道110。然而，实际上，连接管172的直径与微流体通道110的直径相当。

单分散液滴生成机构利用对应的管174、176和178连接到泵送系统180，该泵送系统被配置为相对于插入到微流体通道110中的原油量来控制水量。在一个实施例中，泵送系统180包括三个独立的泵184、186和188，每个都分别连接到对应的管174、176和178。这些泵中的两个184和188被配置为将原油与破乳剂的混合物注入到对应的管174和178中，而泵186被配置为将水注入到管176中。

如图6A和图6B所示，单分散液滴生成机构170可以实现为微交叉装置。图6B示出了微交叉装置的概览，而图6A示出了贯穿该装置的横截面，其中装置的主体602是可见的并且具有四个通道604，在交叉的每个臂中均有一个通道。在每个通道604中设置有对应的微型套管606，以接收对应的管172、174、176和178。对应的螺母608保持附接到主体602的每个管和微型套管。微型套管606成形为使得微型套管的顶部具有比微型套管的其他部分更小的直径，这将单分散水滴610生成到原油/破乳剂乳液620中，如图6A的插图所示。这样，可以以受控方式生成清晰的水滴，这些水滴具有类似尺寸的外直径，然后观察这些水滴在其穿过微流体通道110时的聚结。如稍后讨论的，随着水滴的聚结，它们的直径增加，并且从所记录的图像(静止图像或视频)中可以计算出初始水滴已经聚结的百分比。在一个实施例中，管172至178的外直径为大约1.6mm，内直径为大约178μm。可以使用这些直径的其他值。应当注意，尽管在图6A的实施例中，水在插入管176处被插入并且原油和破乳剂的混合物在管174和178处被插入，但也可以只有一个水管和一个原油/破乳剂管，或其他布置。此外，应当注意，水和原油/破乳剂的量可以由对应的泵184至188进行调节。此外，可以在将原油和破乳剂供应到对应的泵184和188之前对原油与破乳剂的比率进行调节。例如，在一个实施例中，如图1A或1B所示，控制器160可以被配置为控制混合器190，该混合器由储存单元192供应原油和由储存单元194供应破乳剂。控制器160能够指示混合器190将原油与破乳剂以期望的比率/浓度进行混合，然后将该比率/浓度供应给泵184和188。此外，控制器160还可以被配置为指示泵186以给定速度注入水，以便可以调节水与原油/破乳剂混合物的比率。这样，控制器160可以连续自动调节破乳剂的类型和破乳剂与原油和/或水的比率。

现在讨论利用单分散液滴生成机构170在原油/破乳剂混合物620中生成单分散水滴610的机制。为了能够验证是否已经发生了聚结，优选在微流体通道110的入口处有非常单分散的水滴分布。如果不是这种情况，则很难区分未聚结的较大水滴和已聚结的较小水滴。因此，需要单分散液滴生成机构170来保证微流体通道110内的在重力驱动下降期间任何观察到的水滴尺寸的增加是由于两个这样的水滴的聚结，而不是来自不均匀的入口液滴。

为了使这一确定明确，当两个水滴合并时水滴直径的增加需要显著大于最初生成的水滴的单分散度的范围。当尺寸D的两个水滴聚结时，它们的组合直径变为：

D_new2＝2^1/3D＝1.26D. (1)此外，如果N个这样的水滴聚结，则合成水滴尺寸变为：

D_newN＝N^1/3D. (2)

因此，通道110入口处液滴尺寸的范围必须远小于1.26的值，或至少小于整体的10％。单分散液滴生成机构170已被配置为实现少于该范围。在一个应用中，单分散液滴生成机构170是微交叉装置(P-899，Upchurch Scientific)，其能够在原油内生成尺寸范围从D＝90μm至D＝220μm的一系列单分散水微滴，取决于两相(连续液体Q_c，即原油和破乳剂的混合物，以及分散液相Q_d，即水)的相对流量和其粘度及其绝对速度，所有这些都可以由控制器160控制。

图6A中四个通道604的横截面宽度为150μm，并且单分散液滴生成机构170将水滴610泵送到微流体通道110中，在该微流体通道中发生液滴-液滴相互作用。入口的外直径可以是3.0mm，入口的内直径可以是1.0mm。水滴是由Plateau-Rayleigh不稳定性生成的，其中原油是连续流并且水是分散流。

水滴的尺寸主要由两种液体(即水Q_d与原油/破乳剂Q_c)之间的流量比来确定。因此，控制器160能够通过控制泵184至188的速度来选择生成的水滴的尺寸D。破乳剂测试系统100以从高达0.33到低至0.05的流量比Φ＝Q_d/2Q_c进行测试，这提供了广泛的流速范围以及相当大的液滴尺寸范围。

首先检查进入微流体通道110的液滴的单分散度，以确认能够依靠在微流体通道的底部处观察到的液滴来识别聚结。多分散度Λ随时间的变化(该多分散度被定义为液滴直径的标准偏差Θ与平均值Ω之间的比率)被描述为：

并且在图7和8中示出了各种液滴直径D。观察到每个直径D的多分散度在10分钟内都小于5％，这表明在破乳剂测试系统100中生成的液滴是高度单分散的。应当注意，尺寸为D＝90μm的最小液滴具有最大的相对尺寸范围，因为用于检测这些液滴的相机的像素分辨率为最小液滴的测量增加了大部分的随机噪声。然而，观察到的范围完全在等式(1)规定的限制内。由于聚结的两个原始液滴的合成直径是每个液滴的原始尺寸D的1.26倍，因此系统100的多分散度远低于能够确定两个液滴何时已经聚结所需的26％阈值，这意味着系统100在用于统计分析的单个液滴与经聚结的液滴之间的液滴尺寸差异方面是可靠的。

在对系统的液滴尺寸范围进行测试之后，为确定液滴的聚结概率进行了实际测试。对于这些测试，利用单分散液滴生成机构170将单一尺寸的水滴610生成在干原油902和破乳剂904的混合物900中，并且该混合物900由泵压驱动克服重力向上进入到微流体通道110中，如图9A所示。应当注意，微流体通道110以竖直位置保持在破乳剂系统100中。然而，微流体通道110可以保持在水平位置直到混合物被驱动穿过该通道，然后该通道被旋转至竖直。在一个实施例中，也如图9A所示，可以不在通道110的底部处连接管172而是在其顶部作为管172'来连接，然后从通道110的顶部泵送混合物。不管混合物900和水滴610如何(从底部或顶部)泵送到通道110中，在通道110充满混合物900和水滴610后，如图9B所示，通道110的底部部分910被夹紧，使得混合物不能从通道110溢出。此外，即使液滴和连续相在重量和浮力的驱动下能够相对彼此流动，但由于通道110在其底部处被夹紧，因此消除了乳液的平均流速。通道也能够在0-90°之间倾斜，以减少有效重力。

这样，水滴610此时已就位以在重力的作用下朝向通道110的底部部分910下落并且在这个过程中，与其他水滴610聚结，以形成经聚结的水滴612。光源120生成光束122，该光束穿过通道110的观察空间920，如图9B所示。观察空间920被选择为位于通道的底部处。通过的光束到达相机130，该相机记录各种液滴的图像，如图9C示意性所示。相机130’的视角被固定在靠近通道110底部的位置，使得在记录下落的水滴尺寸分布之前，在这些水滴之间存在尽可能长的相互作用或接触时间。在微流体通道中非常低的雷诺数下，液滴在自由沉降流动期间立即达到其最终速度。液滴610和612的图像由相机的传感器记录并存储在与系统100相关联的存储器中以用于统计分析。

能够通过对浮力和水滴的重量进行平衡来估计孤立的水滴的沉降速度，如下所示：

F_D＝W-F_B， (4)其中F_D是阻力，W是水滴重量，F_B是浮力。如果作用在水滴上的这三个力达到平衡，则水滴的加速度为零，使得水滴的速度就是其最终速度。对于球形水滴，假设斯托克斯阻力定律，上面提到的三个力描述如下：

F_D＝3πμUD (5)

最终速度u_t由下式给出：

其中D是液滴的直径，ρ_w是水的密度，ρ_o是原油的密度，μ是油的粘度，g是重力。根据等式(8)，直径为210μm的液滴的最终速度计算为0.73mm/s，而对于90μm的颗粒，最终速度计算为0.13mm/s。这两个速度都大于所测量的速度，这意味着还应考虑由于通道110的壁的存在而产生的剪切力。

这些理论估计可能低估了阻力，因为与无限池中孤立的水滴相比，通道壁的约束会增加粘性应力。为此，在一个实施例中，通道110的内壁可以利用物质进行处理以防止水在壁上润湿，以最小化通道壁对水滴运动的影响。此外，在实验中，水滴最初大致均匀地分布在沿微流体通道110向上移动的压力驱动流中。在液滴610上升进入到通道中期间它们的重量将它们向下拉。换言之，随着混合物900沿通道110向上行进，液滴的数量密度将略微增加。然而，在液滴610沿通道110缓慢由于重力驱动而沉降期间，如图9B所示，当液滴朝向通道110的底部区域移动时，液滴的浓度增加。此外，观察到液滴倾向于聚集在一起(参见图9B和9C中的元素906)并作为聚集体移动。这个过程大大增加了液滴的相互作用时间。对于低浓度的液滴，它们的相互作用较少，但会相互剪切，因为它们与通道壁的距离不同，从而经历抛物线层流剖面的不同部分。这通常会导致短期相互作用。另一方面，当聚集发生时，液滴一起移动，其表面相互挤压更长的时间，这使得介于中间的油膜流走，从而允许液滴之间接触并随后聚结。

聚集体906也将比孤立的液滴610下落得更慢，因为连续相必须在液滴之间向上移动，以满足管中的连续性。液滴之间的这种流动是由额外的压降驱动的，这抵消了重量并减慢了运动。应当注意，这与无限池中液滴聚集的预期相反。在这种情况下，这些聚集体的有效密度增加，从而使其加速。图10示出了从沉降运动开始针对不同的液滴尺寸D，图9C所示的仰视图中观察到的平均液滴速度与时间的关系。

在对各种破乳剂、水与原油和破乳剂的比率和/或原油与破乳剂的比率进行这些测试后，需要分析所记录的数据并评估水滴的聚结以用于确定哪种破乳剂和哪种浓度是从给定类型的原油中通过液滴聚结分离水的最佳方案。对于该分析，在已经停止向通道110供流后，在自由沉降阶段以不同的时间间隔处理水的液滴尺寸分布。该分析能够针对诸如D＝220μm、170μm、150μm、130μm和85μm之类的不同的液滴直径进行，它们接近于实际水油乳液中真实水滴的尺寸量级。

从所记录的数据观察到，正如理论所预测的，聚结的总数随时间的推移而增加。从测试期间所收集的图像中观察到，正如理论所预测的，重复聚结发生，并随时间的推移，双倍液滴与原始尺寸的液滴聚结以形成3^1/3尺寸的三元组。这将继续产生更大的液滴。对于所有更大的液滴来说，该过程都被观察到。在该确定中，对出现在相机130的视野中的液滴以5分钟的时间间隔进行了跟踪。这些时间间隔集中在通道110中压力驱动流停止后的3.5、12.5和17.5分钟左右。能够根据统计测量的需要选择更短或更长的时间间隔。对于该确定，识别并计数了流过控制空间920的具有原始尺寸的液滴和具有增大尺寸的液滴的部分。如上所述，经聚结的液滴的直径是原始尺寸D的n倍。因此，聚结概率能够被定义为：

其中P为聚结概率，n_k为由k个原始液滴形成的经聚结的液滴，k取大于1的整数值，n₀为原始单尺寸液滴的总数。在对所记录的数据进行分析期间，观察到除非添加破乳剂，否则很少有原始液滴聚结形成超过原始液滴3倍尺寸的液滴。然而，当已经添加了适当的破乳剂时，观察到液滴的直径比原始液滴的直径大20^1/3或更多。

使用具有上述过程的破乳剂测试系统100，可以针对给定原油测试各种类型和数量的破乳剂，并为给定原油选择最合适的破乳剂，而无需求助于传统的瓶测试。能够使破乳剂测试系统100自动且独立地执行所有这些实验，然后计算每种经测试的破乳剂和每种浓度的聚结分数，最后选择实现凝聚概率相对于成本最优的破乳剂及其对应浓度。

在一组测试中，破乳剂的剂量范围为20至100ppm(parts-per-million，百万分之几)。在测试期间，系统生成并测试了不同尺寸的单尺寸液滴(范围从～150μm到～230μm)。应当注意，不同的直径是按顺序量级生成和测试的，而不是同时生成和测试的。如图11所示，针对破乳剂的不同浓度，水-油乳液中液滴的聚结特性发生变化。应当注意，与50ppm和100ppm相比，20ppm的破乳剂溶解在原油中会发生更少的液滴聚结。聚结也对液滴直径敏感，对于该示例，这示出了较小的液滴更倾向于聚结。然而，如50ppm的破乳剂所示，情况并非总是如此。进一步观察到，添加的破乳剂越多，液滴倾向聚结的时间就越早。使用新系统100，破乳剂的选择变得可见，并且可以捕捉动态剪切流中的聚结，这比传统的瓶测试更接近工业条件。此外，该测试比现有测试更快且更通用。

现在，关于图12讨论一种确定用于从给定原油中分离水的破乳剂类型及其浓度的方法。该方法使用上述破乳剂测试装置100。该方法开始于步骤1200，其中在储存单元192处提供某种类型的原油。给定的原油中没有水，即该原油是纯油。在步骤1202中，将多个破乳剂提供给储存单元194。在步骤1204中，控制器160选择第一破乳剂，并且在步骤1206中，控制器选择该破乳剂的第一浓度，并将来自储存单元194的第一破乳剂与储存单元192中的原油混合。然后，将原油和破乳剂的混合物注入单分散液滴生成机构170中。这种机构也注入水，使得在原油中生成单分散的水滴。然后在步骤1208中，将所获得的乳液注入到微流体通道110中，并且在该通道充满该乳液后，将该通道的下端部夹紧关闭。然后，在步骤1210中，发送NIR激光束穿过通道110的底部区域，并且在步骤1212中，用高速相机130记录水滴下落穿过通道110中的原油的图像。然后，在步骤1214中，控制器160或系统的操作者计算在一给定量时间内在观察空间内已经聚结的水滴的部分。在步骤1216中，控制器检查所测试的浓度是否是针对所选破乳剂要被测试的最后一个浓度。如果答案是否定的，则过程返回到步骤1206并选择一个新的浓度。如果答案是肯定的，则过程前进到步骤1218以确定最后一个破乳剂是否已经被测试过。如果答案是否定的，则过程返回到步骤1204以选择另一个破乳剂并重复之前的步骤。如果答案是肯定的，则系统会绘制结果，例如，如图11所示。然后，例如，针对最大聚结概率，如图11所示，操作员或控制器选择最佳破乳剂和最佳浓度。例如，图11中的曲线1100被认为是最佳的，从而控制器或操作员选择与该曲线相关联的破乳剂和浓度作为对于给定原油的最佳破乳剂。图11中的曲线还能够用于选择实现一定聚结概率(如90％)所需的最小浓度，以最小化破乳剂的成本。应当注意，关于图12讨论的方法能够测试对于任何给定类型原油的多种破乳剂和多种相关联的浓度。

从以上讨论中显而易见的是，关于图12讨论的新型破乳剂测试系统100及方法具有以下优点中的一个或更多个：

1.用于为给定的油-水乳液选择破乳剂的最常见测试方法是实验室“瓶测试”。这本质上是静态测试(在第一次搅拌乳液之后)，即乳液会随时间的推移留在瓶中，而不会强制进行任何可重复的剪切运动。关于图12讨论的方法使用在相邻水滴之间生成剪切的重力驱动设置，这更好地模拟了实际油-水分离器容器中真实流动的实际动态，这可能会产生更可靠的现场测试结果。

2.使用微流体通道只需要测试微量的破乳剂。

3.“瓶测试”需要数小时才能得出结果，而微流控通道测试只需几十分钟即可测试多种破乳剂和多种对应的浓度。

4.如关于图1B讨论的，本文讨论的方法能够被设置为通过设计相邻的微通道同时测试多个乳液浓度，这些微通道自动测试具有不同破乳剂浓度的原油，这些具有不同破乳剂浓度的原油被引导到并排的微通道中。

5.本文讨论的新型方法使用单分散液滴尺寸，从而能够用于显示液滴尺寸对每种破乳剂聚结效率的影响。这在传统的“瓶测试”中是不可能的。

现在关于图13讨论一种用于确定乳液中最有效地从油中分离水的破乳剂及其浓度/比率的方法。方法包括：步骤1300，将油与第一破乳剂混合以获得具有第一比率的第一混合物；步骤1302，在第一混合物中生成水滴；步骤1304，将第一混合物中的水滴泵送到微流体通道中；步骤1306，发送激光束穿过微流体通道；步骤1308，用相机记录水滴在第一混合物中的图像；以及步骤1310，计算当由于重力作用自由下落时聚结到微流体通道中的水滴的百分比。

方法还可以包括以下步骤：针对原油和第一破乳剂的额外比率以及针对额外破乳剂，重复上述步骤，和/或针对各种比率和各种破乳剂，将聚结到微流体通道中的水滴的百分比进行比较，和/或选择油中的聚结的水滴的百分比最高的破乳剂和比率，和/或克服重力泵送第一混合物中的水滴，和/或将通道的底部区域加紧以防止水滴和第一混合物流出通道，和/或在生成激光束的激光源与通道之间放置固定扩散器，在激光源与通道之间放置可移动的扩散器以扩散激光束。

在一种应用中，激光束是近红外光。方法还可以包括以下步骤：将两个第一混合物流与水流混合以形成水滴。在一个实施例中，微流体通道包括平行设置的多个通道。在另一个实施例中，微流体通道的至少两个侧面小于1mm。微流体通道的横截面也可以是正方形或长方形。

所公开的实施例提供了一种破乳剂测试装置及对应方法，该装置和该方法用来测试用于从给定的原油样品中分离水的多种破乳剂和多种浓度。应当理解，该描述无意限制本发明。相反，示例性实施例旨在覆盖包括在由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的替代、修改和等同形式。此外，在示例性实施例的详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对所要求保护的发明的全面理解。但是，本领域技术人员将理解，可以在没有这样的具体细节的情况下实践各种实施例。

尽管在实施例中以特定组合描述了本实施例的特征和元件，但是每个特征或元件可以在没有实施例的其他特征和元件的情况下单独使用，或者以具有或不具有本文所公开的其他特征和元件的各种组合来使用。

本书面描述使用所公开主题的示例，以使本领域的任何技术人员能够实践该主题，包含制造和使用任何设备或系统以及执行任何合并的方法。该主题的可专利范围由权利要求限定，并且可以包含本领域技术人员想到的其他示例。这样的其他示例旨在落入本权利要求的范围内。

参考文献

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Claims (20)

1.一种用于选择最有效地从油中分离水的破乳剂及其浓度的方法，所述方法包括：

将干性油(902)与破乳剂(904)混合(1300)以获得具有第一浓度的混合物(620)；

在所述混合物(620)内生成(1302)水滴(610)；

将所述水滴(610)和所述混合物(620)泵送(1304)到微流体通道(110)中；

发送(1306)激光束(122)穿过所述微流体通道(110)；

利用相机(130)记录(1308)所述混合物(620)中的水滴(610)的图像；并且

计算(1310)当由于重力作用而自由下落穿过混合物(620)时在微流体通道(110)内聚结的水滴的百分比。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

针对破乳剂在原油中的额外浓度，以及还针对额外的破乳剂，重复权利要求1的步骤。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括：

针对所述各种浓度和各种破乳剂，对在所述微流体通道内聚结的水滴的百分比进行比较。

4.根据权利要求3所述的方法，还包括：

选择在油中聚结的水滴的百分比最高的破乳剂和浓度。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括：

克服重力将水滴和乳液泵送到所述微流体通道中。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括：

将通道的底部区域夹紧以防止水滴和乳液流出所述通道。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在生成所述激光束的激光源与所述通道之间放置固定扩散器；并且

在所述激光源与所述通道之间放置可移动的扩散器以扩散激光束。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述激光束是近红外光。

9.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在微流体交叉接合件内将两个破乳剂-油混合物流与水流结合以形成水滴。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述微流体通道包括平行设置的多个通道。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述微流体通道的至少两个侧面小于1mm。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述微流体通道的横截面为正方形。

13.一种破乳剂测试系统(100)，包括：

微流体通道(110)，其具有小于1mm的至少两个侧面，其中，所述微流体通道(110)沿竖直方向延伸；

激光源(120)，其被配置为生成激光束(122)，其中，所述激光束(122)被引导穿过微流体通道(110)；

相机(130)，其定位成接收穿过微流体通道(110)后的激光束(122)；以及

单分散液滴生成机构(170)，其流体地连接到所述微流体通道(110)，

其中，所述单分散液滴生成机构(170)被配置为将水滴(610)生成到干性油(902)与破乳剂(904)的混合物(620)中。

14.根据权利要求13所述的系统，还包括：

静态扩散器，其放置在所述激光源与所述微流体通道之间；以及

可移动的扩散器，其也放置在所述激光源与所述微流体通道之间。

15.根据权利要求13所述的系统，其中，所述单分散液滴生成机构(170)被馈送两个油与破乳剂的混合物流以及一个水流。

16.根据权利要求13所述的系统，还包括：

控制器(160)，其被配置为，

在所述单分散液滴生成机构(170)处生成各种混合物，

针对各种混合物，对聚结到所述微流体通道中的水滴的百分比进行比较，以及

选择使混合物中聚结的水滴的百分比最高的破乳剂以及所述破乳剂在油中的浓度。

17.根据权利要求13所述的系统，其中，所述激光源被配置为生成近红外光。

18.根据权利要求13所述的系统，其中，所述微流体通道包括平行设置的多个通道。

19.根据权利要求13所述的系统，其中，所述微流体通道的至少两个侧面小于1mm。

20.根据权利要求13所述的系统，其中，所述微流体通道的横截面为正方形。

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