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原文传递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

专利名称：	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
摘要：	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。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	黑龙江;23
申请人：	东北石油大学
发明人：	王志华;刘扬;钟会影;周楠;许云飞;甘亦凡
专利状态：	有效
发布日期：	2019-01-01T00:00:00+0800
申请号：	CN201810485006.0
公开号：	CN108918347A
代理机构：	哈尔滨东方专利事务所 23118
代理人：	曹爱华
分类号：	G01N13/00(2006.01)I;G01N13/02(2006.01)I;G;G01;G01N;G01N13;G01N13/00;G01N13/02
申请人地址：	163319 黑龙江省大庆市高新技术开发区学府街99号
主权项：	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；μ_d为分散相的粘度，Pa·s；μ_c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。
所属类别：	发明专利