高頻脈沖電場作用下液滴行為特性研究

郭長會，馮永訓，王 亮，張 建，余忠俊

（1.中國石油大學，山東 青島266580；2.勝利油田 勝利勘察設(shè)計研究院有限公司，山東 東營257026；3.中國石油大學，北京102249）①

近年來，隨著原油含水率的增加，節(jié)能以及對環(huán)保要求的愈加嚴格，傳統(tǒng)油水乳狀液處理方法受到巨大挑戰(zhàn)，研究開發(fā)新型、高效、經(jīng)濟的原油破乳脫水方法，已經(jīng)成為目前石油工業(yè)領(lǐng)域普遍關(guān)注的熱門課題之一［1］。國內(nèi)外學者通過相關(guān)研究，探索了許多創(chuàng)新性的破乳技術(shù)，部分已經(jīng)進入了現(xiàn)場應用階段，例如高頻脈沖電破乳技術(shù)［2－5］，現(xiàn)場試驗及應用效果顯著，具有很好的應用前景。

電脫水技術(shù)具有對原油適應性強、脫水效率高、技術(shù)成熟等特點，交流、直流以及交－直流復合電脫水技術(shù)一直是油田地面集輸中應用十分廣泛的脫水技術(shù)手段［6－7］。其原理是依靠外加電場提供能量，削弱維持乳狀液穩(wěn)定的界面膜的強度，促進液滴間的聚結(jié)、沉降，達到油水分離的目的。與傳統(tǒng)電脫水技術(shù)相比，高頻脈沖電場破乳技術(shù)不但能夠穩(wěn)定的建立高壓破乳電場，而且對高黏度原油處理也具有良好效果，可解決原油高含水發(fā)展期產(chǎn)生的一些問題，同時可降低破乳劑的用量和生產(chǎn)能耗。高頻脈沖電場破乳技術(shù)還能解決電極間高壓短路問題，不易發(fā)生因電擊穿產(chǎn)生的乳化加劇現(xiàn)象。使用脈沖供電，可有效避免電極短路，且具有運行穩(wěn)定、能耗低等優(yōu)點，該技術(shù)對于陸上和海上油田生產(chǎn)結(jié)構(gòu)化以及設(shè)備小型化皆有著顯著的優(yōu)勢；在保持破乳率效果的前提下，與傳統(tǒng)的直流、交流電破乳方法相比，該技術(shù)更具優(yōu)勢。

電破乳中電場向液體提供能量是通過促使液滴極化變形及受力運動的形式實現(xiàn)的，液滴行為與電場的作用之間有著密切聯(lián)系。以前針對電破乳技術(shù)的研究，大都集中在破乳宏觀規(guī)律及設(shè)備研發(fā)等方面，對分散相液滴在電場作用下的微觀行為了解十分有限［5，8－10］，尤 其 是 高 頻 脈 沖 電 場 作 用 下 液 滴 行為，試驗室前期曾經(jīng)研究過高壓直流電場作用下液滴行為規(guī)律［9］。本文則針對性地通過設(shè)計相應的試驗平臺，進一步進行了高頻脈沖電場液滴行為試驗，深入探討了乳化液分散相液滴與高頻脈沖電場相互作用規(guī)律及其影響因素。

1 試驗方案

1.1 試驗裝置

本研究的液滴觀察試驗系統(tǒng)如圖1所示，主體部分為高頻脈沖電源和置入電極的乳化液槽。在試驗介質(zhì)方面，連續(xù)相采用二甲基硅油，25℃條件下，介質(zhì)黏度為（500±25）mPa·s，密度為0.974g／cm；分散相介質(zhì)采用紅墨水染色水；油水界面張力使用JJ2000A型旋轉(zhuǎn)滴界面張力測量儀進行測定。試驗過程采用配有微距鏡頭的高速攝像機和單反相機作為圖像采集工具，對液滴變形、破裂、碰撞、聚合及電泳等行為進行全面的圖像采集，以獲取液滴行為的原始數(shù)據(jù)。

1） 試驗設(shè)備 高頻脈沖電源、乳化液觀察槽、高速攝像機（MotionPro X4）、單反相機、微距鏡頭、ThermoHaake流變儀、JJ2000A型旋轉(zhuǎn)滴界面張力測量儀等。

2） 試驗介質(zhì) 二甲基硅油、紅墨水染色水。

3） 相關(guān)軟件 自編圖像處理軟件SP3.0［9］、Matlab等。

圖1 試驗裝置示意

1.2 試驗工況

為了更好地研究不同操作及物性參數(shù)對分散相液滴行為的影響，選擇試驗工況需要實現(xiàn)對各參數(shù)的精準控制。試驗過程中，通過采用不同型號的醫(yī)用注射器，實現(xiàn)了3個級別液滴粒徑的控制，粒徑偏差控制在3%；通過在染色水中添加表面活性劑（曲拉通X－100），實現(xiàn)液膜界面張力的調(diào)節(jié)，經(jīng)測定加入乳化劑后，油水界面張力降低約1／4；同時為研究液滴行為的各個階段，通過高頻脈沖電源控制系統(tǒng)，實現(xiàn)電場強度從0～2 000V／cm的無級調(diào)節(jié)，電源頻率設(shè)置為4 000～8 000Hz；通過觀察記錄液滴在不同電源頻率、電場強度作用下的行為，借助相應的圖像處理技術(shù)，獲取液滴形態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)，研究液滴行為規(guī)律。系統(tǒng)的試驗工況如表1所示。

表1 試驗工況

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 液滴行為及分析

試驗顯示：①高頻脈沖電場中液滴行為表觀現(xiàn)象與以前研究的高壓直流場［9］類似，二者均觀察到了液滴的變形、破裂、碰撞聚合、分離等行為；②通過提取液滴行為數(shù)據(jù)，定量結(jié)果顯示高頻脈沖電場液滴行為規(guī)律有著顯著不同。

設(shè)定以下試驗工況，液滴粒徑3.13mm，添加活性劑，電源頻率6 000Hz（恒定），隨著調(diào)節(jié)電場強度從0V／cm提高至1 250V／cm，試驗現(xiàn)象如圖2所示。液滴在高頻脈沖電場力的作用下，由初始狀態(tài)的圓球形狀變形為橢圓形狀或棗核狀，同高壓直流電場試驗類似，液滴粒徑、界面張力、電場強度等因素對液滴的變形程度均有影響。

圖2 液滴變形示意

借助數(shù)字圖像處理技術(shù)，可獲取圖2中變形液滴的長短半徑數(shù)據(jù)A、B，通過定義變形度概念：On＝（0＜On＜1），可定量描述液滴形變。圖3定量顯示了數(shù)據(jù)處理得到的變形度曲線，變形度隨電場強度提高而逐步升高。值得注意的是：對比直流電場研究結(jié)果［9］，因使用高頻脈沖電源，電場間歇作用于液滴，相同條件下液滴的變形程度明顯小于高壓直流電場作用的結(jié)果。

圖3 液滴變形度與電場強度關(guān)系曲線

調(diào)節(jié)電場至超過液滴破裂的臨界場強，可觀察到在高頻脈沖電場下的電分散現(xiàn)象與高壓直流電場作用結(jié)果類似。如圖4所示，超過臨界電場強度，試驗觀察到大量子液滴不斷從母液滴尖端脫離，隨母液滴粒徑減小，分離逐漸停止，達到臨界平衡狀態(tài)。試驗結(jié)果還顯示，因脈沖電場間歇作用，相同條件下，電分散臨界場強明顯大于高壓直流電場作用結(jié)果。

圖4 液滴電分散

高頻脈沖電場作用下同樣存在液滴的碰撞聚合或碰撞分離現(xiàn)象，如圖5～6所示，其原理類似高壓電場作用效果［9］。適當電場強度下（如圖5），液滴受電場作用極化變形，形成相互吸引的電偶極子，相近液滴發(fā)生碰撞，發(fā)生液膜排液、融合，兩碰撞液滴發(fā)生聚并，形成更大粒徑的液滴；然而隨著電場強度的進一步提高（如圖6），液滴碰撞后，接觸點異性電荷中和，兩液滴將形成一個新的啞鈴狀極化個體，因接觸點面積較小，液膜界面張力不足以抵抗高強度的電場拉伸作用，液滴接觸后立即反彈分開，此時因兩液滴帶有異種電荷，在電場力作用下各自快速向相反電極移動，此現(xiàn)象不利于液滴的聚并和乳化液破乳。對比高壓直流電場研究，試驗表明：因電場間歇作用，相同條件下，產(chǎn)生碰撞分離的臨界場強明顯高于高壓直流電場作用結(jié)果。

圖5 液滴聚合全過程

圖6 液滴反彈全過程

綜上所述，高頻脈沖電場與高壓直流電場中的分散相液滴表觀行為較為類似；高頻脈沖電場作用下，由于電源的脈沖特性，作用于液滴上的電場力具有間歇性，導致相同條件下，液滴變形程度減弱，液滴破裂及碰撞分離的臨界電場強度均大幅度提高。以上研究表明：電源的頻率特性可有效擴大電破乳的電場強度范圍，抑制電分散及碰撞分離現(xiàn)象，在一定程度上反映了高頻脈沖電場破乳技術(shù)相比高壓直流電場破乳具備顯著的優(yōu)越性。

2.2 液滴行為影響因素

通過改變電場及試驗介質(zhì)特性，結(jié)合圖像處理技術(shù)，可進一步定量研究高頻脈沖電場作用下的液滴行為規(guī)律，揭示其對乳化液破乳的影響。圖7顯示了固定電場頻率4 000Hz時，液滴形變與各試驗參數(shù)之間的關(guān)系。

圖7 頻率4 000Hz時液滴變形度與各參數(shù)關(guān)系曲線

由如圖7可知：分散相液滴變形程度均隨電場強度單調(diào)遞增，同時曲線還反映了越小液滴抵抗變形的能力越強，界面張力降低會促使液滴變形程度加劇等規(guī)律?？傮w上，高頻脈沖電場中液滴行為受電場強度、液滴粒徑、油水界面張力的影響趨勢與高壓直流電場作用結(jié)果［9］相近，不同點是在數(shù)值上存在顯著差異。分析原因，其差異來源于電源的頻率特性，為此本文進一步通過改變作用電場頻率（4 000～8 000Hz），研究了電源頻率從對液滴行為的影響規(guī)律。圖8～11顯示了不同電源頻率特性試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計出的液滴形變曲線。

圖8 頻率5 000Hz時液滴變形度與各參數(shù)關(guān)系曲線

圖9 頻率6 000Hz時液滴變形度與各參數(shù)關(guān)系曲線

圖10 頻率7 000Hz時液滴變形度與各參數(shù)關(guān)系曲線

圖11 頻率8 000Hz時液滴變形度與各參數(shù)關(guān)系曲線

如圖8～11所示，各個頻率工況下，液滴形變曲線的基本趨勢相同，且變形程度均小于高壓直流電場作用結(jié)果；然而研究發(fā)現(xiàn)相同狀況下，液滴在不同頻率作用下變形程度有著顯著偏差，提取不同頻率下相同液滴的變形數(shù)據(jù)，曲線如圖12所示。

圖12 液滴變形度與電源頻率關(guān)系曲線

由圖12可知：變形程度隨著電源頻率的增加有著顯著的改變，且呈現(xiàn)非線性的規(guī)律。這預示存在一個使液滴變形達到最大的頻率范圍，從一定角度揭示了高頻脈沖電場破乳技術(shù)存在最佳的破乳頻率，此結(jié)論已通過高頻脈沖電破乳技術(shù)在勝利油田的現(xiàn)場應用得到了驗證。

3 結(jié)論

1） 通過試驗裝置對高頻脈沖電場作用下液滴行為進行觀察記錄。結(jié)果顯示高頻脈沖電場中分散相液滴存在變形、破裂、碰撞、聚合、分離等行為。

2） 對比顯示，高頻脈沖電場中液滴行為與高壓直流電場作用結(jié)果相近；然而，因脈沖電場間歇作用，相同條件下，液滴變形程度減弱，液滴破裂及碰撞分離的臨界電場強度均大幅度提高。

3） 高頻脈沖電場中的液滴行為，除與電場強度、液滴粒徑和油水界面張力有關(guān)外，還受到電場頻率的影響，研究揭示高頻脈沖電場破乳技術(shù)存在合理的電場脈沖范圍。

4） 合理的電場頻率可有效擴大電破乳的電場強度范圍，抑制電分散及碰撞分離現(xiàn)象，高頻脈沖電場破乳技術(shù)與高壓直流電場破乳相比具備顯著的優(yōu)越性。

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