【摘要】：原油脫水是油田采出液處理的核心工藝環(huán)節(jié)之一,而電脫水是一種重要的原油脫水方法。隨著稠油的開(kāi)發(fā)和三次采油技術(shù)的應(yīng)用,油田采出液的物理性質(zhì)和乳化特性都發(fā)生了變化,電脫水器中電場(chǎng)的穩(wěn)定性受到影響,處理效果變差,甚至“倒電場(chǎng)”,導(dǎo)致電脫水器無(wú)法正常工作。本論文就靜電聚結(jié)的整個(gè)過(guò)程開(kāi)展研究,分析水滴和水滴對(duì)的變形、運(yùn)動(dòng)、聚并以及接觸后的運(yùn)動(dòng)特性,獲得電脫水器的工作原理、特性和電脫水設(shè)備不能正常工作的原因以及有效運(yùn)轉(zhuǎn)的條件,尋求該技術(shù)的適用性以及提高其效果的措施。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:采用理論和高速攝像實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了電場(chǎng)作用下不同粒徑水滴的變形規(guī)律。水滴變形是電場(chǎng)力、界面張力和水滴內(nèi)外壓差共同作用的結(jié)果。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,水滴變形并非標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)橢球形,而是腰部更加豐滿的近似橢球形狀。采用將電場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)ED光強(qiáng)信號(hào)與水滴變形的圖像信號(hào)同時(shí)存儲(chǔ)的方法,對(duì)交流電場(chǎng)中水滴變形與電場(chǎng)的相位差進(jìn)行了測(cè)量,結(jié)果表明相位差隨著電場(chǎng)頻率的增加而增大,而與電場(chǎng)強(qiáng)度無(wú)關(guān)。在粘性連續(xù)介質(zhì)中,水滴變形為過(guò)阻尼系統(tǒng),沒(méi)有水滴變形的共振現(xiàn)象,隨著交流電場(chǎng)頻率增加,水滴的變形增加。當(dāng)超過(guò)一定變形(電場(chǎng)We數(shù))后,水滴受力平衡被打破,水滴破裂。水滴破裂的原因是內(nèi)壓強(qiáng)降低幅度隨變形增加逐漸減小,當(dāng)變形超過(guò)一定程度后,水滴不能達(dá)到穩(wěn)定變形狀態(tài),變形持續(xù)進(jìn)行,水滴內(nèi)壓強(qiáng)反而隨變形增加而增加,使水滴破裂。根據(jù)球形水滴表面電荷的分布特點(diǎn),利用積分方法計(jì)算了水滴極化電荷的數(shù)量和重心,利用該電荷數(shù)量和重心位置進(jìn)行了水滴間受力分析,提出了新的球形水滴間受力計(jì)算公式。利用有限差分的方法,分析了水滴在不同間距時(shí)的電場(chǎng)力,計(jì)算結(jié)果與點(diǎn)電荷計(jì)算結(jié)果的變化趨勢(shì)基本一致。交流電場(chǎng)中,球形水滴間偶極力的平均值為電場(chǎng)強(qiáng)度為交流電場(chǎng)有效值時(shí)的偶極力,球形水滴所受的電場(chǎng)力與電場(chǎng)頻率無(wú)關(guān)。交流電場(chǎng)中,電場(chǎng)強(qiáng)度波動(dòng)引起的水滴振動(dòng)為單自由度系統(tǒng)的有阻尼受迫振動(dòng),在較小的水滴粒徑、較大的連續(xù)相粘度和較高的電場(chǎng)頻率條件下,水滴位置變化幅度非常小,可以忽略不計(jì)。在水滴帶電時(shí),如果水滴粒徑較小、連續(xù)相粘度較大和電場(chǎng)頻率較高,那么水滴位置變化幅度也非常小。在水滴粒徑較小、連續(xù)相粘度較大的條件下,水滴動(dòng)態(tài)過(guò)程的時(shí)間常數(shù)較小,水滴從靜止到勻速運(yùn)動(dòng)的過(guò)程較快,可以忽略啟動(dòng)加速時(shí)間。交流電場(chǎng)中的電場(chǎng)強(qiáng)度波動(dòng)項(xiàng)雖然不影響水滴接近的電場(chǎng)力,但是對(duì)水滴形狀產(chǎn)生影響,水滴形狀又影響水滴間的電場(chǎng)力和運(yùn)動(dòng)阻力,因此試驗(yàn)中能夠發(fā)生變形的實(shí)際水滴的相互接近速度與電場(chǎng)強(qiáng)度和電場(chǎng)頻率有關(guān)。變形使水滴中心距不變的條件下,水滴的間距減小,水滴間作用力增加,能夠提高水滴相互接近的速度,利于接近和碰撞。在總體積相同的條件下,不同大小的兩個(gè)水滴在粒徑相同時(shí),具有最大相互接近速度。不同大小水滴對(duì)中,小水滴的運(yùn)動(dòng)速度快于大水滴的運(yùn)動(dòng)速度。當(dāng)水滴對(duì)中一個(gè)水滴的粒徑減小時(shí),水滴相互接近的電場(chǎng)力和速度都減小。建立了球形水滴運(yùn)動(dòng)速度、水滴間距與其接近時(shí)間的計(jì)算方法和近似計(jì)算公式。水滴接近所需時(shí)間與連續(xù)相粘度和介電常數(shù)、水滴半徑、水滴間距以及電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。利用數(shù)值差分的方法計(jì)算了球形水滴接觸后的電場(chǎng)分布、電荷分布以及水滴的受力。兩個(gè)接觸后的水滴成為一個(gè)導(dǎo)體,這樣兩水滴的外側(cè)將重新極化出相反的電荷,而兩水滴中間部分電荷密度減少。水滴兩側(cè)的電荷在電場(chǎng)力作用下產(chǎn)生方向相反的電場(chǎng)力,該電場(chǎng)力方向指向兩水滴的外側(cè),成為阻礙水滴聚并的力。在一定電場(chǎng)強(qiáng)度條件下,水滴接近然后接觸,接觸后水滴聚并成為一個(gè)更大的水滴。但是超過(guò)一定電場(chǎng)強(qiáng)度后,水滴將不能聚并。不同粒徑的水滴臨界聚并電場(chǎng)強(qiáng)度不同。隨著粒徑的增加,臨界聚并電場(chǎng)強(qiáng)度降低。水滴能否聚并是由水滴及其連接部分的壓強(qiáng)決定的,在電場(chǎng)強(qiáng)度低于臨界聚并電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí),水滴壓強(qiáng)高于其連接部分的壓強(qiáng),因此水從水滴不斷流入水滴間的連接部分,兩個(gè)水滴能夠完成聚并;在較高的電場(chǎng)強(qiáng)度條件下,水滴連接部分壓強(qiáng)會(huì)高于水滴的壓強(qiáng),這時(shí)水從水滴連接部分回流到水滴,水滴連接部分不斷減小,直到水滴重新分裂。水滴的壓強(qiáng)受水滴變形影響,變形越大,水滴內(nèi)壓強(qiáng)越低。變形超過(guò)一定程度,水滴將不能聚并。水滴變形可用電場(chǎng)We數(shù)表示,臨界聚并We數(shù)大約為臨界破裂We數(shù)的39%。在高的交流電場(chǎng)頻率條件下,水滴變形較大,大的水滴變形不利于水滴的聚并,因此水滴的臨界聚并電場(chǎng)強(qiáng)度隨著電場(chǎng)頻率的增加而降低。如果交流電場(chǎng)中兩個(gè)水滴不能聚并,水滴不是相互分開(kāi),而是彈開(kāi)、接近、彈開(kāi),不斷重復(fù),彈開(kāi)的距離較近,水滴接近、彈開(kāi)的頻率與電場(chǎng)頻率相同。水滴大小不同,內(nèi)部壓強(qiáng)也不同,小水滴內(nèi)部壓強(qiáng)高,因此只要水滴連接部分的壓強(qiáng)小于小水滴的壓強(qiáng),連接部分體積就能夠增加,表現(xiàn)為小水滴注入大水滴中。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在錐角達(dá)到48°時(shí),水滴間連接部分的半徑仍然可以增加。在高的電場(chǎng)強(qiáng)度下,水滴運(yùn)動(dòng)速度快、動(dòng)能多,在接觸的開(kāi)始階段水滴間連接部分的半徑增加速度快。分析了電脫水工藝的原理和臨界分離粒徑及其影響因素。電脫水器需要在一定電場(chǎng)強(qiáng)度之下運(yùn)行,如果超過(guò)電場(chǎng)強(qiáng)度限制增加電場(chǎng)強(qiáng)度,反而起到相反的作用,阻礙水滴的聚并,惡化脫水效果。研究發(fā)現(xiàn)電脫水器來(lái)油中水滴的分布可以簡(jiǎn)化為指數(shù)分布,提出了體積粒徑分布的概念,細(xì)小水滴的數(shù)量雖然比例大,但是體積比例并不一定高,分析了達(dá)到脫水指標(biāo)需要的脫水率以及需要脫除的最小水滴粒徑。保證電脫水器有效脫水的條件是大部分水滴聚并增大到臨界分離粒徑以上,而且聚并后的粒徑要小于臨界破裂粒徑。電脫水過(guò)程中數(shù)值模擬的難度、復(fù)雜程度非常高,計(jì)算量非常大。為了簡(jiǎn)化計(jì)算,假設(shè)需要分離的最小粒徑水滴,在上升過(guò)程中不與其它粒徑水滴發(fā)生聚并,只存在相同粒徑水滴間的聚并,含水量為需要分離的最小粒徑的水滴以及小于該粒徑水滴的水量。該假設(shè)可以很大程度上簡(jiǎn)化脫水效果的分析,據(jù)此建立了水滴從初始粒徑聚并到分離粒徑所需要聚并次數(shù)的計(jì)算方法、水滴間距的數(shù)學(xué)模型以及水滴從初始粒徑增加到分離粒徑所需要的時(shí)間和電脫水器能否適用的判別式。電脫水器能否適用由油水密度差、油水界面張力、原油粘度、來(lái)液含水及水滴粒徑分布、脫水器電場(chǎng)空間尺寸、臨界聚并電場(chǎng)We值和處理量等決定。增強(qiáng)電脫水器適用性的方法主要是優(yōu)化電場(chǎng)型式、電極間距以及處理液量、處理溫度、破乳藥劑等。電脫水器的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行試驗(yàn)表明該簡(jiǎn)化計(jì)算模型具有一定的有效性。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)石油大學(xué)(華東)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TE624.1
【圖文】：

中國(guó)石油大學(xué)（華東）博士學(xué)位論文第 2 章 試驗(yàn)裝置與方法.1 試驗(yàn)裝置、介質(zhì).1.1 試驗(yàn)裝置采用實(shí)驗(yàn)樣槽、平板電極、高壓電源、光源、高速 CCD、電壓測(cè)量系統(tǒng)等，研場(chǎng)作用下物理性質(zhì)不同的油相中水滴的變形、運(yùn)動(dòng)、聚結(jié)等微觀特性。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和尺寸如圖 2-1 所示。

圖 2-2 電壓測(cè)試電路示意圖Schematic electric circuit of the voltage me值和降壓后測(cè)得的電壓 V2，可以計(jì)22121VRRRV 11221122121dRRRVRdRRdRRRdV 11211222121RRRRdRRdRVRR dVdRdRRdV

圖 2-3 （a）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖；（b）樣槽尺寸Fig. 2-3 (a) Schematic of the experimental devices; (b) dimensions of the cell2.2.2 數(shù)值模擬方法水滴在電場(chǎng)中的變形、運(yùn)動(dòng)和聚并與水滴電荷分布和所受電場(chǎng)力等因素有關(guān)。水滴表面的電荷分布和電場(chǎng)力不易于觀察和測(cè)量，易于受到干擾。因此，電場(chǎng)參數(shù)的計(jì)算分析是一種非常有效的研究手段。除特殊條件下，便于計(jì)算解析解外，數(shù)值分析計(jì)算的方法具有更強(qiáng)的通用性。水滴表面電荷密度可以通過(guò)水滴周?chē)妱?shì)和電場(chǎng)強(qiáng)度的分布獲得；獲得水滴表面電荷分布后可以計(jì)算水滴上所受的電場(chǎng)力等參數(shù)。具體如下：水滴周?chē)妱?shì)分布由 Poisson 方程決定[89] V 2(2-8)式中，V 是電勢(shì)，ρ是電荷密度，ε是介電常數(shù)。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2743079