高频脉冲电场作用下液滴行为特性研究

2012-09-07郭长会冯永训余忠俊

石油矿场机械 2012年12期

郭长会，冯永训，王亮，张建，余忠俊

（1.中国石油大学，山东青岛266580；2.胜利油田胜利勘察设计研究院有限公司，山东东营257026；3.中国石油大学，北京102249）①

近年来，随着原油含水率的增加，节能以及对环保要求的愈加严格，传统油水乳状液处理方法受到巨大挑战，研究开发新型、高效、经济的原油破乳脱水方法，已经成为目前石油工业领域普遍关注的热门课题之一［1］。国内外学者通过相关研究，探索了许多创新性的破乳技术，部分已经进入了现场应用阶段，例如高频脉冲电破乳技术［2－5］，现场试验及应用效果显著，具有很好的应用前景。

电脱水技术具有对原油适应性强、脱水效率高、技术成熟等特点，交流、直流以及交－直流复合电脱水技术一直是油田地面集输中应用十分广泛的脱水技术手段［6－7］。其原理是依靠外加电场提供能量，削弱维持乳状液稳定的界面膜的强度，促进液滴间的聚结、沉降，达到油水分离的目的。与传统电脱水技术相比，高频脉冲电场破乳技术不但能够稳定的建立高压破乳电场，而且对高黏度原油处理也具有良好效果，可解决原油高含水发展期产生的一些问题，同时可降低破乳剂的用量和生产能耗。高频脉冲电场破乳技术还能解决电极间高压短路问题，不易发生因电击穿产生的乳化加剧现象。使用脉冲供电，可有效避免电极短路，且具有运行稳定、能耗低等优点，该技术对于陆上和海上油田生产结构化以及设备小型化皆有着显著的优势；在保持破乳率效果的前提下，与传统的直流、交流电破乳方法相比，该技术更具优势。

电破乳中电场向液体提供能量是通过促使液滴极化变形及受力运动的形式实现的，液滴行为与电场的作用之间有着密切联系。以前针对电破乳技术的研究，大都集中在破乳宏观规律及设备研发等方面，对分散相液滴在电场作用下的微观行为了解十分有限［5，8－10］，尤其是高频脉冲电场作用下液滴行为，试验室前期曾经研究过高压直流电场作用下液滴行为规律［9］。本文则针对性地通过设计相应的试验平台，进一步进行了高频脉冲电场液滴行为试验，深入探讨了乳化液分散相液滴与高频脉冲电场相互作用规律及其影响因素。

1 试验方案

1.1 试验装置

本研究的液滴观察试验系统如图1所示，主体部分为高频脉冲电源和置入电极的乳化液槽。在试验介质方面，连续相采用二甲基硅油，25℃条件下，介质黏度为（500±25）mPa·s，密度为0.974g／cm；分散相介质采用红墨水染色水；油水界面张力使用JJ2000A型旋转滴界面张力测量仪进行测定。试验过程采用配有微距镜头的高速摄像机和单反相机作为图像采集工具，对液滴变形、破裂、碰撞、聚合及电泳等行为进行全面的图像采集，以获取液滴行为的原始数据。

1）试验设备高频脉冲电源、乳化液观察槽、高速摄像机（MotionPro X4）、单反相机、微距镜头、ThermoHaake流变仪、JJ2000A型旋转滴界面张力测量仪等。

2）试验介质二甲基硅油、红墨水染色水。

3）相关软件自编图像处理软件SP3.0［9］、Matlab等。

图1 试验装置示意

1.2 试验工况

为了更好地研究不同操作及物性参数对分散相液滴行为的影响，选择试验工况需要实现对各参数的精准控制。试验过程中，通过采用不同型号的医用注射器，实现了3个级别液滴粒径的控制，粒径偏差控制在3%；通过在染色水中添加表面活性剂（曲拉通X－100），实现液膜界面张力的调节，经测定加入乳化剂后，油水界面张力降低约1／4；同时为研究液滴行为的各个阶段，通过高频脉冲电源控制系统，实现电场强度从0～2 000V／cm的无级调节，电源频率设置为4 000～8 000Hz；通过观察记录液滴在不同电源频率、电场强度作用下的行为，借助相应的图像处理技术，获取液滴形态相关数据，研究液滴行为规律。系统的试验工况如表1所示。

表1 试验工况

2 试验结果及分析

2.1 液滴行为及分析

试验显示：①高频脉冲电场中液滴行为表观现象与以前研究的高压直流场［9］类似，二者均观察到了液滴的变形、破裂、碰撞聚合、分离等行为；②通过提取液滴行为数据，定量结果显示高频脉冲电场液滴行为规律有着显著不同。

设定以下试验工况，液滴粒径3.13mm，添加活性剂，电源频率6 000Hz（恒定），随着调节电场强度从0V／cm提高至1 250V／cm，试验现象如图2所示。液滴在高频脉冲电场力的作用下，由初始状态的圆球形状变形为椭圆形状或枣核状，同高压直流电场试验类似，液滴粒径、界面张力、电场强度等因素对液滴的变形程度均有影响。

图2 液滴变形示意

借助数字图像处理技术，可获取图2中变形液滴的长短半径数据A、B，通过定义变形度概念：On＝（0＜On＜1），可定量描述液滴形变。图3定量显示了数据处理得到的变形度曲线，变形度随电场强度提高而逐步升高。值得注意的是：对比直流电场研究结果［9］，因使用高频脉冲电源，电场间歇作用于液滴，相同条件下液滴的变形程度明显小于高压直流电场作用的结果。

图3 液滴变形度与电场强度关系曲线

调节电场至超过液滴破裂的临界场强，可观察到在高频脉冲电场下的电分散现象与高压直流电场作用结果类似。如图4所示，超过临界电场强度，试验观察到大量子液滴不断从母液滴尖端脱离，随母液滴粒径减小，分离逐渐停止，达到临界平衡状态。试验结果还显示，因脉冲电场间歇作用，相同条件下，电分散临界场强明显大于高压直流电场作用结果。

图4 液滴电分散

高频脉冲电场作用下同样存在液滴的碰撞聚合或碰撞分离现象，如图5～6所示，其原理类似高压电场作用效果［9］。适当电场强度下（如图5），液滴受电场作用极化变形，形成相互吸引的电偶极子，相近液滴发生碰撞，发生液膜排液、融合，两碰撞液滴发生聚并，形成更大粒径的液滴；然而随着电场强度的进一步提高（如图6），液滴碰撞后，接触点异性电荷中和，两液滴将形成一个新的哑铃状极化个体，因接触点面积较小，液膜界面张力不足以抵抗高强度的电场拉伸作用，液滴接触后立即反弹分开，此时因两液滴带有异种电荷，在电场力作用下各自快速向相反电极移动，此现象不利于液滴的聚并和乳化液破乳。对比高压直流电场研究，试验表明：因电场间歇作用，相同条件下，产生碰撞分离的临界场强明显高于高压直流电场作用结果。

图5 液滴聚合全过程

图6 液滴反弹全过程

综上所述，高频脉冲电场与高压直流电场中的分散相液滴表观行为较为类似；高频脉冲电场作用下，由于电源的脉冲特性，作用于液滴上的电场力具有间歇性，导致相同条件下，液滴变形程度减弱，液滴破裂及碰撞分离的临界电场强度均大幅度提高。以上研究表明：电源的频率特性可有效扩大电破乳的电场强度范围，抑制电分散及碰撞分离现象，在一定程度上反映了高频脉冲电场破乳技术相比高压直流电场破乳具备显著的优越性。

2.2 液滴行为影响因素

通过改变电场及试验介质特性，结合图像处理技术，可进一步定量研究高频脉冲电场作用下的液滴行为规律，揭示其对乳化液破乳的影响。图7显示了固定电场频率4 000Hz时，液滴形变与各试验参数之间的关系。

图7 频率4 000Hz时液滴变形度与各参数关系曲线

由如图7可知：分散相液滴变形程度均随电场强度单调递增，同时曲线还反映了越小液滴抵抗变形的能力越强，界面张力降低会促使液滴变形程度加剧等规律。总体上，高频脉冲电场中液滴行为受电场强度、液滴粒径、油水界面张力的影响趋势与高压直流电场作用结果［9］相近，不同点是在数值上存在显著差异。分析原因，其差异来源于电源的频率特性，为此本文进一步通过改变作用电场频率（4 000～8 000Hz），研究了电源频率从对液滴行为的影响规律。图8～11显示了不同电源频率特性试验数据统计出的液滴形变曲线。