电场作用下油中水滴聚结与破碎的微观实验研究

Coalescence of microsize droplet in crude oil is difficult and crucial in strengthening the process of crude oil/water separation in oil industry. Charactersitics of coalescence and breakup of droplet under electric field, flow field or couple of electric field and flow field is involved in the problems of multiphase, multiphysics and micro scale, which have not been understood. Many problems involving numerical simulation and micro experimental research on motion, coalescence of droplet in electric field and flow field need to be solved. Through the analysis of dielectric property of different oil-water mixture, this research aims to build a micro experimental system with transparent experiment medium to study oil-water electro-coalescence behavior. In this system, the mechanism of droplets deformation and the thinning, breakup process of interfacial film in electric field are researched with high-speed microscope system to reveal the discipline of collision and coalescence that happened in water-in-oil dispersed system. Precise and quantitative knowledge to describe oil-water microstructure is also investigated. This study belongs to a coupling scientific question of multiphysics and multiphase, which obeys the basic research dimensions expand from the macro to the mesoscope and micro. It has an important theoretical value and scientific significance for the exploration of random, unsteady, multi-dimensional, multiphase, complex problems as well as for the trend of interdisciplinary scientific research.

把原油中微小水滴聚结成大水滴是石油生产中强化油水分离的难题与技术关键。电场、流场或电场与流场协同作用下液滴的聚结与破碎规律涉及多场、多相和微观等问题，目前对该问题的研究还很不深入，微观研究与数值模拟电场与流场中液滴的运动、聚结行为还有很多科学问题需要解决。本项目拟通过分析不同油水混合物的介电特性，研发模拟实际油水混合物电聚结行为的透明实验介质和微观实验系统，采用高速显微实验方式研究电场作用下液滴运动变形的内在机理及界面膜薄化与破裂的演化特征，在此基础上揭示油包水分散体系中液滴间的碰撞与聚结规律，探索精确且定量的描述电场作用下油水微观结构的知识体系。本研究属于多场与多相之间相互耦合的科学问题，符合基础研究的研究尺度从宏观向介观、微观扩展，对随机、非定常、多维、多相、复杂问题的探索和多学科交叉研究的科学发展趋势，具有重要的理论价值和科学意义。

根据任务书研究内容，利用建立并完善的显微高速静电实验系统、流动聚结实验系统以及电场-流场聚结在线测量实验系统，结合数值模拟技术，对电场与流场作用下的运动、变形、破裂、聚并等微观行为进行了深入研究。取得的主要研究成果如下：.（1）对电场作用下液滴运动特征进行了深入研究，建立了直流脉冲电场作用下液滴运动规律模型，分析得到了电场参数及物性参数等对液滴运动的影响规律，揭示了电场作用下液滴运动的动力学机理。.（2）阐释了电场作用下液滴变形的动力学机理，得到了正弦交流电场作用下液滴变形特征，以及电场参数、物性参数等对其的影响规律；探讨了脉冲电场作用下液滴变形的响应过程，得到了响应过程特征参数所遵循的无量纲准则式。.（3）结合理论分析与实验研究，对电场作用下液滴的破裂模式及特征进行了深入研究，建立了液滴在电场中的破裂模型，揭示了电场作用下液滴破裂的动力学机理，得到了液滴破裂临界条件的变化规律。.（4）建立了电场作用下液滴靠近与液膜排液模型，明确了电场参数、物性参数等对液滴相对运动的影响规律，得到了液滴临界聚并角度的变化规律，揭示了液滴群聚并特征，得到了不同电场参数条件下液滴群的运动特征，阐释了液滴链在电场作用下的形成机理与分布规律。.（5）探讨了流场作用下油水乳状液的聚并效率，结合数值模拟技术，得到了电场与流场协同作用下液滴对的聚并行为及临界条件，明确了电场、流场参数的影响机理。.（6）对碱、表面活性剂和聚合物体系中液滴在电场作用下的变形、破裂及聚并规律进行了详细而深入的探究，得到了不同ASP体系下液滴微观行为特征的变化规律，明确了三元交互作用对液滴微观行为的影响规律及机理。.研究成果完善了静电聚并基础理论体系，为新型紧凑式静电聚结设备的研发提供了有力的理论指导，具有十分重要的应用价值，将有利于形成具有强适应性的高效静电聚并科学方法，从而提高我国油气开发领域设备的整体性能及国际竞争力。