[发明专利]把电场和微通道耦合起来实现Pickering乳液破乳的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及油水分离领域、乳液工业领域及微流控技术领域；特别提出一种把电场和微通道耦合起来实现Pickering乳液破乳的方法及装置。

背景技术

随着国内油田进入三次采油阶段，在采油过程中，为了提高油的采收率，油田大都选择向油井注水、加入表面活性剂甚至纳米固体颗粒^[1]，所以开采出的石油大都是以油水乳状液的形式存在，由于加入的稳定剂和天然存在的沥青质、石蜡、粘土颗粒，使得乳液难以破乳。目前油田工业上用于油水分离的方法概括起来主要有物理法和化学法两种，其中物理法机理大致是通过离心、电场、磁场、声场等给乳状液提供外力和能量，使其分散相液滴的界面膜破坏而重新聚合成较大液滴进而在重力作用下促成其沉降分离^[2]。根据原油中水的三种存在形式：溶解水、悬浮水和乳化水^[3]，可以选择不同的设备除去相应形式的水。其中溶解水成均相状态，以分子的形态存在于烃类化合物分子之间，可以通过重力沉降除去；悬浮水呈悬浮状态，可用加热沉降的方法去除；乳化水必须采用特殊的工艺才可去除，例如电脱水等。电脱水的基本原理是原油乳状液中的水滴在电场力的作用下以三种不同方式发生聚结：偶极聚结、振荡聚结和电泳聚结^[4]。这三种聚结方式都是分散相液滴在电场作用下产生静电作用，使得液滴动能增加，从而提高其之间的碰撞和聚结的概率。但这些聚结方式总是随机碰撞的，不能很好的控制液滴聚并破乳，往往导致大量的液滴聚集在电极区附近，从而造成工作效率下降。研究者们对乳状液中液滴在电场作用下的变形、聚集和破碎机理的研究，目的是为油水分离设备和装置的内构件结构合理性提供可靠依据，从而提高油水分离效率。原油电脱水的设备根据电极板结构的差异分为：平式电极、悬挂式电极、多层鼠笼式电极；根据电场类型分为直流电场、交流电场及交直流电场^[5]。直流电场脱水效率高但易引起电解腐蚀，因此用于炼油厂电导率较低的原油脱水；交流电场由于不产生电解，可用于处理高含水原油；而交直流电场则皆具二者的优点，在炼油厂应用最广泛,所以在我们的发明中也采用交直流电场。

Pickering乳液在油田采油过程中是经常遇到的，它是由纳米或者微米尺寸的颗粒吸附在油水界面上形成的稳定乳状液。传统表面活性剂稳定乳液时，会在乳液表面达到吸附与脱附的动态平衡，而Pickering乳液的固体粒子一般是不可逆地吸附在油水界面上。与传统的表面活性剂稳定的乳液相比，Pickering乳液更加稳定，破乳所需要的吉布斯自由能更大^[6]。随着纳米材料技术的发展，纳米级颗粒形成的微米级稳定乳液能顺利通过毛细通道，使得Pickering乳液用作油层尤其是高温油层驱油成为可能^[1,7]。但是乳状液稳定性的提高带来了破乳难的问题，为了使Pickering乳状液能够在采油过程中得到广泛的应用，Pickering乳状液的破乳技术将是一个重要的研究方向。破乳过程就是通过对液滴及液滴群的流变运动行为、界面现象，以及液滴之间的相互作用控制达到乳液滴碰撞、聚结的过程。

近些年来研究者提出了多种使Pickering乳液破乳的方法。Nudurupati等人^[8]提出利用外加电场可以改变颗粒在其稳定的Pickering乳液的分散相界面上的分布情况。但所选的固体颗粒具有介电特性，当施加均匀电场时，由于液滴的存在使得液滴周围的电场强度分布不均匀，在液滴两端或者两侧电场强度最大，这样被极化的固体颗粒受力也不均匀，会使固体颗粒在两相界面上移动，最终达到颗粒在液滴的两极或者两侧分布的状态。颗粒在液滴的两极还是两侧分布这要取决于连续相、分散相、固体颗粒的介电常数。Hwang等人^[9]在此基础上提出了包括连续相、分散相、固体颗粒的介电常数等因素在内的复合莫索里因数。若复合莫索里因数大于零，在外加电场作用下，界面上的固体颗粒将移向液滴两端，若其小于零，固体颗粒将移向液滴两测。