剪切流场中稠油油滴聚并机理与数学模型研究

In the oil-water separation unit, the transport of asphaltene/ resin at the oil-mineralized water interface and oil-water two-phase flow have important effects on the coalescence of heavy oil droplets in shear flow field. Based on the experiments of average molecular structure of heavy oil components and properties of heavy oil/mineralized water interface, the asphaltene/ resin interface transport model in shear flow field is established by combining molecular simulation technology. According to the experiment of oil droplet coalescence, mechanisms of oil droplet collision and liquid film drainage are analyzed. A transient dynamic model of oil-water interface under shear action is established. The judging criteria of oil droplet collision is determined. The theoretical calculation methods of characteristic parameters such as contact time, coalescence time and critical thickness during the break of liquid film are developed. Based on the mechanism of droplet collision and liquid film drainage, the coalescence model of oil droplets is established. Considering the effects of oil-water two-phase flow and asphaltene/ resin interface transport, the oil-water two-phase flow model accompanied by oil droplet coalescence is constructed, which can realize the coalescence process of heavy oil droplets in shear flow field. The coalescence mechanism and mathematical model of heavy oil droplet in shear flow field are studied by combining experiment with theory. The research results will provide a theoretical basis for the study of oil-water separation efficiency and the development of efficient separation equipment.

油水分离装置内，沥青质/胶质在油-矿化水界面上的输运以及油水两相流动的耦合作用对稠油油滴在剪切流场中的聚并具有重要影响。基于稠油组分平均分子结构实验与稠油/矿化水界面性质实验，结合分子模拟技术，建立剪切流场中的沥青质/胶质界面输运模型；基于油滴聚并实验，分析油滴碰撞、液膜排液减薄机理，建立剪切作用下油水界面瞬态动力学模型，确定油滴碰撞结果的判别准则，接触时间、聚并时间、液膜破裂临界厚度等特征参数的理论计算方法；基于油滴碰撞、液膜排液减薄机理，建立油滴聚并模型，考虑油水两相流动以及沥青质/胶质界面输运的作用，构建伴随油滴聚并的油水两相流模型，从而实现对在剪切流场中的稠油油滴聚并过程的准确模拟。本课题采用实验与理论相结合的方法，开展剪切流场中稠油油滴聚并机理与数学模型研究，研究成果将为油水分离效率的研究以及高效分离设备的研制开发提供理论依据。

沥青质/胶质在油-矿化水界面上的输运以及油水两相流动的耦合作用对油水分离装置内的稠油油滴在剪切流场中的聚并具有重要影响。针对这一特点，本项目（1）通过开展实验研究，获得了稠油中沥青质、胶质以及油分的平均分子结构及其类型特征；探究了沥青质/胶质/油分浓度与类型、温度、矿化度对油水界面张力、界面黏度等界面参数的影响；研究了沥青质/胶质浓度、温度、含油率、剪切速率对水包油型乳状液混合黏度的影响，建立了改进的油水混合黏度模型；分析得到了剪切作用下油滴聚并演化过程的特征以及油滴群粒径分布变化规律。（2）基于稠油组分平均分子结构实验与稠油/矿化水界面性质实验，结合分子模拟技术，揭示了剪切作用下沥青质/胶质吸附/扩散对油水界面张力与界面流变性的影响规律，建立了表征沥青质与胶质分子运动与界面性质间关联性的界面输运模型。（3）基于油滴聚并实验，分析了油滴变形破裂、液膜排液减薄机理，建立了剪切作用下油水界面瞬态动力学模型，确定了油滴变形破裂以及聚并过程中沥青质/胶质在油水界面的运移特征，揭示了变形度、聚并时间等特征参数的变化规律。（4）基于油滴聚并机理，建立了油滴聚并模型；基于油滴变形破裂机理，建立了油滴破裂模型。结合油滴群聚并实验结果，基于液滴动力学和流体力学，建立了计算流体力学模型，引入聚并模型、破裂模型与沥青质/胶质界面输运模型，同时将考虑了沥青质/胶质浓度作用的改进的油水混合黏度模型引入到湍流模型中，构建了伴随油滴聚并的油水两相流模型。（5）基于建立的伴随油滴聚并的油水两相流模型，以除油型水力旋流器为分析对象，实现了分离装置内剪切流场中油滴聚并速率的计算，获得了油水分离装置分离效率的预测方法。本项目研究成果实现了对剪切流场中的稠油油滴聚并过程的准确模拟，为提高油水分离效率和研发高效分离设备提供了理论与技术支撑。