确定乳化-起泡体系多组分共吸附界/表面电荷分布方法

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1.本发明涉及的是油气田地面工艺中油水乳化体系及气液起泡体系破乳、消泡工艺技术，具体涉及的是确定乳化-起泡体系多组分共吸附界/表面电荷分布方法。


背景技术：

2.我国提高原油采收率(eor)潜力评价及实践证明，化学驱技术是我国增加可采储量的主要方法和攻关方向，根据驱油机理可分为基于扩大波及体积的聚合物驱、基于降低界面张力以形成湿润反转的表面活性剂驱、基于中和岩层有机酸发生硬膜溶解的碱驱、以及多元化学剂(碱、表面活性剂、聚合物)组合使用的二元/三元复合驱，其中，由于三元复合驱包含了聚合物、表面活性剂、碱等多种化学剂组分，在油气田开发采油过程中，通过聚合物分子对油-水界面膜或油滴产生拉伸作用以增加驱替介质粘度、强化驱替介质洗油能力、扩大驱替介质波及效率，并利用表面活性剂将微小油滴聚并形成油带，进一步提高驱替介质洗油效率，同时针对酸性岩层油气田的开采，控制三元复合驱中碱的含量以捕集处于分散状态的油滴或油膜，进而与表面活性剂产生协同效应，降低各类水驱残余油饱和度，达到油田开发稳产增产的目的。
3.作为伴随油田开发全生命周期产生的油水乳化体系及气液起泡体系，其普遍存在于油气田集输系统的管道、泵机组及管路沿线各种生产单位中，由于油气水乳化-起泡体系中酸度环境、阴阳离子浓度、剪切流场的存在，二元/三元复合驱中的聚合物发生相应的降解反应，产生一端带有电荷的大分子链，与碱和表面活性剂溶解的离子共同共吸附于乳化液滴的界面膜、起泡泡沫的表面膜。然而，还有共识认为这些共吸附作用会影响油气水乳化-起泡体系地面计量、处理工艺的高效运行，尤其是增强乳化液滴、起泡泡沫的稳定性，其内在机理在于当若干降解后的离子组分共吸附于乳化液滴界面、起泡泡沫表面时，界/表面膜的厚度增加，改变界/表面膜的受力特性而提升了机械强度，同时，吸附于乳化液滴/起泡泡沫的多元组分形成自由电荷会激发界/表面电荷的分布特征，将使得用以破坏油气水乳化-起泡体系稳定性的力学因素被静电力所削弱，造成破坏界/表面膜而实现油气水提效分离“屏障”。因此，揭示油气水乳化-起泡体系中由多元组分共吸附作用引起的界/表面电荷分布特征，已经成为了解释科学问题的难点、解决工程问题的重点。不过，现有认识是基于现象或基于与乳化、起泡稳定性相关的实验参数而侧面反映界/表面电荷分布规律，尽管这种规律为共吸附作用下油气水乳化-起泡体系的破乳、消泡工艺拓宽了新的思路，但是尚未能考虑不同共吸附环境与不同乳化液滴/起泡泡沫形态特征而进行界/表面电荷分布的确定，且无法与外界剪切流场的水力特性相关联，直接影响到高效分离技术开发、高效分离设备研发及“双碳”目标下油气集输系统损耗、运行负荷与整体运行效率相互协调配合。这便就提出了基于多元组分共吸附作用与乳化液滴/起泡泡沫形态特征而构建油气水乳化-起泡体系中界/表面电荷分布确定的科学问题，突破传统认识中共吸附环境单一化与理想化、液膜形变描述笼统，特别是存在关键性静电力及剪切力作用不明确的种种局限和难题，科学建立油气水乳化-起泡体系多元组分共吸附界/表面电荷分布的确定方法显得尤为重要。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供确定乳化-起泡体系多组分共吸附界/表面电荷分布方法，这种确定乳化-起泡体系多组分共吸附界/表面电荷分布方法用于解决油气水混合介质集输时，由于油水乳化和气液起泡行为的共存，对油气水乳化-起泡体系中多元组分共吸附界/表面膜力学响应的描述，尤其是对多元组分共吸附作用下界/表面电荷分布与乳化液滴/起泡泡沫形态特征的关系因共吸附环境的随机性而不便运算，且目前仅局限于定性分析而未实现量化确定的问题。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种确定乳化-起泡体系多组分共吸附界/表面电荷分布方法：
6.步骤一、构建考虑乳化液滴/起泡泡沫形态特征的有效电场模型；假设界/表面膜在剪切流场作用下拉伸呈椭球状，建立三维坐标系，在椭球状乳化液滴/起泡泡沫的中心设置一假想内在点电荷，引入球状电场，通过xoy平面截取椭球面上的曲线，所引入球状电场在该曲线上任意微元体垂直法向的有效电场：
[0007][0008]
式中，e为测点的电场强度；ε
rd
为乳化液滴/起泡泡沫的相对介电常数；a为乳化液滴/起泡泡沫在x轴方向的半轴长；b为乳化液滴/泡沫在y轴方向的半轴长；c为乳化液滴/泡沫在z轴方向的半轴长；z0为截取平面的高度；β为椭球中心发散的电场方向与界/表面膜上任意一点的法线所成夹角；k＝9.0
×
109n
·
m2/c2；q为假想内在点电荷的电荷量；
[0009]
步骤二、建立多元组分共吸附作用下界/表面电荷分布与假想内在点电荷的关联：取界/表面膜上任意点面积为da的微元体，一个完整界/表面膜的任意微元体自身电容处处相等，界/表面电荷分布与假想内在点电荷的关联式：
[0010][0011]
式中，δ为界/表面膜厚度；c
bi
是对应于这种组分、组分分子堆砌分数所形成界/表面膜的测量电容；s是通过电流的界/表面膜面积；
[0012]
步骤三、获取油气水乳化-起泡体系空间的属性参数；根据乳化液滴/起泡泡沫所处的空间位置，将三维空间直角坐标系原点设于乳化液滴/起泡泡沫的几何中心，构建油气水乳化-起泡体系的简化六面体空间边界，将油气水乳化-起泡体系空间定义为有效空间与无效空间，有效空间进一步划分为面空间、线空间、点空间，进而获取油气水乳化-起泡体系空间的属性参数；
[0013]
步骤四、建立油气水乳化-起泡体系中界/表面电荷间静电力的向量形式；
[0014]
步骤五、确定考虑乳化液滴/起泡泡沫切向力学平衡的界/表面电荷的分布，用于油气田地面集输处理不同生产节点中多元组分加剧油气水乳化、起泡行为的深刻揭示，实现对油田三次采油复合驱油气水乳化-起泡体系的高效破乳分离处理；
[0015][0016]
上式中ε
rc
为乳化液滴/起泡泡沫周围连续相的相对介电常数；φ为油气水乳化-起泡体系分散相的体积占比；ε
rc
为乳化液滴/起泡泡沫周围连续相的相对介电常数；ρd为油气水乳化-起泡体系中分散相的密度；ρc为油气水乳化-起泡体系中连续相的密度；d为油气水乳化-起泡体系中乳化液滴/起泡泡沫发生形变前的等效粒径；υ为界/表面张力；
[0017]
上述方案中步骤一的具体方法：
[0018]
在乳化液滴/起泡泡沫内部引入一个假想内在点电荷，使得界/表面膜极化产生的极化电荷与多元组分共吸附作用形成的自由电荷等效、力学响应平衡效果一致；
[0019]
假设界/表面膜在剪切流场作用下拉伸呈椭球状，建立三维坐标系，在椭球状乳化液滴/起泡泡沫的中心设置一假想内在点电荷，以入球状电场，对于取界/表面膜上任意一点，由椭球中心发散的电场方向与该点的法线所成夹角为β，椭球状乳化液滴/起泡泡沫中心处假想内在点电荷的球状电场强度为：
[0020][0021]
式中，e为测点的电场强度，v/m；k为静电力常量，k＝9.0
×
109n
·
m2/c2；q为假想内在点电荷的电荷量，c；r为场源点电荷与测点的距离，m；ε
rd
为乳化液滴/起泡泡沫的相对介电常数；
[0022]
则通过xoy平面截取椭球面上的曲线方程为：
[0023][0024]
式中，a为乳化液滴/起泡泡沫在x轴方向的半轴长，m；b为乳化液滴/泡沫在y轴方向的半轴长，m；c为乳化液滴/泡沫在z轴方向的半轴长，m；z0为截取平面的高度，m；
[0025]
转换椭球曲面方程为隐函数形式，有：
[0026][0027]
则用xoy平面截取的曲线上任意一点(x,y,z0)的法向量具体形式表示为：
[0028]
[0029]
根据向量夹角的坐标表达形式，得到法向量与直线向量所成投影角的余弦值cosβ为：
[0030][0031]
所引入球状电场在该曲线上任意微元体垂直法向的有效电场：
[0032][0033]
上述方案中步骤二的具体方法：
[0034]
取界/表面膜上任意点面积为da的微元体，结合界/表面膜厚度极小的几何特征，其认为是平面极板，同时假设界/表面膜的组分均一，即一个完整界/表面膜的任意微元体自身电容处处相等，根据电容决定式有：
[0035][0036]
式中，εr为电容极板间介质的相对介电常数；s为电容极板的正对面积，m2，ds为电容极板的距离，m；k为库仑常数，n
·
m2/c2；
[0037]
对于不同共吸附环境的微元体电容表示为：
[0038][0039]
式中，ci是相对于某一种组分、组分分子堆砌分数下界/表面膜微元体的电容值，f；c
bi
是对应于这种组分、组分分子堆砌分数所形成界/表面膜的测量电容，f；s是通过电流的界/表面膜面积，m2；da是微元体的面积；
[0040]
在乳化液滴/起泡泡沫内部假想内在点电荷的有效电场作用下，分子极化产生的极化电荷应与界/表面电荷等效，且由界/表面膜的电容值决定，据平行板电容定义式有：
[0041][0042]
式中，u＝e
⊥
δ，q是平行板极板上所带电荷量，c；u是极板压差，v；δ为界/表面膜厚度，m；
[0043]
则结合总电荷量与电荷分布密度之间的定义关系，联立微元体的电容表达有：
[0044][0045]
式中，σ为微元体的电荷分布密度，c/m2；
[0046]
同时，将步骤一中构建的有效电场代入，得到界/表面电荷分布与假想内在点电荷的关联式：
[0047][0048]
上述方案中步骤三的具体方法为：
[0049]
油气水乳化-起泡体系内存在的乳化液滴/起泡泡沫在体系空间的任意位置处分布概率随机，根据乳化液滴/起泡泡沫所处的空间位置，将三维空间直角坐标系原点设于乳化液滴/起泡泡沫的几何中心，构建油气水乳化-起泡体系的简化六面体空间边界为：
[0050][0051]
式中，a1+a2＝la，la为油气水乳化-起泡体系沿x轴边界的长度，m；a1、a2分别为该边界两端顶点在x轴正半轴与负半轴的坐标绝对值，m；b1+b2＝lb，lb为油气水乳化-起泡体系沿y轴的长度，m；b1、b2分别为该边界两端顶点在y轴正半轴与负半轴的坐标绝对值，m；c1+c2＝lc，lc为油气水乳化-起泡体系沿z轴的长度，m；c1、c2分别为该边界两端顶点在z轴正半轴与负半轴的坐标绝对值，m；
[0052]
假设在整个油气水乳化-起泡体系中乳化、起泡程度均匀，体系空间中任意点所包含的乳化液滴/起泡泡沫理化性质相同，则产生界/表面电荷分布的假想内在点电荷一致，根据对称空间点施加在对称中心的静电力反向抵消的原则，以乳化液滴/起泡泡沫为对称中心，与油气水乳化-起泡体系边界距离最近的三边界交点为角点所构成的六面体中所有的界/表面电荷对中心位置处乳化液滴/起泡泡沫产生的静电力合力为零；
[0053]
将油气水乳化-起泡体系空间定义为有效空间与无效空间以区分任意点处界/表面膜对描述对象的力学作用贡献程度，以a1≥a2,b1≤b2,c1≥c2为例，则无效空间的六个边界表示为：
[0054][0055]
按无效空间与有效空间的接触方式，将有效空间进一步划分为面空间、线空间、点空间，其中与x1＝a2平面相接触，且以该平面为接触界面的面空间边界有：
[0056][0057]
则此面空间几何中心与体积的具体表达为：
[0058][0059]va
＝4(a
1-a2)c2b1[0060]
式中，a为与x1＝a2相接触的面空间几何中心坐标；va为此面空间的空间体积，m3；
[0061]
同理，获取分别与y1＝-b1、z1＝c2平面相接触的面空间几何中心与体积表达有：
[0062][0063]vb
＝4a2(b
2-b1)c2[0064][0065]vc
＝4a2b1(c
1-c2)
[0066]
同样的方法，分别获取与空间直线相接触的线空间几何中心与体积表达有：
[0067][0068]vd
＝2(a
1-a2)(b
2-b1)c2[0069][0070]ve
＝2(a
1-a2)b1(c
1-c2)
[0071][0072]vf
＝2a2(b
2-b1)(c
1-c2)
[0073]
获取与空间点(a2,-b1,c2)相接触的点空间几何中心与体积表达有：
[0074][0075]vg
＝(a
1-a2)(b
2-b1)(c
1-c2)。
[0076]
上述方案中步骤四的具体方法为：
[0077]
油气水乳化-起泡体系中有效空间存在的界/表面电荷以自身为中心产生外电场，
矢量叠加作用于乳化液滴/起泡泡沫，形成的静电力据定义式有：
[0078][0079]
式中，q1为受力电荷的电荷量，c；q2为施力电荷的电荷量，c；r为两电荷之间的作用距离，m；ε
rc
为乳化液滴/起泡泡沫周围连续相的相对介电常数；
[0080]
油气水乳化-起泡体系中乳化液滴/起泡泡沫的形态尺寸与分布密度均具有随机性，定义电荷-体积系数反映不同类型的有效空间总电荷量有：
[0081][0082]
式中，取以乳化液滴/起泡泡沫为中心的无效空间为基准空间，即v0＝8a2b1c2，v为油气水乳化-起泡体系中任意有效空间的空间体积，m3；q为此任意有效空间的总电荷量，c；v0为油气水乳化-起泡体系中基准空间的空间体积，m3；q0为此基准空间对应的基准电荷量，c；
[0083]
同时，基于油气水乳化-起泡体系平均粒径大小，结合基准空间与总空间的体积比值，构建乳化液滴/起泡泡沫的空间分布密度，继而将基准电荷q0与假想内在点电荷q相关联有：
[0084][0085]
式中，φ为油气水乳化-起泡体系分散相的体积占比；
[0086]
则将电荷-体积系数和基准电荷引入静电力的定义式，有：
[0087][0088]
从中提取相关于有效空间属性参数的静电力系数ζ：
[0089][0090]
根据步骤三中面空间几何中心坐标与体积的表达式，代入静电力系数定义，得到：
[0091][0092][0093][0094]
由于静电力是所有有效空间对乳化液滴/起泡泡沫的静电力分量进行矢量叠加，不同类型的有效空间所产生的静电力方向均不相同，选取三维直角坐标系的x、y、z轴线方向作为基向量，则面空间中由几何中心指向原点的方向向量表示为：
[0095]
[0096][0097][0098]
为消除方向向量的模给静电力大小带来的影响，将方向向量转为单位向量有：
[0099][0100][0101][0102]
考虑方向单位向量存在3个方向的基向量，将静电力系数ζ同样沿3个基向量的方向展开，联立单位向量以构建不同面空间的静电力系数向量形式有：
[0103][0104][0105][0106]
式中：为x轴方向上的基向量；为y轴方向上的基向量；为z轴方向上的基向量；
[0107]
结合静电力代数形式的表达，将所有面空间的静电力进行矢量叠加，转化静电力向量形式有：
[0108][0109]
同理，可分别获取线空间的静电力向量形式和点空间的静电力向量形式
[0110]
上述方案中步骤五的具体方法为：
[0111]
将面积为da的界/表面膜微元体视为六面体，其受到的重力与浮力表达为：
[0112]
g＝ρdgδda
[0113]ff
＝ρcgδda
[0114]
式中，ρd为油气水乳化-起泡体系中分散相的密度，kg/m3；ρc为油气水乳化-起泡体系中连续相的密度，kg/m3；
[0115]
当油气水乳化-起泡体系处于剪切流场时，乳化液滴/起泡泡沫的界/表面膜会受到剪切力作用，导致乳化液滴/起泡泡沫发生仿射形变成稳定的椭球状，采用变形度来表征乳化液滴/起泡泡沫在不同流场剪切作用下形成为半径分布各异椭球状时的变形特征有：
[0116]
[0117][0118]
式中，d为流场剪切作用下乳化液滴/起泡泡沫的变形度；α为流场剪切作用下乳化液滴/起泡泡沫变形时被同步诱发的转向角，rad；f为揭示使乳化液滴/起泡泡沫拉伸的粘性剪切应力与维持乳化液滴/起泡泡沫形状的界/表面张力之间竞争机制的系数；λ为分散相与连续相的粘度比；a和b分别为形变后椭球状油水乳化液滴/起泡泡沫的长轴长和短轴长，m；μd为分散相的粘度，pa
·
s；μc为连续相的粘度，pa
·
s；τ为流场剪切应力，pa；d为油气水乳化-起泡体系中乳化液滴/起泡泡沫发生形变前的等效粒径，m；υ为界/表面张力，n/m；
[0119]
假设油气水乳化-起泡体系为不可压缩流体，根据质量守恒原则，形变前后的球体与椭球体的体积应相等，由球体与椭球体的体积公式得到形变前球状乳化液滴/起泡泡沫粒径为：
[0120][0121]
考虑到仿射形变的几何特性，乳化液滴/起泡泡沫在剪切流场流动方向的法向平面上发生的形变差异很小，令b＝c，则联立椭球体的几何方程，从变形特征中提取剪切应力和切向方向向量有：
[0122][0123][0124]
式中，τ为外界剪切流场对界/表面膜施加的剪切应力，pa；为此剪切应力作用方向的单位向量；
[0125]
以乳化液滴/起泡泡沫椭球体中间截面变形最大处的动力学稳定为平衡条件，将界/表面膜微元体的表面电荷代入步骤四中面空间静电力的向量形式，结合转向角，得到面空间静电力在界/表面膜的切向投影为：
[0126][0127]
按步骤四中静电力系数的定义，从此静电力切向投影中提取相关于有效空间几何参数，得到面空间的静电力切向系数为：
[0128][0129]
同理，分别获取线空间和点空间的静电力切向系数ζ
2τ
、ζ
3τ
，进而，将重力与浮力沿界/表面膜的切向分解，结合与变形特征相对应的剪切力，同时在静电力中带入步骤二的界/表面电荷分布关联式，构建切向力学平衡方程有：
[0130]
式中，ζ
1τ
、ζ
2τ
、ζ
3τ
分别为面空间、线空间、点空间的静电力切向系数；
[0131]
在此平衡方程中消去微元体的面积项da,则满足乳化液滴/起泡泡沫切向力学平衡的假想内在点电荷取值为：
[0132][0133]
进而，将此假想内在点电荷再次代入步骤二中界/表面电荷分布的关联式，得到界/表面电荷分布的具体定量表达：
[0134][0135]
本发明具有以下有益效果：
[0136]
(一)本发明在油气水乳化-起泡体系中乳化液滴/起泡泡沫内部构建假想内在点电荷，以力学响应平衡为等效条件，将此极化产生的界/表面极化电荷代替界/表面共吸附形成的自由电荷，且考虑了乳化液滴/起泡泡沫受到剪切形变后的椭球体几何方程，建立作用于界/表面膜的有效电场表达，这样既与实际油气水乳化-起泡体系中乳化液滴/起泡泡沫几何形态相契合，又有益于以有效电场为基础，从中提取界/表面膜的各种电学特性参数，为实现油气水乳化-起泡体系中界/表面电荷间的静电力描述提供科学化的手段；实现对油田三次采油复合驱油气水乳化-起泡体系的高效破乳分离处理。
[0137]
(二)本发明充分考虑油气水乳化-起泡体系中不同多元组分、不同组分分子堆砌分数的共吸附环境，从乳化液滴/起泡泡沫的电力学特性出发，用界/表面膜的电容参数描述其在不同共吸附环境中受电场激发而形成极化电荷的能力，结合有效电场的表达，构建界/表面电荷分布与假想内在点电荷的关联式，为乳化液滴/起泡泡沫的界/表面电荷分布确定形成了重要基础，使得在油气水乳化-起泡体系中，由多元组分共吸附作用诱发的界/表面电荷分布揭示从传统的定性描述到定量确定成为了可能。
[0138]
(三)本发明对油气水乳化-起泡体系空间属性参数的获取，既着眼于乳化液滴/起泡泡沫的电荷分布与多元组分共吸附作用的对应性、乳化液滴/起泡泡沫空间位置分布及
其形变尺寸的随机性，同时兼顾界/表面电荷之间产生静电力的作用效果和油气水乳化-起泡体系中对称几何结构引发的力学平衡抵消关系，避免乳化液滴/起泡泡沫的界/表面电荷分布确定中关键性力学作用参数的缺失，进而保证了油气水乳化-起泡体系中界/表面膜力学模型构建的可靠性，有益于在真实工况集输系统油气水乳化、起泡行为的表征及相应破乳、消泡技术开发中可靠应用。
[0139]
(四)本发明基于多元组分共吸附作用是形成界/表面电荷分布的本质，以油气水乳化-起泡体系的空间属性划分为基础，挖掘乳化液滴/起泡泡沫形变尺寸潜在的电学因素，引入体积-电荷系数的定义，从而消除微观乳化液滴/起泡泡沫的空间分布、共吸附作用与形变随机性带来的误差，通过油气水乳化-起泡体系中乳化液滴/起泡泡沫平均密度的表达，进一步将任意空间电荷量与假想内在点电荷相关联，为后续乳化液滴/起泡泡沫的界/表面膜力学模型单变量求解奠定了基础，同时根据有效空间的属性参数，构建了乳化液滴/起泡泡沫的界/表面间静电力作用向量形式，为更加科学、深入地揭示多元组分共吸附作用下界/表面力学平衡机制提供了有益的方法和借鉴。
[0140]
(五)本发明突破油气水乳化-起泡体系中多元组分在界/表面膜随机排列聚集的共吸附行为而对确定界/表面电荷分布带来的不便，考虑到乳化液滴/起泡泡沫受力学作用引起形变并趋于稳定时，其界/表面膜应满足力学平衡定律，构建了乳化液滴/起泡泡沫形变稳定后的界/表面膜力学模型，且以此模型中的剪切应力为关联量，结合cox理论描述乳化液滴/起泡泡沫形变与剪切应力的对应关系，实现了油气水乳化-起泡体系中界/表面电荷分布的量化确定，同时根据包含界/表面膜电学特性参数在内的静电力向量表达形式，有效提高乳化液滴/起泡泡沫的界/表面膜力学模型在不同多元组分共吸附环境中的适用范围，并使得多元组分与界/表面膜之间的共吸附作用机制表达从定性描述发展到定量计算，能够为油气田地面集输处理不同生产节点中多元组分加剧油气水乳化、起泡行为的深刻揭示与有效分离提供有益科学依据。
[0141]
(六)本发明以乳化液滴/起泡泡沫假想内在点电荷产生的极化电荷等效代替自由电荷，构建界/表面电荷分布与假想内在点电荷的关联式，通过力学响应平衡的等效关系建立乳化液滴/起泡泡沫的界/表面膜力学模型，并以界/表面微元体切向力学平衡的单一变量方程求解假想内在点电荷量，由此确定油气水乳化-起泡体系中乳化液滴/起泡泡沫的界/表面电荷分布，原理明确、可行，方法科学、可靠，能突破传统仅对乳化液滴/起泡泡沫的界/表面电荷分布进行定性描述的局限，有效提供一种确定油气水乳化-起泡体系中界/表面电荷分布的方法，科学性、可操作性及实用性强，既能够为三元复合驱中油气水乳化-起泡体系多元组分共吸附作用机制的再现与深刻揭示提供有益的方法，又可丰富并拓展油气水乳化-起泡成型与稳定理论，同时，也为加快油气田地面高效破乳、消泡技术的开发、高效油气水分离设备的研发与应用提供理论依据。
[0142]
(七)本发明解决了油气水混合介质集输时，由于乳化和起泡行为的共存，对油气水乳化-起泡体系中多元组分共吸附界/表面膜力学响应的描述，尤其是对多元组分共吸附作用下界/表面电荷分布确定的技术难题。
[0143]
(八)本发明充分考虑到了在某一特定油气水乳化-起泡体系中，不同多元化学组分发生共吸附作用，引起乳化液滴/泡沫的界/表面分布存在差异，以假想内在点电荷在界/表面膜建立有效电场，并将极化电荷代替共吸附作用形成的自由电荷，能突破传统定性界/
表面膜测量方法对某一共吸附环境乳化液滴/泡沫几何形态的单一适配性；利用油气水乳化-起泡体系空间属性划分方法，构建界/表面电荷间的静电力向量形式，结合cox理论描述剪切应力以建立力学平衡方程获取假想内在点电荷的具体表达，以此定量表征不同油气水乳化-起泡体系的界/表面电荷分布，能为丰富并拓展油气水乳化-起泡体系稳定机制的研究提供手段，并促进“双碳”目标下油田地面工程智能化的设计与建设。
附图说明：
[0144]
图1为本发明方法的原理示意图；
[0145]
图2是本发明方法中图1的b部局部放大图。
[0146]
1油气水乳化-起泡体系
ꢀꢀ
2乳化液滴/起泡泡沫
ꢀꢀ
3多元组分
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4界/表面膜
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5假想内在点电荷
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6极化电荷
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7中间截面
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8有效电场
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9有效空间
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10无效空间
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11面空间
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12线空间
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13点空间
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14剪切流场
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15微元体
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16界/表面张力
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17附加压力
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18浮力
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19重力
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20剪切力
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21静电力
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22转向角。
具体实施方式：
[0147]
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
[0148]
这种确定乳化-起泡体系多组分共吸附界/表面电荷分布方法用于油气田地面高效破乳、消泡技术，其包括如下步骤：
[0149]
(一)、构建考虑乳化液滴/起泡泡沫形态特征的有效电场模型；
[0150]
如图1所示，在若干性质不一的多元组分3和乳化液滴/起泡泡沫2组成的油气水乳化-起泡体系1中，大部分多元组分3由于分子间各种作用力聚集并共吸附于乳化液滴/起泡泡沫2的界/表面膜4上，同时，由于多元组分3通过降解形成可移动的自由电子以构成乳化液滴/起泡泡沫2的界/表面电荷分布。图1中的视图a为乳化液滴/起泡泡沫2中间截面7的简化结构，在乳化液滴/起泡泡沫2内部引入假想内在点电荷5，以此激发出束缚在界/表面膜4内外两侧的极化电荷6，并基于力学响应平衡的等效条件将此极化电荷6与原界/表面电荷进行等效替代，结合假想内在点电荷5的电场强度在界/表面膜4法向分量，形成用于激发极化电荷6分布的有效电场8。
[0151]
对于油气水乳化-起泡体系1中的乳化液滴/起泡泡沫2，其自由电荷为界/表面膜4上可以自由移动的离子或者电子，受到三元复合驱中添加的表面活性剂、水中无机盐、聚合物及原油极性组分等多元组分3的共吸附行为影响，在不同化学组分3、不同组分分子堆砌分数的共吸附环境中，界/表面膜4的电荷分布均会发生不同程度的改变，而极化电荷6是通过外加电场使中性分子发生极化产生的电荷，其只受外加电场源性质的影响，与油气水乳化-起泡体系1的共吸附环境无关，于是在乳化液滴/起泡泡沫2内部引入一个假想内在点电荷5，使得界/表面膜4极化产生的极化电荷6与多元组分3共吸附作用形成的自由电荷等效、力学响应平衡效果一致。
[0152]
假设界/表面膜4在外界剪切流场14中受剪切力20作用拉伸呈椭球状，建立三维坐标系，在椭球状乳化液滴/起泡泡沫2的中心放置假想内在点电荷5，以引入球状电场，此时取界/表面膜4上任意点进行表达，由椭圆中心发散的电场方向与该点的法线所成夹角为β，椭球状乳化液滴/起泡泡沫2中心处假想内在点电荷5的球状电场强度为：
[0153][0154]
式中，e为测点的电场强度，v/m；k为静电力常量，k＝9.0
×
109n
·
m2/c2；q为假想内在点电荷的电荷量，c；r为场源点电荷与测点的距离，m；ε
rd
为乳化液滴/起泡泡沫的相对介电常数。
[0155]
则通过xoy平面截取椭球面上的曲线方程为：
[0156][0157]
式中，a为乳化液滴/起泡泡沫在x轴方向的半轴长，m；b为乳化液滴/泡沫在y轴方向的半轴长，m；c为乳化液滴/泡沫在z轴方向的半轴长，m；z0为截取平面的高度，m。
[0158]
转换椭球曲面方程为隐函数形式，有：
[0159][0160]
则用xoy平面截取的曲线上任意一点(x,y,z0)的法向量具体形式可表示为：
[0161][0162]
根据向量夹角的坐标表达形式，得到法向量与直线向量所成投影角的余弦值cosβ为：
[0163][0164]
将曲线方程带入化简，得到所假想内在点电荷5产生的球状电场在该曲线上任意微元体15垂直法向的有效电场8：
[0165][0166]
由此完成考虑乳化液滴/起泡泡沫形态特征的有效电场模型构建。
[0167]
(二)、建立多元组分共吸附作用下界/表面电荷分布与假想内在点电荷的关联：
[0168]
考虑油气水乳化-起泡体系1中界/表面膜4对多元组分3的共吸附性能存在差异性，在不同多元组分3、不同组分分子堆砌分数的共吸附环境下，乳化液滴/起泡泡沫2的界/表面膜4发生共吸附的多元组分3种类与数量分布均不相同。因此，在共吸附行为引起的界/
表面电荷分布中，为反映不同多元组分3、不同组分分子堆砌分数的共吸附环境带来的影响，取界/表面膜4上任意点面积为da的微元体15进行分析，结合界/表面膜4厚度极小的几何特征，其可近似认为是平面极板，同时假设乳化液滴/起泡泡沫2的组分均一，即一个完整界/表面膜4的任意微元体15电学特性参数处处相等，根据电容决定式有：
[0169][0170]
式中，εr为电容极板间介质的相对介电常数；s为电容极板的正对面积，m2；ds为电容极板的距离，m；k为库仑常数，n
·
m2/c2。
[0171]
则对于不同多元组分3共吸附环境中微元体15的电容可表示为：
[0172][0173]
式中，ci是相对于某一种组分、组分分子堆砌分数下界/表面膜微元体的电容值，f；c
bi
是对应于这种组分、组分分子堆砌分数所形成界/表面膜的测量电容，f；s是通过电流的界/表面膜面积，m2；da是微元体的面积；
[0174]
在乳化液滴/起泡泡沫2内部假想内在点电荷5的有效电场8作用下，分子极化产生极化电荷6的分布应与界/表面电荷分布等效且由界/表面膜4的电容值决定，据平行板的电容定义式有：
[0175][0176]
式中，u＝e
⊥
δ，q是平行板极板上所带电荷量，c；u是极板压差，v；δ为界/表面膜厚度，m。
[0177]
则结合总电荷量与电荷分布密度之间的定义关系，联立微元体15的电容表达有：
[0178][0179]
式中，σ为微元体的电荷分布密度，c/m2。
[0180]
同时，将步骤(一)中由假想内在点电荷5形成的有效电场8代入，便得到界/表面电荷分布与假想内在点电荷5的关联式：
[0181][0182]
由此完成多元组分共吸附作用下界/表面电荷分布与假想内在点电荷的关联。
[0183]
(三)、获取油气水乳化-起泡体系空间的属性参数；
[0184]
油气水乳化-起泡体系1内存在的乳化液滴/起泡泡沫2在体系空间的任意位置处分布概率随机，根据乳化液滴/起泡泡沫2所处的空间位置，将三维空间直角坐标系原点设于乳化液滴/起泡泡沫2的几何中心，则构建油气水乳化-起泡体系1的简化六面体空间边界为：
[0185][0186]
式中，a1+a2＝la，la为油气水乳化-起泡体系沿x轴边界的长度，m；a1、a2分别为该边界两端顶点在x轴正半轴与负半轴的坐标绝对值，m；b1+b2＝lb，lb为油气水乳化-起泡体系沿y轴的长度，m；b1、b2分别为该边界两端顶点在y轴正半轴与负半轴的坐标绝对值，m；c1+c2＝lc，lc为油气水乳化-起泡体系沿z轴的长度，m；c1、c2分别为该边界两端顶点在z轴正半轴与负半轴的坐标绝对值，m。
[0187]
假设在整个体系中乳化、起泡程度均匀，可以认为体系空间中任意点所包含的乳化液滴/起泡泡沫2理化性质相同，则产生界/表面电荷分布的假想内在点电荷5一致，根据对称空间点施加在对称中心的静电力21反向抵消的原则，以乳化液滴/起泡泡沫2为对称中心，与油气水乳化-起泡体系1边界距离最近的三边界交点为角点构成六面体中多元组分3共吸附形成的界/表面电荷对中心位置处乳化液滴/起泡泡沫2产生的静电力21合力为零。
[0188]
图1中视图c为油气水乳化-起泡体系1的空间属性剖分示意图，以乳化液滴/起泡泡沫2为几何中心，其距离油气水乳化-起泡体系1最近的3个基平面为几何边界，由此形成力学作用相互抵消的无效空间10六面体边界，其余油气水乳化-起泡体系1的空间则是对此乳化液滴/起泡泡沫2具有力学贡献的有效空间9，此外，按照有效空间9与无效空间10的接触方式，进一步可将有效空间9划分成3种类别为面空间11、线空间12、点空间13，同时有效空间9也将被无效空间10的边界剖分为7个六面体子空间d、e、f、h、i、g、j，其中，与无效空间10具有公共接触面的面空间11包括子空间d、e、f；与无效空间10具有公共接触边的线空间12包括子空间h、i、g；与无效空间10具有公共接触点的点空间13仅有子空间j。
[0189]
因此将油气水乳化-起泡体系空间定义为有效空间9与无效空间10，以区分任意空间点界/表面膜4的电荷分布对描述对象的力学作用贡献程度，以a1≥a2,b1≤b2,c1≥c2为例，则无效空间10的六个边界可以表示为：
[0190][0191]
进而，按无效空间10与有效空间9的接触方式，可以将有效空间9进一步划分为面空间11、线空间12、点空间13，其中与x1＝a2平面相接触，且以该平面为接触界面的面空间11边界有：
[0192][0193]
则此面空间11几何中心与体积的具体表达为：
[0194][0195]va
＝4(a
1-a2)c2b1[0196]
式中，a为与x1＝a2相接触的面空间几何中心坐标；va为此面空间的空间体积，m3。
[0197]
同理，获取分别与y1＝-b1、z1＝c2平面相接触的面空间11几何中心与体积表达有：
[0198][0199]vb
＝4a2(b
2-b1)c2[0200][0201]vc
＝4a2b1(c
1-c2)
[0202]
同样的方法，分别获取与空间直线相接触的线空间12几何中心与体积表达有：
[0203][0204]vd
＝2(a
1-a2)(b
2-b1)c2[0205][0206]ve
＝2(a
1-a2)b1(c
1-c2)
[0207][0208]vf
＝2a2(b
2-b1)(c
1-c2)
[0209]
获取与空间点(a2,-b1,c2)相接触的点空间13几何中心与体积表达有：
[0210][0211]vg
＝(a
1-a2)(b
2-b1)(c
1-c2)
[0212]
由此完成了油气水乳化-起泡体系空间的属性参数获取。
[0213]
重复此步骤，完成另一性质油气水乳化-起泡体系的空间属性参数获取。
[0214]
(四)、建立油气水乳化-起泡体系中界/表面电荷间静电力的向量形式；
[0215]
油气水乳化-起泡体系1中有效空间9存在的界/表面电荷会以自身为中心产生外电场，矢量叠加作用于乳化液滴/起泡泡沫2，形成的静电力21定义式有：
[0216][0217]
式中，q1为受力电荷的电荷量，c；q2为施力电荷的电荷量，c；r为两电荷之间的作用距离，m；ε
rc
为乳化液滴/起泡泡沫周围连续相的相对介电常数。
[0218]
考虑到油气水乳化-起泡体系1中乳化液滴/起泡泡沫2的形态尺寸与分布密度均具有随机性，定义电荷-体积系数反映不同类型的有效空间9总电荷量有：
[0219][0220]
式中，取以乳化液滴/起泡泡沫为中心的无效空间为基准空间，即v0＝8a2b1c2，v为油气水乳化-起泡体系中任意有效空间的空间体积，m3；q为此任意有效空间的总电荷量，c；v0为油气水乳化-起泡体系中基准空间的空间体积，m3；q0为此基准空间对应的基准电荷量，c。
[0221]
同时，基于油气水乳化-起泡体系1平均粒径大小，结合基准空间与总空间的体积比值，构建乳化液滴/起泡泡沫2的空间分布密度，继而将基准电荷与假想内在点电荷5相关联有：
[0222][0223]
式中，φ为油气水乳化-起泡体系分散相的体积占比。
[0224]
则将电荷-体积系数和基准电荷引入静电力21的定义式，有：
[0225][0226]
从中提取相关于有效空间9属性参数的静电力系数ζ：
[0227][0228]
根据步骤(三)中面空间11几何中心坐标与体积的确定，代入静电力系数定义，得到：
[0229][0230][0231][0232]
由于静电力21是所有有效空间9对乳化液滴/起泡泡沫2的静电力分量进行矢量叠加，而不同类型的有效空间9所产生的静电力21方向均不相同，因此，为统一表征面空间11、线空间12、点空间13对应的静电力21矢量属性，选取三维直角坐标系的x、y、z轴线方向作为
基向量，则面空间11中由几何中心指向原点的方向向量可表示为：
[0233][0234][0235][0236]
为消除方向向量的模给静电力21大小带来的影响，将方向向量转为单位向量有：
[0237][0238][0239][0240]
考虑方向单位向量存在3个方向的基向量，将静电力系数ζ同样沿3个基向量的方向展开，联立单位向量以构建不同面空间11的静电力系数向量形式有：
[0241][0242][0243][0244]
式中：为x轴方向上的基向量；为y轴方向上的基向量；为z轴方向上的基向量。
[0245]
结合静电力21代数形式的表达，将所有面空间11的静电力21进行矢量叠加，转化静电力21的向量形式有：
[0246][0247]
同理，可分别获取线空间12的静电力21向量形式和点空间13的静电力21向量形式
[0248]
由此完成了油气水乳化-起泡体系中界/表面间静电力的向量形式构建。
[0249]
重复此步骤，完成另一性质油气水乳化-起泡体系的静电力向量形式构建。
[0250]
(五)、确定考虑乳化液滴/起泡泡沫切向力学平衡的界/表面电荷的分布；
[0251]
在油气水乳化-起泡体系1中，对乳化液滴/起泡泡沫2进行受力分析，作用于界/表面膜4的力包括维持界/表面膜4持续存在的界/表面张力16、剪切流场14产生的剪切力20、界/表面电荷相互作用的静电力21、油水密度(差)引起的重力19与浮力18、以及界/表面膜4内外压差引起的附加压力17，则同样取面积为da的界/表面膜4微元体15进行受力平衡分析。
[0252]
图2是本发明中图1的局部放大图，它提供了剪切流场14作用下乳化液滴/起泡泡
沫2中间截面7的微元体15受力分析，如图2所示，对于已完全形变且达到平衡的界/表面膜4中取微元体15，在微元体15两侧截面受到对称的界/表面张力16，法线方向上因内外压差而产生附加压力17，竖直方向上微元体15的体积与质量将引起重力19与浮力18，同时考虑到外界剪切流场14的存在，会在微元体15切线方向形成剪切力20，并在乳化液滴/起泡泡沫2发生剪切形变的基础上诱发转向角22。此外，由于乳化液滴/起泡泡沫2的界/表面膜4上具有电荷分布，微元体15还将受到有效空间9所施加的静电力21作用，从而使得微元体15达到静力平衡。
[0253]
根据young-laplace定理，可将附加压力17与作用于微元体15两侧的界/表面张力16合力相平衡抵消。由于微元体15的面积近似为0，则可将微元体15视为六面体，其受到的重力19与浮力18可以表达为：
[0254]
g＝ρdgδda
[0255]ff
＝ρcgδda
[0256]
式中，ρd为油气水乳化-起泡体系中分散相的密度，kg/m3；ρc为油气水乳化-起泡体系中连续相的密度，kg/m3。
[0257]
当油气水乳化-起泡体系1处于剪切流场14时，乳化液滴/起泡泡沫2的界/表面膜4会受到剪切力20作用，导致乳化液滴/起泡泡沫2发生仿射形变成稳定的椭圆状，根据cox理论，采用变形度来表征乳化液滴/起泡泡沫2在不同流场剪切作用下形成为半径分布各异椭球状时的变形特征有：
[0258][0259][0260]
式中，d为流场剪切作用下乳化液滴/起泡泡沫的变形度；α为流场剪切作用下乳化液滴/起泡泡沫变形时被同步诱发的转向角，rad；f为揭示使乳化液滴/起泡泡沫拉伸的粘性剪切应力与维持乳化液滴/起泡泡沫形状的界/表面张力之间竞争机制的系数；λ为分散相与连续相的粘度比；a和b分别为形变后椭球状油水乳化液滴/起泡泡沫的长轴长和短轴长，m；μd为分散相的粘度，pa
·
s；μc为连续相的粘度，pa
·
s；τ为流场剪切应力，pa；d为油气水乳化-起泡体系中乳化液滴/起泡泡沫发生形变前的等效粒径，m；υ为界/表面张力，n/m。
[0261]
假设油气水乳化-起泡体系1为不可压缩流体，根据质量守恒原则，形变前后的球体与椭球体的体积应相等，则由球体与椭球体的体积公式得到发生剪切形变前的球状乳化液滴/起泡泡沫2粒径为：
[0262][0263]
考虑到仿射形变的几何特性，乳化液滴/起泡泡沫2在剪切流场14流动方向的法向
平面上发生的形变差异很小，即可令b＝c，则联立椭球体的几何方程，从变形特征中提取剪切力20和切向方向向量有：
[0264][0265][0266]
式中，τ为外界剪切流场对界/表面膜施加的剪切应力，pa；为此剪切应力作用方向的单位向量。
[0267]
以乳化液滴/起泡泡沫2椭球体中间截面7变形最大处的动力学稳定为平衡条件，将界/表面膜4微元体15的表面电荷带入步骤(四)中面空间11静电力21的向量形式，结合转向角22，得到面空间11静电力21在界/表面膜4的切向投影为：
[0268][0269]
按步骤(四)中静电力系数的定义，从此静电力21的切向投影中提取相关于有效空间9属性参数，得到面空间11的静电力切向系数为：
[0270][0271]
同理，分别获取线空间12和点空间13的静电力切向系数ζ
2τ
、ζ
3τ
，并将重力19与浮力18沿界/表面膜4的切向分解，结合与变形特征相对应的剪切力20，同时在静电力21中带入步骤(二)的界/表面电荷分布关联式，构建切向力学平衡方程有：
[0272][0273]
式中，ζ
1τ
、ζ
2τ
、ζ
3τ
分别为面空间、线空间、点空间的静电力切向系数。
[0274]
在此平衡方程中消去微元体15的面积项da,则满足乳化液滴/起泡泡沫2切向力学平衡的假想内在点电荷5取值为：
[0275]
[0276]
进而，将假想内在点电荷5再次代入步骤(二)中界/表面电荷分布的关联式，得到界/表面电荷分布的具体定量表达：
[0277][0278]
由此完成了考虑乳化液滴/起泡泡沫切向力学平衡的界/表面膜电荷分布确定。
[0279]
重复技术方案(二)、(三)、(四)和(五)，可确定另一共吸附环境、另一剪切流场特性、或另一性质油气水乳化-起泡体系界/表面力学响应特征，以此实现在不同多元组分发生共吸附的油气水乳化-起泡体系中，考虑乳化液滴/起泡泡沫形态特征确定界/表面电荷分布。
[0280]
此发明主要为五步法，即考虑乳化液滴/起泡泡沫形态特征的有效电场模型构建、多元组分共吸附作用下界/表面电荷分布与假想内在点电荷的关联、油气水乳化-起泡体系空间的属性参数获取、油气水乳化-起泡体系中界/表面电荷间静电力的向量形式建立、考虑乳化液滴/起泡泡沫切向力学平衡的界/表面电荷分布确定，其中一、二步为根据乳化液滴/起泡泡沫的形态特征构建多元组分共吸附作用下界/表面电荷与极化电荷的等效转换关系；三、四步为突破乳化液滴/起泡泡沫的共吸附作用与分布密度具有微观随机性而对运算带来的不便，按力学作用贡献程度划分油气水乳化-起泡体系空间属性，同时由静电力定义提取电荷-体积系数，将宏观状态下的静电力作用与微观尺度中的假想内在点电荷相结合，以此构建作用于界/表面膜微元体的静电力向量形式，这也是确定油气水乳化-起泡体系中界/表面电荷分布的关键；第五步为反映乳化液滴/起泡泡沫的界/表面膜形变平衡状态时的力学响应描述，充分考虑了外界剪切流场及界/表面电荷间的静电力作用对乳化液滴/泡沫形变特征的协同影响，构建油气水乳化-起泡体系中界/表面膜微元体的力学模型，并结合界/表面膜微元体的切向力学平衡方程求解假想内在点电荷，实现油气水乳化-起泡体系中界/表面电荷分布的确定。由此为任意多元组分共吸附环境、任意剪切特性流场油气水乳化-起泡体系中界/表面电荷分布的定量描述提供了可靠的手段与科学方法，同时对于促进以三元复合驱为代表的化学驱采油工艺在油田开发中的推广应用、破解多元组分共吸附行为引起采出液乳化程度、起泡行为加剧的难题具有推动作用，也对智能油田建设中地面工程技术系列的形成与“双碳”目标下油田绿色开发建设具有积极作用。