[发明专利]一种表征含蜡原油乳状液胶凝成核动力学过程的方法

权利要求书

1.一种表征含蜡原油乳状液胶凝成核动力学过程的方法，其特征在于：

(一)降温胶凝释放潜热的确定：基于经典热分析理论和差示扫描量热法，一定量含蜡原油乳状液在降温胶凝过程中释放的潜热符合：

体现在DSC热流曲线上，从温度状态降温到温度状态的过程中，温度介于原油析蜡点温度和含蜡原油乳状液体系胶凝特征温度下限之间：

上式中：LGT为含蜡原油乳状液体系胶凝特征温度下限，℃；为原油析蜡点温度和含蜡原油乳状液体系胶凝特征温度下限LGT之间的任一温度，℃；ΔT为不同状态之间的温降，℃；m为含蜡原油乳状液体系的质量，g；k为含蜡原油乳状液体系的降温速率，℃/s；F(T_N)为体系降温过程中随温度变化的热流，W/g；为从温度降温到LGT范围内的DSC热流曲线与基线包围的面积，W·℃/g；为从温度降温到LGT范围内的DSC热流曲线与基线包围的面积，W·℃/g；为含蜡原油乳状液从析蜡点温度和体系胶凝特征温度下限之间任一温度降温到体系胶凝特征温度下限范围内释放的潜热，J；为含蜡原油乳状液从温度降温到体系胶凝特征温度下限范围内释放的潜热，J；

由此实现对含蜡原油乳状液降温胶凝潜热的确定；

(二)降温胶凝成核量的描述：含蜡原油乳状液作为一种热力学体系，随着降温胶凝过程的进行，体系会释放出一定的潜热，于是，根据热力学定律建立含蜡原油乳状液体系释放潜热量与析出蜡晶包裹分散相水滴而形成胶凝核的量之间的关系，确定降温胶凝成核量：

Q＝NΔh_N

式中：Q为含蜡原油乳状液在原油析蜡点温度降温到析蜡点以下温度T_N范围内释放的潜热，J；Δh_N为含蜡原油乳状液胶凝成核过程的摩尔焓变，J/mol；N为含蜡原油乳状液在原油析蜡点温度降温到析蜡点以下温度T_N范围内的胶凝成核量，mol；

由此实现对含蜡原油乳状液降温胶凝过程中成核量的描述；

(三)降温胶凝潜热与温度、胶凝成核速率之间的关系建立：当分散相水滴的表面积已知时，建立含蜡原油乳状液在原油析蜡点温度降温到析蜡点以下温度T_N时的温度区间内，其胶凝成核量随温度变化率与胶凝成核速率之间的关系：

式中：S_d为分散相水滴的表面积，cm²；N为含蜡原油乳状液在原油析蜡点温度降温到析蜡点以下温度T_N范围内的胶凝成核量，mol；T_N为原油析蜡点以下任一温度，℃；N_WAT～LGT为含蜡原油乳状液在原油析蜡点温度降温到体系胶凝特征温度下限范围内的胶凝成核量，mol；J为含蜡原油乳状液的降温胶凝成核速率，cm^-2/℃；

在相同的温降条件下，胶凝成核量与体系释放潜热成正比例关系，结合步骤(二)对降温胶凝成核量的确定，建立降温胶凝潜热与温度、胶凝成核速率之间的关系：

式中：Q_WAT～LGT为含蜡原油乳状液在原油析蜡点温度降温到体系胶凝特征温度下限范围内释放的总潜热，J；

由此实现对含蜡原油乳状液降温胶凝潜热与温度、胶凝成核速率之间关系的建立；

(四)分散相水滴尺寸及质量分数分布确定方法的构建：含蜡原油乳状液中呈球状分布的分散相水滴内部净附加压力P₀通过拉普拉斯方程进行确定：

式中：P₀为含蜡原油乳状液中分散相水滴内部净附加压力，Pa；σ_cd为分散相与连续相之间的界面张力，N/m；r_di为含蜡原油乳状液中分散相水滴半径，m；

热力学体系的吉布斯自由能G是一个综合了熵S、焓H和温度T的状态函数：

G＝H-TS

且体系吉布斯自由能与体系构成组分化学势之间存在关系：

G＝μn

再结合Gibbs-Duhem方程：

dμ＝-sdT+vdP

确定含蜡原油乳状液体系中组分化学势随温度的变化率与组分摩尔焓及摩尔体积的关系：

式中：μ为含蜡原油乳状液体系中组分的化学势，J/mol；n为含蜡原油乳状液体系中组分的物质的量，mol；s为含蜡原油乳状液体系中组分的摩尔熵，J/(mol·K)；h为含蜡原油乳状液体系中组分的摩尔焓，J/mol；v为含蜡原油乳状液体系中组分的摩尔体积，m³/mol；T为含蜡原油乳状液体系的温度，K；P为含蜡原油乳状液体系的压力，Pa；

含蜡原油乳状液降温胶凝过程中连续油相和分散水相的化学势相等，所以二者化学势随体系温度的变化率也相等，于是，得到连续油相和分散相水滴摩尔焓与含蜡原油乳状液体系状态变化之间的关系：

从相平衡状态e到结晶状态i对连续油相和分散相水滴摩尔焓与含蜡原油乳状液体系状态变化之间的关系式进行积分，得到：

式中：T_i为分散相水滴的结晶峰温，K；T_e为分散相水滴气、液、固三相平衡共存时的温度；为含蜡原油乳状液体系在温度T_i时的压力，Pa；为含蜡原油乳状液体系在温度T_e时的压力，Pa；h_c,e～i为连续油相从状态e到状态i过程的摩尔焓变，J/mol；h_d,e～i为分散相水滴从状态e到状态i过程的摩尔焓变，J/mol；v_c为连续油相的摩尔体积，m³/mol；v_d为分散相水滴的摩尔体积，m³/mol；

根据水的压力-温度相图，分散相水滴在结晶峰温处结晶时，其内部净附加压力P₀与含蜡原油乳状液体系在结晶峰温时所对应的压力相等：

再结合拉普拉斯方程，得到确定分散相水滴半径的计算式：

对应于某任一半径分散相水滴所占的质量分数，利用下式获得：

式中：w_ri为含蜡原油乳状液体系中任一半径分散相水滴的质量分数，％；T_io为任一半径分散相水滴结晶峰出现的临界温度，℃；T_ie为任一半径分散相水滴结晶峰终止的临界温度，℃；Δs_i为任一半径分散相水滴在结晶峰温时的熔化熵变J/(g·K)；T_i为分散相水滴的结晶峰温，K；T_N为原油析蜡点以下任一温度，℃；F(T_N)为随温度变化的热流，W/g；k为含蜡原油乳状液体系的降温速率，℃/s；

这样，得到含蜡原油乳状液中分散相水滴的各种不同半径及其质量分数，于是，含蜡原油乳状液中分散相水滴的平均半径为：

由此实现对分散相水滴尺寸及质量分数分布的确定；

(五)含蜡原油乳状液降温胶凝成核速率的定量表征：对步骤(三)所建立降温胶凝潜热与温度、胶凝成核速率之间的关系从温度状态到温度状态范围内进行积分：

有：

式中：ΔT为不同状态之间的温降，℃；Q_WAT～LGT为含蜡原油乳状液在原油析蜡点温度降温到体系胶凝特征温度下限范围内释放的总潜热，J；为含蜡原油乳状液在原油析蜡点温度降温到析蜡点温度和体系胶凝特征温度下限之间任一温度范围内释放的潜热，J；为含蜡原油乳状液在原油析蜡点温度降温到范围内释放的潜热，J；为含蜡原油乳状液从析蜡点温度和体系胶凝特征温度下限之间任一温度降温到体系胶凝特征温度下限范围内释放的潜热，J；为含蜡原油乳状液从温度降温到体系胶凝特征温度下限范围内释放的潜热，J；

此时结合步骤(一)对降温胶凝释放潜热的确定，则有：

再结合步骤(四)对分散相水滴尺寸及其质量分数分布的确定，实现表征含蜡原油乳状液降温胶凝平均成核速率：

式中：β为单位转换系数，10000cm²/m²；

由此实现对含蜡原油乳状液降温胶凝成核动力学过程的定量表征。