本公开总体上涉及对含烃地层的开发和采出。更具体地说，本公开涉及用于使烃和固体细粒与水分离的系统和方法，以提高从含烃地层进行的烃回收并且减少泵送到地面的采出水量。
背景技术：
采出水(produced water)可能是油气开发与采出中产生的最大量的废物流之一。用于处置采出水的成本很高，并且当采出水被带到地面时污染环境的潜在性很大。采出水在排放前必须妥善进行处置和处理，或者在重新注入地层之前必须经过过滤和处理。考虑到除需要的现场基础设施(临时或永久性)外处理载水烃所需的化学品和添加剂的量，每桶烃流体的采出水分离、处理和排放可能是昂贵的。采出水的管理给运营商和环境带来了挑战和成本。
井下油水分离系统旨在减少采出到地面的水的量，以将用于分离和处理水的地面设施要求降至最低。在井下油水分离系统中，烃在井内与水分离。如果可以避免提升、处理和重新注入采出水的整个过程，则成本和环境影响就会降低。利用井下油水分离系统，富含烃的流体被采出到地面，而富含水的流被重新引导并注入到地下地层(例如，第二井桩腿(well leg)或储层的非含烃和多孔部分)中，而不会被提升到地面。
一种类型的井下油水分离系统使用水力旋流器将油与水以机械的方式分离并引导两种产物彼此分开。另一种类型的井下油水分离系统依赖于在井筒中发生的重力分离。潜在可使用的第三种类型的井下油水分离系统是基于膜分离的系统，但鉴于其它井下油水分离系统已完善并证明是具有已知经济可行性的技术，目前还没有广泛接受这种类型的系统。
然而，目前的井下油水分离系统经受若干系统性问题。目前的方法要求高成本并要求特定的条件才能正常工作。目前的一些方法还会干扰采出井中的流动流，造成显著的压力下降。许多井下油水分离系统由于各种因素而被放弃或不再充分发挥其潜力。一个原因可能包括接收产出水(包含砂、不溶性盐、矿物质和粘土的细粒；烃残留物)的地层的注入区中的阻塞或低渗透性。在目前的一些系统中，分离出来的水的质量不符合重新注入到排放区或重新注入区的标准。还有，分离机构不能在低含水率下操作，并且如果含水率显著改变，则机械设计的分离器(诸如重力或水力旋流分离器)需要改变以提供相同的除水效率。
技术实现要素：
本公开的实施例提供了用于在采油管中使用声驻波(standing acoustic wave)以在到达地面之前从水中分离出油滴和固体微细颗粒的系统和方法。油和固体集中在采出管内的分离的区域，在那里每个相可以被独立地重新引导和管理。本公开的实施例增加了油量，同时减少了泵送到地面的采出水量。井底的具有低固体细粒负荷的水可以被注入地层中，而孔隙堵塞和地层破坏的风险较低。
本公开中描述的系统和方法在井底从采出水中分离出细粒。本公开的实施例克服了当前技术常见的压降和机械部件故障。在主管的外周边上对准或作为下降到采出管中的单独管状工具的一部分的多个压电换能器可以由位于地面并在地面监测的功能发生器和功率放大器来驱动。所施加的声波的频率被调节为在主管的内侧沿垂直于流动的方向产生具有不同振幅和环数的声驻波。压电换能器以这样的方式排列：使得声驻波具有朝向地面减少的环数量。作为实例，最下面的声驻波可以具有大量环，并且最上面的声驻波可以具有少量环。
另外，如果产生具有低细粒负荷的合适的水并将其重新引导到采油区中，则本公开的实施方式可用于注水(waterflooding)。在这种情况下，本公开中描述的系统和方法也可以用于反向锥进(reverse coning)以减少流入采油区的水的程度。
在本公开的实施例中，用于在地下井的主管内使烃流体从水和固体材料分离的方法包括将换能器组件定位在地下井内。主管具有中心轴线。换能器组件包括沿着主管的长度间隔开的多个压电换能器。利用多个压电换能器产生声驻波，声驻波横穿中心轴线穿过主管。声驻波的环的数量朝通过主管的流体的流动方向减少。
在本公开的替代实施例中，可以将换能器组件定位于主管的内径部之外。产生声驻波的步骤可以包括从地下井外部的电源向换能器组件供电。可以在地下井中提供采出管，采出管的端部与最上面的声驻波的压力波腹对准。可以使固体颗粒过滤器与最上面的声驻波的压力波节对准，以过滤来自脏水流的固体颗粒以形成干净水。可以将干净水注入到烃地层中。
在本公开的其它替代实施例中，产生声驻波的步骤可以包括产生具有邻近主管的侧壁的压力波节且具有比压力波节的数量少一个的多个压力波腹的声驻波。将换能器组件定位在地下井内的步骤可以包括将具有换能器组件的井下工具下降到地下井中，或者可以包括当换能器组件被固定到主管时将主管安置在地下井中。
在本公开的另一实施例中，用于在地下井的主管内使烃流体从水和固体材料分离的方法包括将换能器组件定位在地下井内。主管具有中心轴线并且换能器组件包括沿着主管的长度间隔开的多个压电换能器。利用多个压电换能器产生声驻波，声驻波穿过在主管中流动的流体。最上面的声驻波具有与延伸至地下井上端的采出管轴向对齐的压力波腹。每个其他声驻波的压力波腹的数量至少等于最上面的声驻波的压力波腹的数量。
在本公开的替代实施例中，方法还可以包括利用地下井外部的控制器来调谐声驻波，以调节声驻波的环数量和振幅。可以在地下井中设置固体颗粒过滤器，固体颗粒过滤器与最上面的声驻波的压力波节轴向对齐。可以在地下井中设置水管道，水管道具有与最上面的声驻波的压力波节轴向对齐的端部。产生声驻波的步骤可以包括产生具有邻近主管的侧壁的压力波腹且具有比压力波腹的数量少一个的多个压力波节的声驻波。
在本公开的又一实施例中，用于在地下井的主管内使烃流体从水和固体材料分离的系统包括位于地下井内的换能器组件。主管具有中心轴线并且换能器组件包括沿着主管的长度间隔开的多个压电换能器。压电换能器定位成产生在横穿中心轴线的方向上穿过主管的声驻波。压电换能器被对准且可操作为产生具有朝通过主管的流体的流动方向减少的环数量的声驻波。
在替代实施例中，换能器组件可以位于主管的内径部之外。电源可以位于地下井的外部并且与换能器组件电连接。采出管可以位于地下井中，采出管的端部与最上面的声驻波的压力波腹对准。固体颗粒过滤器可以位于地下井中，固体颗粒过滤器与最上面的声驻波的压力波节对准，并且可操作为产生干净水以供注入到烃地层中。
在其它替代实施例中，系统可以包括井下工具，井下工具具有换能器组件。作为替代方案，换能器组件可以被固定到主管上。控制器可操作为调谐声驻波以调节声驻波的环的数量和振幅，控制器位于地下井的外部。水管道可以位于地下井中，水管道具有与最上面的声驻波的压力波节轴向对齐的端部。
附图说明
为了可以详细地理解获得本公开中描述的特征、方面和优点以及将变得明显的其它方面的方式，可以通过参考在形成本说明书的一部分的附图中示出的本公开的实施例而具有本公开的更具体的描述。然而，需要注意的是，附图仅示出了本公开的示例性实施例，并且因此不应被视为限制本公开的范围，因为本公开可以允许其它等效实施例。
图1是根据本公开的实施例的具有换能器组件的地下井的示意性纵剖视图。
图2是根据本公开的实施例的换能器组件的纵剖视图。
图3是根据本公开的实施例的换能器组件，示出了声驻波的表示。
图4是实验室观察的显微镜组件的示意性表示。
图5包括作为在水乳剂中的微细十二烷油滴情况下的声辐照过程的俯视宏观观察的实例的快照。
图6包括示出十二烷乳剂液滴群的形成的高速视频快照的微观观察。
图7包括对于具有各种尺寸的二氧化硅颗粒的二氧化硅颗粒悬浮液的情况下的辐照过程的俯视宏观观察。
图8包括对于具有各种尺寸的二氧化硅颗粒的辐照开启之后150s的微流体池的俯视快照。
图9包括对于各种二氧化硅颗粒尺寸的二氧化硅颗粒群的微观高速观察。
图10包括微细十二烷液滴和7.5μm二氧化硅颗粒中的混合物的声学分离的视图。
图11示出了说明微流体系统的连续流动中的声学分离。
图12包括分离期间十二烷液滴与二氧化硅颗粒群之间的共存和相互作用的详细视图。
具体实施方式
现在将参考示出本公开的实施例的附图更全面地描述本公开的实施例。然而，本公开可以以许多不同的形式来体现，并且不应该被解释为限于在本公开中阐述的所示实施例。本领域技术人员理解，本公开不限于说明书中给出的实施例的描述或受其限制。而是，提供这些实施例是为了使本公开透彻和完整，并将本公开的范围完全传达给本领域技术人员。相似的数字始终指代相似的元件，并且如果使用了撇号标记，则其表示替代实施例或位置中的类似元件。
在以下讨论中，阐述了很多具体细节来提供对本公开的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本公开的系统和方法。另外，对于绝大部分来说，关于井钻、储层测试、完井等的细节已被省略，因为这样的细节对于获得对本公开的完整理解并不认为是必需的，并且被认为是在相关领域的技术人员的技能之内。
本领域技术人员还理解，用于描述特定实施例的术语不限制本公开的范围或广度。在解释本公开(包括所附权利要求书)时，应以与每个术语的上下文一致的最宽泛的可能方式来解释所有术语。除非另外定义，否则本公开中使用的所有技术和科学术语(包括所附权利要求书)具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。
如在本公开中所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数形式。所引用的元件、部件或步骤可以与未明确提及的其它元件、部件或步骤一起出现、使用或组合。“相关联的”及其各种形式意味着与别的东西有关的东西，因为它们一起出现或者一个产生另一个。“检测”及其变形形式应解释为意味着特征或属性的出现或存在的标识。“确定”及其变形形式应解释为意味着通过对特征或属性的分析或计算进行的查明或建立。
空间术语描述了对象或一组对象相对于另一对象或另一组对象的相对位置。空间关系适用于纵轴和横轴。方位和关系词(包括“井上”和“井下”)是为了描述方便，除非另有说明，否则不是限制性的。
在本公开(包括所附权利要求书)提供了一定范围的值的情况下，可以理解的是，该间隔涵盖了上限与下限之间的每个中间值以及该上限和下限。本发明涵盖并界定了受到所提供的任何具体排除的间隔的较小范围。
在本公开(包括所附权利要求书)涉及包括两个或更多个限定的步骤的方法的情况下，限定的步骤可以以任何顺序或同时执行，除非上下文排除该可能性。
参看图1，示出了具有地下井11的示例性烃开发。虽然井11示出为竖直井，但本公开的实施例同样适用于倾斜井或水平井。井11可以衬有套管13，或者可以没有套管。主管15可以在井11内延伸。主管15被示出为围绕主管15的中心轴线17同心。主管15具有开放的下端，用于为来自地下井内的采出流体提供进入主管15的入口。这样的流体可以包括例如液态和气态形式的烃、水以及由烃和水携带的固体。外封隔器18可以密封主管15的外径部与套管13的内径部之间的环形空间。
采出管19也在套管13内延伸。采出管19可以位于主管15内并且被主管15包围。采出管19可以围绕中心轴线17与主管15同心，使得采出管19与主管15的中心轴线17同轴对准并且主管15的中心轴线17也是采出管19的中心轴线。采出管19延伸到地下井11的上端并且可以将采出流体输送到地下井11的外部，诸如经由井口23输送到地球表面21。在某些实施例中，主管15也可以延伸到地下井11的上端(图1)，并且在其它实施例中，主管15可以界定主管15的仅仅一部分并且不延伸到地下井11的上端(图2)。
图1的烃开发包括用于将地下井11的主管15内的烃流体从水和固体材料分离的系统。用于分离烃流体的系统具有换能器组件25。换能器组件25位于地下井11内。换能器组件25与主管15相关联，但可以位于主管15的内径部26的外部，使得换能器组件16不会干扰流体通过主管15的流动，因此不会对流体到井口23的流动中的压力下降有贡献。另外，没有系统部件位于采出管19的径向内侧，或与采出管19的开口径向对准。位于采出管19的径向内侧或以其它方式与采出管19的开口径向对准的部件会限制诸如干预设备或测井工具等设备或工具对井筒的访问。本文公开的实施例提供了通过采出管19对井筒的不受限制的访问。井11可以具有单个换能器组件25，或者可以具有沿着井11的长度间隔开的多个换能器组件25。
在某些实施例中，换能器组件25固定到主管15(图1)。换能器组件25可以是例如主管15的侧壁的一部分或固定到主管15的外径部。
在其它实施例中，换能器组件25可以是井下工具27的一部分(图2)。当换能器组件25是井下工具27的一部分时，井下工具27可以超出主管15的外径，使得换能器组件25围绕主管15的外径部定位。当换能器组件25是井下工具27的一部分时，可以根据需要将井下工具27下降到井11中并且为了进行日常维护或故障排除而将井下工具27提升上来。在这样的实施例中，井下工具27可以用作主分离工具，或者在通过诸如另一换能器组件25或常规的水力旋流器或重力分离器等的另一方法或系统执行流过主管的流体的成分的首次分离之后用作二次分离工具。以这种方式，换能器组件25可以与其它井下油水分离技术结合以提供混合井下油水分离解决方案。
换能器组件25包括沿着主管15的长度间隔开的多个压电换能器29。每个换能器组件25中使用的压电换能器29的数量将取决于若干操作因素而变化并且将基于特定井11的这些操作因素来确定。作为实例，这些操作因素可以包括采出管19内的流量、流过采出管19的流体的性质和组成、主管15的直径以及流过采出管19的流体的温度和压力。压电换能器29可以产生在横穿中心轴线17的方向上穿过主管15的声驻波31(图3)。每个压电换能器29可以产生具有与相邻声驻波31的环数不同的选定数量的环的声驻波31。压电换能器29被对准并且可操作为产生具有朝通过主管15的流体的流动方向减少的环(loop)33的数量的声驻波31。在图3所示的流过主管15的流体朝向井口23(图1)向上流动的实例中，最下面的声驻波31A可以具有更多数量的环33，并且最上面的声驻波31B可以具有更少数量的环33。
一个环是环33构成的波的一半。作为实例，参看图3，最上面的声驻波31B是波的一半，其等效于单个环33。最下面的声驻波31A是两个波的长度并且因此具有四个环33。每个环33在环33的每个端部处具有压力波节35，并且在环33的中心位置处具有压力波腹37。在示例性实施例中，声驻波31具有在主管15的侧壁附近的压力波节35并且具有比压力波节的数量少一个的多个压力波腹37。
声驻波31的环33的振幅和环33的数量将取决于若干操作因素而变化并且将针对特定井11的操作因素来确定。作为实例，这些操作因素可以包括采出管19内的流量、流过采出管19的流体的性质和组分、主管15的直径以及流过采出管19的流体的温度和压力。作为实例，最下面的声驻波31A的环33的数量可以高达20。最上面的声驻波31B的环33的数量可以低至一个，或者可以多于一个。
采出管19在井11内对准，使得采出管19的下端与最上面的声驻波31B的压力波腹37对齐并且在压力波腹37之上沿轴向对准。采出管19的外部是水管道39。水管道39可以是主管15的内径部26与采出管19的外径部之间的环形空间的全部或一部分。水管道39可以具有与最上面的声驻波31B的压力波节35轴向对齐的端部。在所示的示例性实施例中，水管道39与主管15的侧壁相邻地定位。
固体颗粒过滤器41可以位于水管道39内。在实施例中，固体颗粒过滤器41与最上面的声驻波31B的压力波节35对准。在替代实施例中，固体颗粒过滤器41可以位于不与最上面的声驻波31B的压力波节35对准的不同位置处。作为实例，固体颗粒过滤器41可以与声驻波31中的另一声驻波的压力波节35对准。作为替代实例，固体颗粒过滤器41可以沿着水管道39的长度定位，而不一定与任何压力波节35对准。
为了实时调节环33的数量和环33的振幅，通信单元43可以与换能器组件25通信。通信单元43可以位于井11的外部，诸如位于地面21，使得操作者可以使用通信单元43。通信单元43可以包括控制器，该控制器可操作为调谐声驻波31以调节环33的数量和声驻波31的振幅。通信单元43的控制器可以通过有线连接45、无线遥测或其它已知通信手段与换能器组件25通信。操作者可以使用通信单元43来改变环33的数量和声驻波31的振幅，以考虑改变操作条件或采出要求。通信单元43还可以包括与换能器组件25电连接的电源。电源可以包括例如发生器和放大器。
在操作实例中，为了使烃流体在井11的主管15内与水和固体材料分离，把换能器组件25定位于井11内。在换能器组件25是井下工具27的一部分的情况下，通过将井下工具27下降到井11中而将换能器组件25定位在井11内。在换能器组件25固定到主管15的实施例中，通过使主管15安置在井11内而将换能器组件25定位在井11内。
操作者然后可以使用通信单元43利用压电换能器29来产生声驻波31。声驻波31横穿中心轴线17穿过主管15，并且如在本公开中将进一步讨论的那样，从流过主管15的流体的水和固体中分离出油。
参看图3，声驻波31产生一次辐射力和二次声辐射力，由于油滴47和固体细粒49相对于水的可压缩性存在差异，所以一次辐射力和二次声辐射力对油滴47和固体细粒49产生不同影响。一次声辐射力将使油滴47沿径向朝向压力波腹37移动并且使固体细粒49朝向每个声驻波31的压力波节35移动。因此油滴47和固体细粒49在沿着主管15的不同的轴向位置处彼此分离。
如果由于在相反方向上行进的两个波的完美时间干涉而形成的适当声驻波图案被耦合到主管15中的油水细粒混合物，则可以从水中分离和提取出油滴47和固体细粒49。这种分离技术牵涉到由声驻波31产生的将油滴47和固体细粒49驱动到声场中的不同空间区域中的一次和二次直接辐射力两者。
二次声辐射力使油滴47聚结成较大液滴的聚结性增强。固体细粒49被迫在压力波节35中群聚，并且二次声辐射力使它们形成大群。随着油滴47和颗粒群的尺寸增加，一次和二次声辐射力对于使油滴47和颗粒群分离和增长的有效性甚至进一步增加，因为两种力都随着液滴和群体积而成比例缩放。在井11中向上且到达地面之前的某一距离处，油滴47将最终形成油残滴，且可以以高的油水比容易地被泵送到地面。驻波环33的数量朝向主管15的顶部减少允许油滴47首先在主管15的底部分离出来，朝向顶部在管子的中心形成大的残滴，在顶部，大的残滴可以经由采出管19被泵送到地面。因此，与更多地基本上流过主管15的流体中油滴47的浓度相比，油滴47将构成采出到井口23的流体中的显著更高比例的部分。因为采出管19在最上面的声驻波31B的压力波腹37之上轴向对准，所以轴向上行进通过主管15的油滴47将进入采出管19并被采出到井口23。
类似地，固体细粒49形成可容易地过滤出来的大群，从而产生可以被返回注入到同一地层中的具有低细粒负荷的采出干净水。包含固体颗粒过滤器41的水管道39可以与最上面的声驻波31B的压力波节35轴向对准。具有水和固体细粒49的脏水流将进入水管道39，在那里固体细粒49将被固体颗粒过滤器41捕获并从水中去除。然后所产生的干净水可以被采出到地面或者可以行进通过注水管线51被重新注入井下。因为干净水具有低负荷的固体细粒49，所以可以重新注入地层中，而没有孔隙堵塞或地层破坏的高风险。
尽管在示例性实施例中将固体细粒49、水和油滴47描述为在最上面的声驻波31B处最终分离，但是固体细粒49与水的分离、固体细粒49与油滴47的分离以及水与油滴47的分离可以基于压电换能器29的调谐交替地在主管15内的不同轴向位置处发生。以这种方式，成分分离的位置(诸如去除固体细粒49的轴向位置)可以针对特定的地下井11进行优化。在这样的实施例中，可以通过在除了与最上面的声驻波31B的压力波节35轴向对准之外的位置处使用去除固体捕获器来实现固体细粒49的去除。
因此，本公开中描述的系统和方法提供了如下的采出流：在地面具有增加的油水比以及在水中具有减少的固体细粒49，而不会妨碍流体流动通过主管15，如图中51所示。固体细粒49、油滴47以及水将经过压电换能器29持续稳定地流向地面21。固体细粒49将不会因沉降时间而分离(这可能会阻碍采出流动)，而是将经由与采出管19平行的水管道39被引导至单独的固体过滤器41。固体细粒49可以与采出水分离并在井下被捕获。通过提高分离效率并因此提高水的质量，可以增加用于重新注入地层的采出水的注入率。这减少或消除了泵送到地面或重新注入地层的采出水中的污染物，因此降低了化学处理成本。
本公开的实施例可由操作者实时调节以适应不同的含水量。如果需要，可以调节声学效果来增强采出水的井下混合。本公开的系统和方法不需要高流量来操作，并且可以用于大的流量范围。没有移动的机械部件，该系统尺寸紧凑且易于从地面安装和操作，所需维护量极少。
作为对用于分离油滴47和固体细粒49的驱动力的进一步理解，如果声波频率被调谐为满足以下条件，则产生一声驻波图案：
其中D是管子内径，λ是波长，并且n是驻波图案中的谐波数或环数。D和λ可以具有相同的单位。例如，如果λ以mm为单位进行测量，则D将以mm为单位进行计算。驻波图案由沿着激励介质总是位于相同位置的压力波节和压力波腹的交替图案组成。驻波图案具有n个压力波腹和n+1个压力波节。
主管内部的介质中的驻波图案产生了施加在油滴和细颗粒两者上的以N为单位的时间平均主要轴向声学直接辐射力(DRF)，并由下式给出：
其中被称为对比因子，由下式给出：
或
在这些等式中，下标p指代颗粒或液滴，下标o指代连续流体相(水)，P0是以N/m2为单位的声压振幅，V是以m3为单位的分散颗粒的体积，β是以m2/N为单位的可压缩率(其对于液体而言等于1/ρc2：其中c是以m/s为单位的液体中的声速)，ρ是以kg/m3为单位的密度，并且z是以m为单位的距压力波节的距离。取决于与连续相相关的分散颗粒的密度和可压缩率。当这些比率产生负对比因子时，轴向直接辐射力为正，并且颗粒被朝向压力波腹驱动。相反，如果对比因子为正，则颗粒被朝向压力波节驱动。因此，声驻波图案不仅提供了从溶液中分离颗粒的手段，而且还提供了在采油管中具有相反的对比因子(诸如油滴和固体细粒)的分开的颗粒。
当液滴或颗粒分别到达波腹或波节平面时，它们经历二次声辐射力(也称为二次皮叶克尼斯(Bjerknes)力)。这些力主要在垂直于声音传播方向的方向上是吸引性的，并因此分别增强了液滴在波腹和波节平面中的聚结性或颗粒在波腹和波节平面中的群聚。随着液滴和颗粒的尺寸增长，一次和二次声辐射力都变得更加显著，因为两者都随着液滴或颗粒的体积而成比例缩放，从而使分离过程变得更加高效并使颗粒和液滴的尺寸随着流体向上流向采出井而迅速增长。结果，可以朝流动方向分阶段地施加具有更少环数的驻波，以迫使油滴在井的中心形成大的残滴，而在采出管的壁附近形成较大的细粒群，如图3所示。
实验室结果
1.简介
通过显微镜在简单的微流体池中观察在水乳剂、胶体二氧化硅微粒悬浮液以及它们的混合物中的在显微镜下的十二烷油滴中声学超声驱动的颗粒群的形成。使用300KHz频率的超声波对平坦通道微流体池中的乳剂/悬浮液样品进行声辐照。参看图4，使用配备有尼康镜头的高速摄像机100来记录过程以用于宏观观察，或者利用附接至倒置光学显微镜102的高速照相机100来记录过程以用于对所研究的每个系统中的过程进行更高分辨率的微观观察。在乳剂液滴、固体胶体颗粒的情况下对群聚过程进行了表征，并且最终展示了基于乳剂液滴和固体颗粒的不同的声学对比因子而在混合物中将乳剂液滴与固体颗粒分离的概念。实验显示，可以在连续流体流动过程中使用相同的方法。
对于分散在介质中的给定粒子的声学分离的有效性由声学对比因子来确定，声学对比因子是粒子与介质密度和可压缩率的无量纲组合。在声驻波中，与介质相比更不具有压缩性并由此具有正声学对比因子的粒子被朝向最小压力变化的波节区域吸引，另一方面，与介质相比更具有压缩性并具有正声学因子的粒子被朝向最大压力变化的波腹区域吸引。到目前为止进行的研究中的大部分仅使用一种类型的分散粒子，诸如固体颗粒、生物细胞或乳剂液滴。本实验室工作的目的是使用简单的微流体流动池实验设置来展示对具有相反声学对比因子的成分的混合物进行的声学分离过程的概念，并且更具体地显示了乳剂液滴和固体颗粒混合物的分离。
由于使用了分散在水中的模型乳剂十二烷油滴，并且为了给固体微粒建模，使用了在0.15μm至7.5μm的尺寸范围内的单分散胶体二氧化硅微球。轻质烃油滴和固体硅酸盐颗粒的这种组合是原油采出中的相关过程特有的。先前的超声波分离研究针对的是宽范围的与采油相关的应用，诸如来自油砂的焦油回收、原油的脱盐和脱水以及油与水分离。这些研究中的大部分都证明了使用超声波清洗机或均化器型单元在台式实验设置上进行的概念调查。尽管展示出令人满意的结果，但迄今为止据我们所知，这些结果并没有带来商业上可行的应用。
在本研究中，选择了厚度仅为100μm的简单的平坦通道微流体池104，其允许对离子群聚过程进行详细的微观观察与较大视角的宏观观察相结合。为了使过程可视化，使用了最先进的高速摄像机。首先研究了液滴或固体颗粒溶液的单成分乳剂的较简单的情况。对于固体颗粒的情况，单分散二氧化硅颗粒的使用允许在设置中建立用于有效声学分离的最小粒径。在此之后，研究了乳剂液滴和固体颗粒混合物中的分离，并且最后进行了显示十二烷液滴和二氧化硅颗粒的连续流体流动分离的概念实验的证明。
2.实验设置
通过将1wt％(重量百分比)至5wt％的十二烷油(99.0+％)与去离子水混合来制备水包油乳剂。为了使乳剂稳定，将3×10-3wt％的表面活性剂(西格玛-奥德里奇(Sigma-Aldrich))加入到十二烷相中，产生了约7mN/m的水油界面张力。仅可溶于油相的表面活性剂对于使乳剂中声波气泡的存在最小化而言是优选的。使用了两种混合方案来制备较粗大或较微细尺寸的油滴。如图6所示，通过用螺旋桨分散器以15000rpm搅拌混合物5min来制备粗大尺寸乳剂，从而产生了尺寸在2μm至10μm的范围内的油滴。为了制备较微细液滴乳剂，使用20KHz喇叭型换能器超声均化器将样品进一步分散。在200瓦特下进行约5min的脉冲辐照产生了在1μm至3μm的范围内的较微细乳剂液滴尺寸，如(图6b)所示。为了使重力分层效应最小化，在制备之后的15min内使用乳剂样品。
在有限次的实验中，使用了称为PP1(英国F2化学品公司(F2Chemicals Ltd.，U.K.))的商业形式的全氟己烷(perfluorohexane)作为油相。在这种情况下，通过向水相中加入1×10-3wt％的FSN(DuPont(杜邦))(其为以非常低的浓度修改界面能量的非离子含氟表面活性剂)而使乳剂稳定。如上所述，在制备全氟己烷乳剂时，使用了与用于微细十二烷液滴乳剂的混合方案相同的混合方案。这产生了1μm至3μm的对于全氟己烷液滴的相似的尺寸范围。
获得尺寸为0.15μm、0.5μm、1.2μm和7.5μm的单分散二氧化硅颗粒悬浮液作为5wt％水性悬浮液。在使用之前，从原始悬浮液溶液中洗涤二氧化硅颗粒以除去表面活性剂痕迹。如果没有特别说明，所使用的去离子水悬浮液中的二氧化硅微粒的标准浓度为1wt％。
图4示出了用于在微流体池中进行超声波辐照的宏观和微观观察的实验设置的示意图。使用通道内部尺寸为100μm厚度、8mm长度且38mm宽度的平行壁流体流动池104。使用环氧树脂将具有约300KHz谐振频率的7mm直径且3mm厚度的压电陶瓷盘形换能器106附接在池104的底部(图2照片)。使用20MHz功能/任意的波形发生器和DC到1MHz的高速双极性放大器向换能器106供电。在所有实验中，换能器都使用300KHz的标准设置、利用来自提供了约40V放大器输出信号的信号发生器的振幅为1V的正弦信号进行工作。换能器的共振频率选择为使得池的尺寸将是波长的几倍，这使得便于利用实验设置进行观察。
将该池安装在倒置显微镜102的观察台上。将高速摄像机100a附接到显微镜的侧面端口，从而允许使用10倍、20倍或40倍放大率的目镜来记录辐照过程的仰视观察。作为替代方案，将配备有85mm镜头的高速照相机100b安装在竖直导轨上，焦距在池上方约20cm处，用于在整个池之上进行辐照过程的俯视宏观观察。池入口通过塑料导管连接到用于将所研究的溶液引入池中的10ml注射器108上。实验中的大部分是通过在用溶液填充池之后将入口和出口导管密封而在静态流动条件下完成的。通过将注射器安装到自动注射泵上来完成受控流动实验。
3.背景
作为牵涉到一次和二次声辐射力和声流的声学分离的物理背景的简要参考，声辐射力倾向于对于较大粒径(>1μm)和较低辐照频率(<1MHz)占主导地位，并且流力(streaming fore)对于较小粒径(<1μm)但较高声音频率(>1MHz)更为明显。一次声辐射力产生自声波压力的空间梯度。在驻波场中，在波的一次辐射的方向上的以N为单位的力可以表达为：
其中R是以m为单位的颗粒半径，k＝2π/λ是波数，λ是以m为单位的声音的波长，Eac是以J/m3为单位的声能密度，x是以m为单位的距波节的距离，并且φ是声学对比因子。分散在介质中的粒子所经历的一次声辐射力的方向由如下声学对比因子的符号来确定：
其中ρ是以kg/m3为单位的密度，β是以m2/N为单位的可压缩率，并且下标p指代粒子(乳剂液滴或胶体颗粒)并且m指代介质。可压缩率与声音在介质中或颗粒中的以m/s为单位的速度c有关：
当受到声驻波场时，具有正声学对比因子的粒子经历到将粒子朝向声场中的压力波节(例如，具有最小压力振幅变化的区域)驱动的一次声辐射力。相反，具有负声学对比因子的粒子被朝向声场中的波腹(其具有最大压力变化)驱动。表1给出了在我们的研究中使用的粒子液滴(十二烷液滴、全氟己烷液滴和二氧化硅胶体颗粒)的比重和声速以及当分散在水介质中时它们各自的声学对比因子。十二烷和全氟己烷液滴具有负声学对比因子，并且二氧化硅颗粒当分散在水介质中时具有正声学对比因子。
表格1
所研究的介质和粒子的密度、声速以及声学对比因子
二次辐射力产生于从悬浮的颗粒的声场反射，并且一旦颗粒靠近在一起就变得显著。二次辐射力取决于颗粒相对于声波传播方向的位置。该力在垂直于波前传播的方向上在颗粒之间是排斥的，但在沿着波前传播的方向是吸引性的。
除了引入声辐射力之外，还在悬浮的颗粒上引起声流。流是由于流体相和流体-固体界面中的消散过程而产生的。存在有在不同的长度比例下明显的几种类型的流：大比例的埃卡特(Eckart)流(比例>>λ)，以及小比例的瑞利(Rayleigh)流(比例～λ)和施利希廷(Schlichting)流(比例<<λ)。在本实验的背景下，预计最显著的是瑞利比例流。
4.结果和讨论
4.1水包油乳剂
首先检查微流体池中十二烷乳剂液滴的声学分离。图5示出了作为在水乳剂中微细十二烷油滴情况下的声辐照过程的俯视宏观观察的实例的快照。超声处理启动之后几秒对通过细线连接的暗色斑点的形成进行了观察，表明乳剂液滴群的形成(图5b)。细线逐渐消失，并且在辐照开启之后约5min观察到离散的暗色斑点图案(图5c)。在图2c中看到的油滴聚集体的特征距离约为2.5mm，其与在水中的f＝300KHz的声波的波长的一半严密匹配，为由于十二烷在水滴中的负声学对比(表1)，所以预计乳剂液滴将被朝向声场压力波腹驱动。
应注意的是，这种类型的实验可以用作将池中声学填充的压力分布可视化的简单方法，作为颗粒图像测速(PIV)成像的替代。在测试的构造中，压力波腹位置靠近池侧壁，在池侧壁之间还有超过三条线的波腹拟合。由于池的形状不是精确的谐振腔，而是具有弯曲的端壁，所以波腹位置稍微无序。尽管如此，可以清楚地观察到群结构之间的λ/2的预计特征间隔。
图5示出了在水乳剂中的微细十二烷液滴情况下的声学分离的俯视宏观观察：(a)在超声波辐照开启之前，(b)在辐照开始之后40s，和(c)在辐照开始之后600s。
宏观观察给出了池中声场分布的总体照片。如预计的那样，较大液滴朝向波腹位置更快地聚集，即以s为单位。在这种情况下，可观察到大液滴串朝向群移动(图6a)。在较高浓度微细乳剂的情况下，该过程需要较长时间(分钟计)，并且液滴流的网络连续地排出为以波腹为中心的较大聚集体(图6b)。在超声处理中断之后，油滴聚集体在由浮力驱动的流体池的上表面上松弛。
图6包括示出高速视频快照的微观观察，其中：(a)示出了对于粗十二烷乳剂液滴情况的群形成；(b)示出了高浓度微细液滴尺寸十二烷乳剂；(c)示出了在关闭时沉积在池表面上的乳剂液滴群；和(d)示出了当接通超声波时在压力波腹中悬浮的乳剂液滴群。
进一步操纵沉积的聚集体的一种简单方法是通过打开和关闭声场进行。图7示出了当打开超声波时的群松弛的几个周期(图7c)和压力波腹中的群聚集(图7d)。
4.2胶体二氧化硅颗粒悬浮液
接下来，进行胶体二氧化硅颗粒悬浮液的实验。在这种情况下，使用单分散二氧化硅颗粒，从而允许更精确地观察粒径对超声波分离效率的影响。该实验研究了水悬浮液中的7.5μm、1.2μm和0.5μm以及0.15μm的单分散二氧化硅颗粒。由于一次声辐射力以等式1中R的三次幂的程度强烈地依赖于粒径，所以预计较小颗粒将更难以聚集。预计大颗粒的聚集将由声辐射力主导，而对于较小颗粒，流力将占主导地位。对于在1.4MHz下辐照的胶乳颗粒珠溶液，观察到对于约1μm的粒径而言的辐射力与流驱动分离之间的过渡。然而，对于在此处使用的较低谐振频率下操纵的二氧化硅颗粒而言，可以预计不同的过渡尺寸。
在1wt％的7.5μm二氧化硅颗粒悬浮液的情况下对辐照过程进行俯视宏观观察，并且图7示出了在声辐照开始之后15s时(图7a)和150s时(图7b)的代表性快照。在过程开始之后很短时间内对于十二烷液滴群情况的图5c与对于7.5μm二氧化硅颗粒的图7a之间的比较表明，二氧化硅颗粒聚集体的初始位置从乳剂液滴聚集体位置偏移大约λ/4。这证实了在第一种情况下，正声学对比二氧化硅颗粒被朝向压力波节位置驱动。然而，相邻群趋向于朝向彼此迁移，并且最终的图案是沿着池长度更稀疏分离的细长形状群。如图7b所示，在垂直于通道横轴的方向上，群位置之间的最终距离约为2.5mm～λ/2，但是在沿着通道长度的方向上接近5.0mm或～λ。
顺便注意到，在利用较高浓度的约5wt％的7.5μm二氧化硅颗粒的测试试验中，观察到颗粒群聚的更复杂的动力学图案，如图7c所示。在这种情况下，形成二氧化硅颗粒群的网络，其中群以同步的方式周期性地使它们的取向偏移。群结构的特征间距约为2.5mm或λ/2。
图7因此示出了在1wt％的7.5μm二氧化硅颗粒的情况下的来自分离过程的俯视宏观视图的快照：(a)在超声处理开始之后15s；和(b)在超声处理开始之后150s。图7c说明了在5wt％的7.5μm二氧化硅颗粒情况下观察到的动态群聚图案。
接下来，研究使用较小尺寸二氧化硅颗粒进行有效声学分离的粒径极限。图8a、图8b和图8c中分别示出了对于1wt％的1.2μm、0.5μm和0.15μm二氧化硅颗粒情况下的在辐照开启之后150s的微流体池的俯视快照。与在150s时7.5μm二氧化硅颗粒的情况(图4b)相比，显而易见的是，随着粒径的减小，分离效率较差且需要更长的时间。在1.2μm的情况下可以清楚地观察到群的形成，但是在较暗的中心斑点周围有较浅的阴影(图8a)。对于0.5μm，聚集体图案在150s之后开始出现(图8b)，但需要更长的时间(5min到10min)才能在群核心清楚地形成较暗斑点。对于0.12μm二氧化硅颗粒的情况，没有群形成的可见迹象，并且即使在连续辐照15min之后，池中悬浮液的颜色仍保持均匀(图8c)。
从对该过程的微观观察可以获得对不同二氧化硅粒径情况下的群聚的更详细的理解。图9示出了各种二氧化硅粒径的微观高速观察。图9a和图9b是7.5μm二氧化硅颗粒聚集体的小群和大群的实例。7.5μm的群具有非常明显的平行颗粒串。这些颗粒串的形成可以通过二次声辐射力的作用来解释。两个颗粒之间的二次辐射力在垂直于波传播的轴线方向上是吸引性的，但是在声波传播的方向上是排斥性的并因此将有利于在垂直于波传播的轴线方向上的微粒串排列。在较大乳剂液滴(图6a)的情况下也注意到了粒子串形成的类似趋势，但是对于7.5μm二氧化硅颗粒的情况观察到的粒子串形成的这种趋势更清楚，这可能是由于二氧化硅颗粒样品的单分散性，而液滴是多分散性的。
图9c和图9d是1.2μm二氧化硅颗粒群的实例。在图9c所示的情况下，类似于7.5μm颗粒的情况观察到了群的完全不同的串的子结构。然而，这个顺序可能会丢失，并且如图9d中所展示的，发展出涡旋型群。这表明对于这种粒径，辐射力和流力两者都参与群聚过程。图9e示出了在0.5μm二氧化硅颗粒的情况下在约5min的辐照之后观察到的涡旋结构核心，表明了对于这种粒径，声群聚(acoustic clustering)仍然是可能的，但现在由流声力占主导地位。图9f示出了辐照10min之后0.15μm颗粒悬浮液的情况。在这种情况下，微量的7.5μm二氧化硅颗粒的痕量被分散以标记压力波节的位置。根据宏观观察，图9f的图像没有显示任何颜色变化，表明在这些实验条件下的声辐射不是使0.15μm二氧化硅样品群聚的有效方式。
4.3十二烷液滴-二氧化硅颗粒混合物
接下来研究混合物乳剂液滴和胶体颗粒的情况。该研究在去离子水中使用了2wt％的十二烷液滴和1wt％的7.5μm或1.2μm二氧化硅颗粒。在这两种情况下，都有可能实现将两者的初始均质混合物声学分离成离散的十二烷液滴和二氧化硅颗粒群。在图10中展示了微细十二烷液滴和7.5μm二氧化硅颗粒中的混合物的声学分离的宏观观察，示出了来自该视频的快照。约150s之后，可以观察到与二氧化硅颗粒的较浅长形群分离的较暗圆形液滴群的形成(图10a)。
如图10b所示，在超声处理中断并且浮力使乳剂液滴和二氧化硅颗粒群两者分离之后很短时间内，可以更加清楚地看到乳剂液滴和二氧化硅颗粒群之间的差异。在这里，较暗的圆斑点是沉积在池的上壁上的乳剂液滴群，较浅强度的椭圆斑点是沉积在池底部的二氧化硅颗粒群。两个液滴群之间或两个颗粒群之间的近似间距接近单成分溶液的情况下的这些群之间的间距。然而，在混合物情况下群的位置并不是单成分群位置的精确叠加(图5c和图5b)，意味着乳剂液滴和二氧化硅颗粒群之间存在一定程度的相互作用。
高速视频微观观察给出了分离期间十二烷液滴和二氧化硅颗粒群之间的共存和相互作用的详细视图。图12a是粗乳剂液滴和7.5μm二氧化硅颗粒群的情况的快照，并且图12b是微细乳剂液滴和1.2μm二氧化硅颗粒的情况的快照。这些图中所示的二氧化硅颗粒和十二烷液滴群之间的平均距离约为1.1mm，接近但并不完全等于波节与波腹位置之间的预计λ/4间距(约为1.25mm)。这证实了群之间某种程度的相互作用的宏观观察。类似地，乳剂液滴和二氧化硅颗粒群具有与单成分情况下观察到的结构类似的子结构。然而，记录的视频显示颗粒与液滴的更复杂的动力学相互作用，群之间反映了循环，即使在较大粒子的情况下也是如此，并且由于涡旋形成的流力的较强参与，对于较小粒子更加明显。
对于混合物中的1.2μm二氧化硅颗粒，使用微细尺寸全氟己烷乳剂液滴重复进行相同的实验，并且如图12c中所示，对颗粒和液滴分离的相似图片进行了观察。这证实了声学分离固体颗粒和乳剂液滴可以对于比水重的乳剂液滴成分有效地起作用，否则这种比水重的乳剂液滴成分不能使用重力分层与固体成分分离。
图12示出了使用10倍物镜拍摄的微观高速视频快照，其示出了在混合物辐照期间二氧化硅颗粒和十二烷液滴的分离的群聚。图12a在左侧示出了7.5μm二氧化硅颗粒群，并在右侧示出了粗大十二烷液滴群。图12b在左侧示出了1.2μm二氧化硅颗粒群，并在右侧示出了微细十二烷液滴群。图12c在左侧示出了1.2μm二氧化硅颗粒，并在右侧示出了微细全氟己烷液滴群。
进行了概念实验的证明以展示声学微流体的用于利用连续流体流动过程使乳剂液滴和固体颗粒分离的能力。在这些实验中，连接到连接注射器的池入口上的注射器安装在注射泵上，从而允许控制通过池的流体流动脉冲的持续时间和速度。在静态流动下超声处理30s后，施加5mm/s的流体流动30s，然后再次重复相同的循环。如图11a所示，在连续流动阶段期间，沿着池的压力波腹位置形成三个浓缩乳剂液滴流并通过池出口排出来。在图11b中，呈现了乳剂液滴和二氧化硅颗粒的混合物的情况。这里沿着池长度形成的七条线流向出口。其中三个是通过波腹位置的乳剂液滴流，另外四个是沿着池穿过相应压力波节位置的浓缩的二氧化硅颗粒流，如图11b箭头所示。这里使用的微流体池不是专门设计用于在池出口收集浓缩的乳剂液滴和二氧化硅颗粒流。尽管如此，这些初步实验展示了微流体装置在恒流模式下将成分从具有不同声学对比的粒子的混合物中分离出来的操作潜力。
图11示出了说明微流体系统的连续流动中的声学分离。图11a示出了十二烷液滴乳剂。在5mm/s的流体流动阶段期间，三个液滴流沿着波腹位置通过。图11b示出了十二烷液滴和7.5μm二氧化硅颗粒混合物。分别在波节和波腹平面上的四个较宽的二氧化硅颗粒流和三个颜色较浅的十二烷液滴流。
5.结论
引入了基于简单的平坦通道微流体池和高速摄像机观察的实验设置，该实验设置可用于复杂粒子混合物的超声波分离的中试研究，并且与原油采出业中的应用有关。该模型体系是十二烷油乳剂液滴和二氧化硅胶体颗粒的水性溶液。池尺寸与300KHz谐振频率压电换能器的选择相结合，允许了表征池内声场分布的宏观观察与对粒子群集过程的附加详细微观观察相结合。最初分离过程被表征为单个粒子或液滴类型。利用十二烷乳剂液滴实验的实验为找到声场压力分布的波节赋予了一条简便的途径，并且利用单分散二氧化硅颗粒的实验使我们可以建立粒径对分离效率的影响。主要通过声辐射力来驱动7.5μm二氧化硅颗粒的分离，通过辐射和流两者来驱动1.2μm颗粒的分离，并且主要通过涡旋形成流来驱动0.5μm颗粒的分离。此外，展示了固体颗粒和乳剂液滴的混合物的分离有效性。这包括含有7.5μm和1.2μm二氧化硅颗粒、十二烷油滴或较重的全氟己烷油滴的混合物中的颗粒和液滴群共存的详细微观观察。最后，对液滴和固体颗粒的连续流体乳剂进行了概念声学分离实验的证明，该实验可用于进一步开发更复杂的基于声流体的测试平台。
因此，本公开的实施例相对于一些已知的烃采出系统提供了经济和环境优势，诸如：减少了采出水量和用于处置采出水的必要的地面设施；减少了采出管道上积累的腐蚀和积垢量；减少了要钻的废弃井的数量；以及降低了与将污染水注入地层相关联的风险。
因此，本公开中所描述的系统和方法的实施例非常适合于执行所述目标和获得所提及的目的和优点以及本公开中所描述的实施例中固有的其它实施例。虽然为了公开的目的给出了本公开的示例性实施例，但是在用于实现期望结果的过程的细节中存在许多变化。这些和其它类似的修改对于本领域技术人员而言将很容易暗示，并且旨在被包括在本公开的精神和所附权利要求的范围内。