double arrow

Природа и образование нефтяной эмульсии

Вода и нефть лиофобны,т.е. взаимно нерастворимы, при интенсивном перемешивании образуют водонефтяную дисперсную смесь – эмульсию. Для образования грубодисперсных систем достаточно простого интенсивного перемешивания. Для образования тонкодисперсных систем необходимы большие затраты энергии, расходуемые на дробление дисперсной фазы и преодоление вязкостных сил трения в дисперсионной среде.

Добываемая нефть –после отделения мехпримесей - это водонефтяная эмульсия, когда мелкие частички воды (глобулы) растворены в нефти, размер частиц воды от 0,1 до 1000 мкм (10-5 до 10-2 см).

Эмульгирование нефти и воды происходит за счет турбулизации потока нефти при ее движении по стволу скважины, в насосах, штуцерах, запорно-регулирующей аппаратуре. Дробление капли (разрыв ее) осуществляется под действием сил, возникающих вследствие скоростных пульсаций, при внезапном расширении потока

Рисунок… возникновение вихрей

Процессы дробления необходимо учитывать при выборе насосного оборудования, регулирующей арматуры, т.к.из этого вытекает важный параметр, характеризующий эмульсию – размер дисперсной фазы. Например, максимально устойчивый размер капель в эмульсии обратно пропорционален квадрату частоты вращения колеса насоса, его радиусу и прямо прополрционален зазору.

Дмах= s/r*We*(S/r/v)2

S – зазор; r – радиус; v - угловая скорость вращения колеса;

We – градиент скорости.

Замена насоса на другой с частотой вращения в 2 раза меньшей позволит в 4 раза увеличить устойчивый размер капли и улучшить условия их коалесценции.

Эмульсии стабилизируются небольшими концентрациями третьего компонента- эмульгирующим веществом. Образование и тип эмульсии зависит от соотношения нефти и воды, а также от природы стабилизатора (эмульгатора):

при содержании воды менее 50% образуется эмульсия «вода в нефти». По мере обводнения скважин (более 50%) возникает тенденция образования обратных эмульсий (Н/В). Обратные эмульсии могут быть стабилизированы солями одновалентных металлов органических кислот.

В зависимости от содержания воды нефть отличается по цвету:10% воды – по цвету не отличается от цвета чистой нефти; 15%-20% - от коричневого до желтого; более 25% - желтый цвет (кофейный). Парафиновые нефти менее склонны к образованию эмульсий, нежели нафтеновые.

Для образования капли и раздела фаз между нефтью и водой требуется энергия. В природе все энергетические системы стремятся принять состояние с самым низким уровнем свободной энергии (энтропия à 0. Например, камень падает вниз, система, находящаяся под давлением à к его снижению, горячие предметы охлаждаются до температуры окружающей среды. Энергия, затраченная на образование капли, заставляет ее принять сферическую форму как имеющую минимальную площадь и соответственно минимальную свободную энергию. Что такое свободная энергия? Молекула, находящаяся внутри жидкости, притягивается всеми окружающими молекулами, из которых состоит жидкость. Молекулы же, находящиеся на границе раздела фаз, не имеют вертикальной силы, действующей в верхнем направлении, работа этих сил затрачивается на образование поверхности. Это и есть свободная энергия.

Работа по созданию новой поверхности затрачивается на перемещение молекул изнутри жидкости, где взаимодействующие силы сбалансированы, на поверхность, где эти силы не сбалансированы (поверхность нефть – вода). Такое состояние определяют как «поверхностное натяжение». Поверхностное натяжение (свободная энергия) воды при 200С составляет 73 дин/см, у органических жидкостей в пределах 28 дин/см. Поверхностное натяжение на границе между нефтью и водой изменяется в пределах от 20 до 32 дин/см. При формировании эмульсии создается огромная межфазовая поверхность с присущей ей свободной энергией, получаемой при перемешивании жидкости в насоса, клапанах. Например, в 1 л нефти при обводненности 1% содержится 10 мл воды. При диспергировании этой воды на глобулы диаметром 0,0025 мм, их будет около 1,1 трлн. Общая их поверхность составит около 20 м2. На этой поверхности может накапливаться значительное количество стабилизатора (эмульгатора).

В нефти имеются молекулы, которые по своей природе полярны (т.е. имеют внешние электрические поля). Эти молекулы не похожи на преобладающее число других молекул: они слабо подвержены воздействию межмолекулярных сил и адсорбируются на поверхности раздела нефть-вода, т.к. вода является высокополярным веществом.

К таким веществам относятся асфальтены, смолы, высокоплавкие парафины, карбоиды, кислоты, окислы серы и азота, мех.примеси и др. Эти ПАВ называются стабилизаторами или эмульгаторами. Каждая капля воды окружена адсорбированной на поверхности глобул сольватной оболочкой эмульгаторов. Эмульгаторы создают физический барьер, который предотвращает сближение глобул воды до таких расстояний, при которых начинают действовать силы межмолекулярного взаимодействия.

Стабилизация поверхности начинается немедленно после образования капли. Процесс стабилизации называется «старением» эмульсии. По мере увеличения концентрации эмульгатора на поверхности раздела фаз между молекулами начинают действовать силы взаимного притяжения, что способствует образованию достаточно плотных и вязких пленок. Адсорбция ПАВ приводит к уменьшению свободной энергии. Количество свободной энергии может при этом уменьшиться до очень низких пределов и разрушение эмульсии становится затруднительно.

Такие эмульсионные комплексы переходят в воду, неся в своем составе нефть. Чем тоньше исходное распределение воды в нефти, тем больше суммарная поверхность комплексов и тем большее количество нефти содержитсясодержится в связанном виде в ее оболочках

Рисунок – Структура эмульсии «вода в нефти».

1 – дисперсионная среда; 2 – молекулы эмульгатора образуют сольватную оболочку; dк = 0,1-100 мкм; δ – толщина сольватной (защитной) оболочки, препятствующей слиянию воды при их самопроизвольном столкновении

Дисперсная фаза – вода, нефть – дисперсионная среда. Удельная поверхность частиц эмульгированной воды рассчитывается по формуле Sуд= 6/dk

dk – средний диаметр частиц воды, см.

2.2.2 Физико-химические свойства нефтяных эмульсий:

1 дисперсность, т.е. размер капель (dк = 10-5 – 10-2 см), различают в зависимости от диаметра капель dк :

– эмульсия мелкодисперсная dk =0,1-20 мкм;

– коллоидные системы dk < 0.1;

– среднедисперсные системы dk = 20-50 мкм;

– грубодисперсные системы dk > 50 мкм.

2 вязкость (не аддитивна) mэ =/= mн + mв;

3 плотность (зная плотность нефти и пластовой воды и их %-ное содержание плотность считают по формуле rэ=1/(0,01C/r в + 1-0,01C/rн), С –содержание воды и растворенных солей в % С= С0/(1-0,01Х),где С0 – содержание чистой воды в эмульсии,% Х – содержание растворенных солей в воде,%),

4 электрические свойства (нефть и вода в чистом виде являются хорошими диэлекриками. Проводимость нефти10-10 – 10-15 (ом*см)-1, воды 10-7 – 10-8(ом*см)-1. Однако присутствие солей в воде увеличивает электропроводимость воды в десятки раз. Экспериментально установлено, что в электрическом поле капельки воды в нефтяной эмульсии располагаются вдоль силовых линий, что приводит к резкому увеличению электропроводности эмульсий. Это объясняется тем, что диэлектрическая проницаемость воды в 40 раз больше, чем нефти (около 2).

5 устойчивость Эмульсия может существовать без внешних воздействий достаточно долго, этому способствуют ПАВ, к которым относятся сернистые соединения, нафтеновые кислоты.

Устойчивость эмульсии определяется свойствами эмульгаторов (защитные сольватные оболочки). Прочность сольватной оболочки зависит от рН водной фазы, например, прочность сольватной оболочки из асфальтенов максимальна в кислой среде и минимальна в щелочной. Значительная доля эмульгатора растворяется в бензоле и состоит на 60-70% из асфальтенов и на 10-30% из парафина.

Важным свойством лиофобных (несмачиваемых)эмульсий является их устойчивость к расслоению – т.е. время, необходимое дляполного расслоения эмульсии отстоем.

Факторы, определяющие устойчивость эмульсии

1. Размер частиц воды – чем меньше dк, тем медленнее глобула будет оседать в массе нефти и более устойчивой будет эмульсия. Это хорошо видно из формулы Стокса для определения скорости оседания частиц в спокойной жидкости при Re<1.

Wo=dk2*(gв - gн)/18*h

h- динамическая вязкость нефти, Па*с.

2. Время «жизни» эмульсии – чем «старее» эмульсия, тем ее труднее разделить, т.к. сольватная оболочка увеличивается и становится прочнее.

3. Физико-химические свойства нефти: плотность - чем больше плотность нефти, тем меньше Wo,

вязкость нефти – снижение вязкости понижает устойчивость эмульсии.

4. Температура t эмульсии – с повышением температуры устойчивость эмульсии снижается.


Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  



Сейчас читают про: