Свойства эмульсий

Цели:

· познакомить с условиями образования эмульсий;

· изучить физико-химические свойства нефтяных эмульсий

Нефтяные эмульсии - это механическая смесь нефти и пластовой воды, нерастворимых друг в друге и находящихся в мелкодисперсном состоянии.

В нефтяных эмульсиях принято различать две фазы - внутреннюю и внешнюю. Внутренняя называется дисперсной фазой и она разобщена, а внешняя называется дисперсионной средой, представляет собой сплошную неразрывную фазу. Нефтяные эмульсии делятся на два больших класса:

· эмульсии первого рода - "нефть в воде" Н/В;

· эмульсии второго рода, когда капельки воды - дисперсная фаза равномерно или неравномерно размещены в нефти, являющейся дисперсионной средой - такие эмульсии называются "вода в нефти" В/Н.

Нефтяные эмульсии классифицируются также по концентрации дис­персной фазы в дисперсионной среде:

· разбавленные. К ним относятся системы жидкость-жидкость, где объемная доля дисперсной фазы до 0,2%;

· концентрированные, где объемная доля дисперсной фазы до 74%;

· высококонцентрированные, где объемная доля дисперсной фа­зы свыше 74%.

Размеры капелек дисперсной фазы в эмульсиях колеблются от 0,1 до 100 мкм.

Дисперсные системы, состоящие из капелек одного и того же ди­аметра, называются монодисперсными, а дисперсные системы, состоящие из капелек различного диаметра, - полидисперсными.

В нефти и пластовой воде всегда содержатся вещества в раство­ренном состоянии: асфальтены, нафтены, смолы, парафин и соли, кис­лоты. Их называют естественными эмульгаторами, или естественными ПАВ.

Нефтяные эмульсии в пластовых условиях отсутствуют. Они могут образоваться или в призабойной зоне скважин или в стволе скважины. Интенсивно образуются эмульсии при эксплуатации скважин центробеж­ными электронасосами. За пределами насосов стойкость эмульсий по­вышается в связи с падением температуры потока и выделением газа из нефти.

Особенно стойкие эмульсии образуются при прохождении нефтеводяной смеси через штуцеры.

В системе сбора стойкость эмульсии повышается за счет большой турбулизации потока и сравнительно резкого падения температуры нефти и воды при их движении по выкидным нетеплоизолированным линиям.

Основные физико-химические свойства нефтяных эмульсий:

· Дисперсность. Дисперсность эмульсии - это степень раздроблен­ности дисперсной фазы в дисперсионной среде. Основной характерис­тикой дисперсности эмульсий является удельная межфазная поверхно­сть, определяемая из отношения суммарной поверхности капелек к об­щему их объему;

· Вязкость. Вязкость эмульсий зависит от вязкости самой нефти, температуры, при которой получается эмульсия, количества воды, со­держащейся в нефти, степени дисперсности, присутствия механически: примесей и рН воды. Вязкостные свойства эмульсий обычно изучаются в ротационных вискозиметрах. У нефтяных эмульсий, как и у парафинистых нефтей, не подчиня­ющихся закону Ньютона, вязкость изменяется в зависимости от гра­диента скорости (рисунок 1). В этом случае вязкость жидкости называют кажущейся вязкостью, а саму жидкость - неньютоновской. Анализ кривых показывает, что увеличение содержания воды в нефтяной эмульсий до определенного предела приводит к увеличению кажущейся вязкости эмульсии, а следовательно, и к соответствующему увеличению энер­гетических затрат на перекачку такой эмульсии. Основной причиной аномальной вязкости эмульсии является дефор­мация и дробление крупных капель воды на более мелкие. Кроме того, рост кажущейся вязкости (левой ветви кривой на рисунке 1) связан с тем, что внешней фазой здесь является нефть, кото­рая, контактируя с холодными стенками трубы, сильно повышает свою вязкость независимо от содержания в ней волы. При содержании воды в нефти свыше 20% вязкость эмульсии резко возрастает. Максимума вязкость достигнет при критической концентра­ции воды В_кр, характерной для данного месторождения. При дальнейшем увеличении В вязкость эмульсии резко уменьшается. Критическое зна­чение коэффициента обводнения В_кр называется точкой инверсии И. В точке инверсии И происходит обращение фаз, в результате чего дисперсная фаза (вода) становится дисперсионной средой (нефть), т.е В/Н èН\В.

Рисунок 1 – Зависимость кажущейся вязкости эмульсии от содержания воды в нефти и исходной температуры смешения

Эмульсия: 1 – обратного типа В\Н; 2 – прямого типа Н\В

На промыслах, как правило, встречаются эмульсии типа нефть - вода - газ, в которых дисперсионной средой является нефть, а дис­персной фазой - вода и газ. Эффективную вязкость таких эмульсий определяем по формуле:

,

где b =0 - 0,7 – объемное газосодержание

В =0 – 0,7 – объемная обводненность нефти

· Плотность. Плотность эмульсии можно рассчитать, зная плотнос­ти нефти и воды и их процентное содержание;

· Электрические свойства. Электропроводимость нефтяной эмульсии обусловливается не только количеством содержащейся воды и степенью ее дисперсности, но и количеством растворенных в этой воде солей и кислот. В нефтяных эмульсиях, помещенных в электрическом поле, капельки воды располагаются вдоль его силовых линий, что приводит к резкому увеличению электропроводимости этих эмульсий;

· Устойчивость и старение. Устойчивость - это способность эмуль­сий в течение определенного времени не разрушаться и не разделяться на нефть и воду. Устойчивость эмульсии определяется временем ее существования и выражается формулой:

,

где Н – высота столба эмульсии, см

u - средняя линейная скорость расслоения эмульсии, см\с

На устойчивость нефтяных эмульсий большое влияние оказывают: дисперсность системы; физико-химические свойства эмульгаторов, об­разующих на поверхности раздела фаз адсорбционные защитные оболочке "брони" (рисунок 2, а); наличие на глобулах дисперсной фазы двойного электрического заряда, который защищает частицы эмульсии от слипа­ния; температура смешивающихся жидкостей - при повышении температу­ры устойчивость эмульсии понижается; величина рН эмульгированной пластовой воды - с увеличением рН, которое достигается введением щелочи, снижается механическая прочность бронированных оболочек. Утолщение брони всегда протекает во времени, поэтому эмульсия В/Н со временем становится более устойчивой, т.е. происходит ее "старение". В начальный период "старение" происходит интенсивно, затем постепенно замедляется и уже через сутки прекращается. Поэто­му свежие эмульсии разрушаются легче и быстрее.