Нефтяные эмульсии

Продукция скважин представляет собой смесь газа, нефти и воды. Вода и нефть при перемешивании образуют механическую смесь водо- нефтяную эмульсию, причем количественное соотношение воды и нефти в процессе разработки месторождения может меняться в широких пределах.

Эмульсия - это смесь дисперсных частиц, которые образуются под влиянием затраченной энергии. Большинство исследователей считает, что в пластовых условиях диспергирование газо-водо-нефтяных систем исключается. Глубинные пробы жидкости, отобранные у забоя скважины, как правило состоят из безводной нефти и воды.

Начало процесса диспергирования наступает в стволе скважины. На глубине 2000м и Р = 20 МПа 1 объемная часть нефти в состоянии растворить до 1000 объемных частей газа (раствор как бы кипит).

При подъеме нефти и понижении давления газ выделяется с такой энергией, что ее уже достаточно для диспергирования капель пластовой воды. Но наиболее устойчивые нефтяные эмульсии образуются при механическом способе, компрессорном способе добычи нефти, когда в качестве рабочего агента применяется воздух

Эмульсией называется такая система двух взаимно нерастворимых жидкостей (или не вполне растворимых), в которых одна содержится в другой во взвешенном состоянии в виде огромного количества микроскопических капель (глобул) исчисляемых триллионами на один 1 литр эмульсии.

Размер капель (глобул) прямо пропорционален количеству затраченной энергии. Т.е. чем больше этой энергии, тем меньше диаметр капель, а следовательно больше их суммарная поверхность. Увеличение суммарной поверхности капель сопровождается затратой определенной силы, которая концентрируется на границе раздела фаз и называется межфазным натяжением (поверхностным натяжением), которая в промысловых условиях проявляется в виде:

энергия расширения газа

механическая энергия

энергия обусловленная силой тяжести

Несмотря на то, что все нефти образуют эмульсии, способность их к эмульгированию далеко не одинакова.

Природные эмульгаторы - полярные компоненты, которые характеризуются высокими значениями поверхностного натяжения. Так Н₂О= 72,5 эрг/см² = 72,5·10^-3 Дж/м² (н/м) при 20 ⁰С, С₆Н₁₄= 18,4 эрг/см²

На стабильность эмульсии влияют свойства эмульгаторов

Физический смысл определяется работой, произведенной против силы молекулярного взаимодействия.

В эмульсиях принято различать две фазы - внутреннюю и внешнюю.

Жидкость, в которой размещаются мельчайшие капельки другой жидкости, называется дисперсной средой (или внешней средой, сплошной средой).

Жидкость, размещаемая в виде мелких капель в дисперсной среде,- дисперсной фазой (внутренней фазой, разобщенной фазой).

Классифицируется эмульсия по характеру дисперсной фазы и дисперсной среды как эмульсия прямого [Н/В] и обратного [B/H] типа:

прямого типа. Неполярная жидкость (нефть) находится в виде мельчайших капель в воде (полярной жидкости).

обратного типа. Полярная жидкость (вода) размещена в виде мелких глобул в нефти.

Тип эмульсии необходим при определении ее дисперсной среды. В эмульсиях [Н/В] внешней фазой является вода, поэтому эмульсии обладают высокой электропроводностью. Тип эмульсии зависит от объемов и внешней дисперсионной среды: та жидкость, объем которой больше, будет являться дисперсионной средой. Но если в одной из жидкости присутствуют эмульгаторы, фактор объема снижается. Эмульгаторы, гидрофобные, т.е. растворимые в нефти, образуют эмульсии типа В/Н. Гидрофильные эмульгаторы, растворимые в воде, образуют эмульсии типа Н/В. В промысловых условиях о содержании воды в нефти судят по цвету:

до 10% H₂O цвет безводной нефти;

15-20% Н₂О от коричневого до желтого;

> 25% Н₂О ярко желтый.

Нефти, не содержащие эмульгаторов и пластовой воды, не содержат солей и кислот.

Подобно по аналогии с молекулярной диффузией вводится понятие турбулентной диффузии.

Коэффициент турбулентной диффузии на 3-4 порядка больше коэффициента молекулярной диффузии.

Дробление капель жидкости и пузырьков газа происходит в результате действия мелкомасштабных пульсаций, которые создают на поверхности капель и пузырьков различные гидродинамические напоры. Начальной фазой дробления является деформация капель в эллипсоиды с критическим соотношением длины и диаметра их. В электрических полях причиной дробления является деформация их до критических размеров под действием электрических сил. И получение системы способствуют поляризация капель жидкости (деформация капли). Размер капель в эмульсии обратно пропорционален количеству затраченной энергии Е, уменьшению d_к и тем больше S_уд. Зависимость изменения удельной поверхности от размера частиц

S_уд = f(r) (5.1)

имеет вид гиперболы, левая часть коллоидные растворы правая эмульсии (дисперсные растворы).

(5.2)

Нефтяные эмульсии характеризуются следующими свойствами:

Дисперсность - т.е. степень раздробленности.

Дисперсность является основной характеристикой эмульсии и характеризуется тремя величинами (параметрами):

d_к - диаметр капли

1/d_к - обратная величина диаметру капли (дисперсность)

S_уд - удельная межфазная поверхность

Дисперсность измеряется в основном, седиметационным методом, основанном на использовании формулы Стокса:

(5.3)

где W_н - скорость оседания шарообразной частицы, μ_г - динамическая вязкость, φ - коэффициент сопротивления среды

При значении числа Рейнольдса от 2 до 500 коэффициент сопротивления φ представлен эмпирическим уравнением

λ = 18,5∙Re^(-0,6) (5.4)

при Re > 500, φ = 0,44

Вязкость эмульсии – не аддитивное свойство.

μ_э ≠ μ_н + μ_в (5.5)

где μ_н - абсолютная вязкость нефти, μ_в - абсолютная вязкость воды.

, (5.6)

а измеряемая вязкость μ* называется кажущейся.

d_к может быть самым разнообразным и колебаться в пределах от 0,1 до 100мк (микрон) {10^-5–10^-2 см.

Эмульсии могут быть:

монодисперсные, состоящие из d_к одинакового диаметра,

полидисперсные, микрогетерогенные системы, видны в микроскоп,

коллоидные, ультрамикрогетерогенные системы.

Для оценки вязкости используются различные эмпирические формулы:

(5.7)

(5.8)

где μ_э - вязкость эмульсии, μ - внешняя вязкость, є - отношение объема диспергированного вещества к общему объему

Плотность эмульсии - функция почти аддитивная и потому определяется относительно легко (на основании структурно молекулярной особенности молекул)

(5.9)

где g - содержание Н₂О и растворимых солей в эмульсии, %

(5.10)

где g_o - содержание чистой воды, %, X - содержание растворимых солей в воде, %

Электрические свойства эмульсии. И нефть и вода, хорошие диэлектрики, (φ - удельная электропроводность). Дана в таблицах. Электропроводность нефтяных эмульсий обусловлена не только количественным содержанием Н₂О, нефти дисперсностью и количественным содержанием кислот и солей.

Устойчивость - способность в течении некоторого времени не разрушаться и не разделятся на нефть и воду. Устойчивость определяется следующими факторами.

Дисперсностью:

мелкодисперсная r_к 0,2 - 20 мк

средне дисперсная r_к 20 - 50 мк

грубодисперсная r_к 50 – 100 мк

В нефтяных эмульсиях как правило содержаться частицы всех трех видов т.е. нефтяная эмульсия - полидисперсная система. Чем выше дисперсность, тем устойчивее эмульсия.

При образовании эмульсии, вследствии большого увеличения поверхности раздела между двумя жидкостями, система получает и большой запас свободной энергии:

(5.11)

где F - запас свободной энергии, σ - поверхностное натяжение, S - свободная энергия единицы поверхности

В силу наличия F система термодинамически неустойчива и стремится перейти в устойчивое состояние. В нефтедобывающей промышленности все действия по разрушению эмульсии направлены на уменьшение F.

На устойчивость влияют эмульгаторы, образующие на поверхности капель адсорбционные защитные оболочки, препятствующие слиянию этих капель. К эмульгаторам относятся вещества с высокой поверхностной активностью (асфальтены, смолы, нафтены, комплексы с металлами (V, Ni, Zn, Fe, Ti) и тонкодисперсные неорганические вещества (глины, песок, горные породы), механические примеси. Гидрофильные эмульгаторы (глина, мел, гипс).

Устойчивость зависит от электрических зарядов на поверхности частиц, глобул. В водной среде вокруг глобулы создается так называемый двойной защитный слой. Частицы, имеющие отрицательные заряды будут отталкиваться. Если такую эмульсию поместить в электрическое поле, то капельки Н₂О располагаются вдоль его силовых линий, это используется для разрушения нефтяных эмульсий.

Устойчивость зависит от температуры. Чем ниже t, тем устойчивее эмульсия, увеличивается броуновское движение, способствующее слипанию капель, при повышении t, уменьшается μ, уменьшается прочность адсорбционных оболочек.

Влияние рН среды: с увеличением рН снижаются реологические свойства поверхностных слоев на границе нефть-вода, что приводит к расслоению слоев добавлением в эмульсию щелочи.

Разрушение эмульсий описывается законом Стокса:

Шарообразная частица, диаметром d, V = πd³/6, плотности ρ_ч подвергается действию силы тяжести

(5.12)

где P - сила тяжести, g - ускорение свободного падения.

Этой силе противостоит сила сопротивления

(5.13)

где є - коэффициент сопротивления среды = f(Re), v_ч - линейная скорость частицы, f -поперечное сечение частицы = πd² / 4

При равномерном движении сила сопротивления равна массе частицы.

(5.14)

Для ламинарного течения при (Re = 1)

(5.15)

(5.16)

(5.17)

где V - скорость оседания шарообразной частицы, ρ_ф - вязкость среды, g = 9,81 м/сек²

Для разрушения нефтяной эмульсии необходимо:

столкновение глобул (частиц) воды,

слияние глобул в капли,

выпадение укрупнившихся капель под действием силы тяжести.

В промышленной практике применяются следующие методы разрушения эмульсий:

механические,

термические,

химические,

электрические.

К механическим методам относятся отстаивание, центрифугирование и фильтрование. Процесс отстаивания применяется для отделения основной массы воды в сырьевых резервуарах промысловых систем сбора нефти. Термический основан на применении теплоты. При нагревании эмульсии пленка эмульгатора расширяется и лопается, а капельки жидкости сливаются друг с другом. Химический - обработка деэмульгаторами - веществами, которые ослабляют структурно-механическую прочность слоев обволакивающих капли воды. Они как бы вытесняют с поверхности капелек воды эмульгаторы - естественные ПАВ, содержавшиеся в нефти и пластовых водах, (асфальтены, нафтены, смолы, парафины).

Дата добавления: 2015-07-08