Лекция 4.

Водонефтяные эмульсии. Условия образования, тип эмульсий. Инверсия эмульсий. Свойства нефтяных эмульсий: дисперсность, вязкость, плотность, электрические свойства.

Под нефтяными эмульсиями  понимают механическую смесь нефти и пластовой воды, нерастворимых друг в друге и находящихся в мелкодисперсном состоянии.

В пласте и на забое скважины эмульсии, как правило, не образуются. Они образуются в стволе скважины, при этом на  интенсивность образования эмульсий влияет способ эксплуатации  скважин.

Нефтяная эмульсия образуется под влиянием энергии, проявляющейся в  виде:

*                     механической энергии;

*                     энергии расширения газа

*                     энергии, обусловленной силой тяжести.

            В эмульсиях различают две фазы: внутреннюю и внешнюю. Жидкость, в которой размещаются мельчайшие капли другой жидкости называется   дисперсионной средой (внешней, сплошной фазой), а жидкость, размещенную в виде мелких капель в дисперсионной среде - дисперсной фазой ( внутренней, разобщенной фазой).

            По характеру дисперсной фазы и дисперсионной среды различают эмульсии двух типов:

 I - прямого типа (нефть в воде), их  обозначают Н/В

II - обратного типа (вода в нефти), их  обозначают В/Н

            В промысловых условиях  о  количестве воды, содержащейся в эмульсиях, судят обычно по их цвету:

·         эмульсии, содержащие до 10 % воды, по цвету не отличаются от нефти;

·          от 15 до 20 % воды - изменяют цвет от коричневого до желтого;

·          более 25 % воды -  желтые.

            Самым важным показателем  нефтяных эмульсий  является их устойчивость, т.е. способность не разрушаться (не разделяться на нефть и воду)  в течение длительного времени.

            Размеры  капелек  эмульсии могут изменяться в пределах от 0,1 до 100 мкм;  эмульсии можно подразделить на:

·         мелкодисперсные - с размером капелек  до 20 мкм,

·         среднедисперсные (от 20 до 50 мкм),

·         грубодисперсные (от 50 до 100 мкм).

Нефтяные эмульсии являются полидисперсными, т.е. содержат капельки всех размеров.

            На  устойчивость системы большое влияние оказывают эмульгаторы, которые образуют на поверхности капель адсорбционные защитные оболочки (бронь), препятствующие слиянию этих капель. Асфальтены, нафтены, смолы, парафин, металлы (ванадий, никель, цинк, железо); а также тонкодисперсные глина, песок и  другие горные породы, содержащиеся в нефти и пластовой воде,  принимают участие в образовании адсорбционного слоя.

            Адсорбция эмульгаторов на водонефтяной поверхности и утолщение брони происходит во времени, поэтому эмульсия типа В/Н со временем становится более устойчивой, т.е. происходит ее «старение». Причем старение нефтяных эмульсий в начальный период происходит интенсивно, затем этот процесс замедляется  и примерно через сутки прекращается. Свежие эмульсии разрушаются значительно легче, чем подвергшиеся старению.

Нефтяные эмульсии характеризуются следующими свойствами: дисперсность, вязкость, плотность, и электрические свойства.

             Дисперсность эмульсий  - это степень раздробленности дисперсной фазы в дисперсионной среде. Дисперсность эмульсий во многом определяет другие свойства эмульсий.

Дисперсность эмульсий обычно характеризуется тремя величинами:

1)      диаметром капелек d

2)      коэффициентом дисперсности D =1/d

3)      удельной поверхностью S_уд (отношение суммарной поверхности частиц к их общему объему).

            Удельная поверхность всякой дисперсной системы  S_уд  равна суммарной поверхности этой системы S, деленной на суммарный объем этой системы V. Удельную поверхность эмульсий, содержащих в дисперсной фазе сферические частицы диаметром d можно определить по формуле:

                                                                                         (4.1)            

т.е. удельная поверхность обратно пропорциональна размеру частиц.

Вязкость эмульсий нельзя представить как суммарную вязкость нефти и воды, т.е.  

  m _э ¹ m_н + m_в ,

она зависит от вязкости нефти, температуры образования эмульсии, количества воды, диаметра капель дисперсной фазы в дисперсионной среде.

            Вязкость нефтяных эмульсий, как и вязкость парафинистых нефтей не подчиняется закону Ньютона, а изменяется в зависимости от градиента скорости dw/dх и называется  кажущейся вязкостью m^*.                                        

             Увеличение  содержания воды в нефтяной эмульсии   приводит к увеличению кажущейся вязкости до точки инверсии  т.е. превращения одного типа эмульсии в другой.

            Эйнштейн предложил формулу для определения вязкости эмульсий:

                                    h₀  =  h (1 + 2,5 j ) ,                                             

где h_{0  -} вязкость дисперсной системы ; h - вязкость дисперсионной среды;  j - отношение объема диспергированного вещества  к общему объему системы (для эмульсий типа В/Н это процент обводненности).

            На практике вязкость нефтяной эмульсии можно определить при помощи вискозиметра.

            Плотность эмульсий.  Плотность эмульсий определяется методами, принятыми для жидкостей, с учетом процентного содержания воды в нефти по их известным плотностям  по следующей формуле:

                                                                              (4.2)

где r_э,  r_н, r_в - плотность эмульсии, нефти и воды соответственно;

       Электрические свойства эмульсий.  Нефть и вода в чистом виде являются диэлектриками. Однако даже при незначительном содержании в воде растворенных солей или кислот, ее электропроводность увеличивается  многократно. Поэтому электропроводность нефтяной эмульсии обуславливается количеством воды, степенью дисперсности, количеством солей и кислот. Экспериментально установлено, что в нефтяных эмульсиях, помещенных  в силовое поле, капли воды располагаются вдоль силовых линий, что приводит к резкому увеличению электропроводности. Данное свойство и  послужило причиной использования электрического поля для разрушения эмульсий.

            Коагуляция - это укрупнение  диспергированных частиц, вызываемое их слипанием под действием  молекулярных сил сцепления при броуновском движении, когда происходит их сближение на расстояние сферы действия сил сцепления. Противодействуют же этому сближению  электростатические силы отталкивания частиц.

            Коагуляция (слипание)  частиц может быть вызвано также изменением состава дисперсионной среды, повышением температуры, добавкой  деэмульгаторов.

            Коалесценция -  слияние в единое целое капелек воды или нефти  является наиболее глубокой стадией  коагуляции частиц с полным исчезновением поверхности соприкосновения, происходит уменьшение общей поверхностной энергии за счет уменьшения общей поверхности S. Коалесценция ведет к разрушению дисперсной системы, т.е. к разрушению эмульсии.

            Инверсия -  это обращение фаз (превращение одного типа эмульсии в другой), которое происходит обычно при введении в эмульсию поверхностно - активного вещества, являющегося стабилизатором эмульсии другого типа, или вследствие изменения  процентного содержания воды в эмульсии.  Дисперсная фаза становится дисперсионной средой, а дисперсионная среда - дисперсной фазой.

            Инверсия имеет важное практическое значение, так как эмульсии типа Н/В где внешней фазой является вода, имеют меньшую вязкость и для перекачки требуют меньше энергетических затрат, чем эмульсии типа В/Н. Эмульсии типа Н/В встречаются в основном при переработке нефти и при добыче сильно обводненной продукции. Такие эмульсии  хорошо смешиваются с водой в любых соотношениях и могут сильно загрязнять водоемы.

            Методы разрушения для эмульсий разных типов совершенно различны. Разрушение эмульсий типа Н\В достигается в основном добавкой кислот и  применением фильтров, для эмульсий же типа В\Н применяются в основном термохимические методы, а также их разложение в электрическом и магнитных полях.

 

Осн: 1[35-44].

Доп: 2[92-102].

 

Контрольные вопросы:

1.      Что такое нефтяная эмульсия?

2.      Какие факторы влияют на  образование нефтяных эмульсий?

3.      Перечислите типы нефтяных эмульсий.

4.      Что такое дисперсность эмульсии?

5.      Что такое инверсия эмульсии?