Нефть как коллоидный раствор

Коллоидные свойства нефти могут придавать парафины и асфальтены. Парафинами нефтяники называют смесь метановых углеводородов с молекулярной массой от 240 и выше. В зависимости от молекулярной массы меняется и температура плавления углеводородов. Выделенный из нефти парафин имеет температуру плавления близкую к 50º С.

Парафин в нефтях бывает в разных количествах – от долей массовых процентов до 20 % и даже больше – у нефтей месторождения Узень. Растворимость парафина в нефти зависит от содержания в нефти легких углеводородов, от температуры и давления. С дегазацией нефти, по мере ухода из нее углеводородов от этана до пентана, растворимость парафина заметно уменьшается.

Сильно влияет на растворимость парафина в нефти температура. Со снижением температуры растворимость парафина уменьшается и при достижении температуры насыщения или кристаллизации парафин выделяется из раствора в виде мельчайших частиц коллоидных размеров. Давление сравнительно слабо влияет на растворимость парафина. Снижение давления несколько улучшает растворимость парафина в нефти. С увеличением давления растворимость парафина в нефти несколько уменьшается.

Молекула высокомолекулярного парафинового углеводорода похожа на зигзагообразную нить. При температуре выше температуры насыщения нефти парафином его молекулы похожи на закрученные в клубок нити. Эти клубки нитей очень слабо взаимодействуют. Но со снижением температуры «клубок» - молекула парафина постепенно раскручивается. Удлиненные молекулы сильнее взаимодействуют друг с другом. Дальнейшее понижение температуры приводит к слипанию отдельных молекул, к образованию пространственной сетки. Нефть, содержащая такие укрупненные молекулы парафина, становится структурированной коллоидной системой. Из-за теплового движения молекул нефти структура разрушается, но тут же вновь восстанавливается. В целом, при данной температуре парафинистая нефть является структурированной системой с определенной степенью прочности структуры. Снижение температуры приводит к упрочнению структуры. Повышение температуры, наоборот, увеличивает степень разрушения структуры, уменьшает ее прочность.

Начальная пластовая температура нефтяных залежей, как правило, выше температуры кристаллизации парафина. Следовательно, парафин в нефти образует истинные растворы, пока пластовая температура не понизится, например, из-за закачки в пласт холодной воды для поддержания пластового давления.

В отличие от парафина асфальтены образуют коллоидные растворы в нефти при пластовой и даже более высокой температуре.

Как показали наблюдения с помощью электронного микроскопа, а также опыты по центрифугированию нефти, диспергированные в последней асфальтены представляют собой частицы размером от 4·10^{-6 мм и выше. Частицы асфальтенов окружены сольватными слоями, состоящими из молекул углеводородов. Сольватные слои препятствуют слипанию и укрупнению частиц асфальтенов. Следовательно, нефть представляет собой лиофильную коллоидную систему. Как и все коллоидные системы, дисперсия асфальтенов нефти не является агрегативно устойчивой. При изменении условий частицы асфальтенов могут слипаться, образуя более крупные агрегаты вплоть до полной коагуляции и выпадения в осадок. Толщина сольватного слоя вокруг частиц асфальтенов сильно зависит от состава дисперсной среды. При большом содержании в нефти смол и ароматических углеводородов толщина слоя наибольшая. При добавлении в нефть предельных углеводородов толщина сольватного слоя быстро уменьшается и при некоторой концентрации в нефти таких предельных углеводородов асфальтены коагулируют и выпадают в осадок. Этим пользуются для выделения из нефти асфальтенов с целью определения содержания их в нефти. Для высаживания асфальтенов в нефть добавляют петролейный эфир, представляющий смесь пентана и гексана. Замечено, что коагуляция асфальтенов начинается уже при добавлении в нефть петролейного эфира в количестве 1: 1.}

Частицы асфальтенов не шарообразны, их форма неправильная. У частиц имеются ребра, острые углы. На ребрах и углах сольватный слой более тонок, а местами и полностью отсутствует. Углами и ребрами частицы притягиваются друг к другу. Взаимное притяжение частиц асфальтенов приводит к возникновению пространственных сеток, т.е. к возникновению объемной структуры. Когда говорят о возникновении структуры, имеют в виду суммарный, результирующий эффект взаимодействия ребрами и углами частиц асфальтенов. Из-за теплового движения молекул дисперсионной среды частицы асфальтенов перемещаются в жидкости, но из-за своей массы, большей, чем у молекул дисперсионной среды, они значительное время находятся в положениях, когда между ними имеет место более сильное взаимодействие. Иными словами, структуры из частиц асфальтенов возникают, разрушаются и вновь возникают. В разных точках объема нефти структуры возникают, конечно, неодновременно. Но суммарный результат тот же – жидкость оказывается структурированной. Такие структуры в коллоидной химии и реологии называют коагуляционными.

Замечено, что если не происходит смещения слоев дисперсионной среды, то частицы во взаимосвязанном состоянии находятся большее время. К этому же приводит и уменьшение теплового движения молекул, например, при охлаждении системы. При этом частицы постепенно занимают преимущественно такое положение, при котором наиболее полно насыщаются силовые поля ребер и углов, свободные от сольватных слоев. При таком расположении частиц суммарная свободная энергия системы становится меньше, отчего при упомянутых условиях этот процесс будет идти самостоятельно. Перемешивание жидкости, сдвиг ее слоев, естественно, нарушает наиболее энергетически выгодное расположение частиц дисперсной фазы, что приводит к ослаблению взаимодействия их и к уменьшению прочности структуры. Подобные дисперсные системы принято называть тиксотропнообратимыми.

Таким образом, асфальтеносодержащая нефть – коагуляционная система.

Пластовая нефть содержит более или менее значительное количество растворенных попутных газов. Эти газы в основном состоят из метана и этана. Часто в попутном газе содержится много азота. Эти газы, как показали исследования, находясь в растворенном состоянии в пластовой нефти, вызывают десольватацию частиц асфальтенов. Адсорбируясь на частицах асфальтенов, этан, метан и азот уменьшают толщину сольватного слоя. Наиболее сильное влияние на этот слой оказывает азот, по силе действия за ним стоят метан и этан. В пластовой нефти в присутствии азота, метана и этана десольватированные частицы асфальтенов сильно взаимодействуют и образуют пространственные структуры, прочность которых выше, чем у той же нефти, но частично или полностью дегазированной.

В пластовых условиях будут четко проявляться тиксотропные свойства асфальтеносодержащей нефти. До начала разработки нефть в пласт неподвижна. При этом структура в нефти оказывается наиболее упорядоченной и прочной. Но и при эксплуатации залежи скорость движения нефти в наибольшей части объема пор пласта, за исключением призабойных зон скважин, очень низкая. Она измеряется микронами и десятком микронов в секунду. Изменения режима работы эксплуатционных и нагнетательных скважин будут приводить на отдельных участках пласта к значительному уменьшению и так незначительных скоростей движения нефти. Это приведет к тиксотропному упрочнению структуры.