Нефтяные эмульсии

 

Обезвоживание нефтей на промыслах связано с разрушением образующихся эмульсий. Эмульсия в широком понимании – это дисперсная система, состоящая из двух взаимонерастворимых или малорастворимых жидкостей, одна из которых распределена в другой в виде капель. Под нефтяными эмульсиями понимают мелкодисперсную механическую смесь нефти и воды.

Образование эмульсий может происходить в призабойной зоне, в стволе скважины, в наземном оборудовании – в результате взаимного перемешивания нефти и воды, дробления фаз и диспергирования.

Вообще эмульсии делятся на лиофильные – термодинамически устойчивые и лиофобные – термодинамически неустойчивые. К последним относятся и нефтяные эмульсии.

Жидкость, которая находится в нефтяной эмульсии в диспергированном виде, то есть в виде капель, называется дисперсной или внутренней фазой. Жидкость, в объёме которой содержатся капельки другой жидкости, называется дисперсионной средой или внешней фазой.

По полярности дисперсной фазы и дисперсионной среды нефтяные эмульсии классифицируют на два вида. Эмульсии типа нефть в воде (Н/В), в которых дисперсной фазой является неполярная жидкость – нефть, а дисперсионной средой является полярная жидкость – вода, называются эмульсиями первого рода или прямыми. Эмульсии типа вода в нефти (В/Н), то есть эмульсии неполярной жидкости в полярной, называются эмульсиями второго рода или обратными.

В прямых эмульсиях (Н/В) внешней фазой является вода, поэтому они смешиваются с водой в любых отношениях и обладают высокой электропроводностью. Обратные эмульсии (В/Н) смешиваются только с углеводородной жидкостью и не обладают заметной электропроводностью. Тип образующейся эмульсии в основном зависит от соотношения объёмов нефти и воды, дисперсионной средой обычно стремится та жидкость, объём которой больше.

Нефтяные эмульсии классифицируют также по концентрации дисперсной фазы в дисперсионной среде на три типа.

1. Разбавленные эмульсии, содержащие до 0,2% об. дисперсной фазы. Диаметр капелек дисперсной фазы составляет около 10^{-5 см}, на капельках имеются электрические заряды, вероятность столкновения капелек низкая и эти эмульсии весьма стойкие.

2. Концентрированные эмульсии, содержащие до 74% об. дисперсной фазы. Капельки в таких эмульсиях могут осаждаться (седиментировать).

3. Высококонцентрированные эмульсии, содержащие более 74% об. дисперсной фазы. Капельки дисперсной фазы не способны к седиментации.

В процессе образования эмульсий существенную роль играет не суммарная поверхность капель дисперсной фазы, а удельная поверхность дисперсной фазы S_уд:

 

 

где S – площадь поверхности капель дисперсной фазы, м²;

V – объём капель дисперсной фазы, м³;

d – диаметр капель, м;

r – радиус капель, м.

На рис. 9.1 приведена зависимость удельной поверхности дисперсной фазы от радиуса капель.

 

 

Рис. 9.1. Зависимость удельной поверхности дисперсной фазы S_УД

от радиуса капель r:

I – молекулярно-дисперсная система; II – коллоидная система;

III – микрогетерогенная система; IV – грубодисперсная система

 

Дробление капель дисперсной фазы на более мелкие, то есть увеличение удельной поверхности дисперсной фазы, сопровождается затратой определённой энергии, которая концентрируется на поверхности раздела фаз в виде свободной поверхностной энергии. Свободная поверхностная энергия единицы площади на границе жидкость-жидкость называется поверхностным, или межфазным натяжением σ; (Н/м).

При любом способе выражения величина σ; определяется работой, произведённой против силы молекулярного взаимодействия. Поэтому жидкости с более интенсивным полем молекулярных сил, то есть более полярные, характеризуются высокими значениями σ;. Так, для сильно полярной воды σ = 72,5∙10^-3 Н/м при 20^оС, для слабо полярного гексана σ = 18,4∙10^-3 Н/м.

Поверхностное натяжение уменьшается с ростом температуры вследствие ослабления сил молекулярного притяжения, обусловленного увеличением среднего расстояния между молекулами. Чем больше взаиморастворимы жидкости, тем меньше поверхностное натяжение.

Дисперсные системы, состоящие из капелек одного и того же диаметра, называются монодисперсными, а дисперсные системы, состоящие из капель различного диаметра – полидисперсными. Нефтяные эмульсии относятся, как правило, к полидисперсным системам. Если капельки дисперсной фазы не видны в микроскоп, то такие системы называются ультрамикрогетерогенными (системы I и II на рис. 9.1), если капельки видны в микроскоп – это микрогетерогенные системы.

В нефтяных эмульсиях размеры капелек могут быть в пределах от 0,1 до 300 мкм (от 10^-7 до 3∙10^{-4 м). В зависимости от диаметра капель различают три вида эмульсий.}

1. Мелкодисперсные эмульсии, в которых диаметр капель не более 20 мкм.

2. Среднедисперсные эмульсии, имеющие диаметр капель в пределах 20…50 мкм.

3. Грубодисперсные эмульсии, имеющие диаметр капель более 50 мкм.