НЕФТЯНЫЕ ЭМУЛЬСИИ И ИХ СВОЙСТВА

 

При добыче нефти почти всегда приходится иметь дело с нефтяными эмульсиями. Нефтяные эмульсии — это механическая смесь нефти и пласто­вой воды, нерастворимых друг в друге и находящихся в мелкодисперсном состоянии.

Нефтяные эмульсии бывают двух типов: вода в нефти В/Н и нефть в воде Н/В. Содержание воды в эмульсиях типа вода в нефти составляет от де­сятых долей процента до 90 % и более, эмульсии типа нефть в воде обычно содержат менее 1 %. нефти.

В нефтяных эмульсиях принято различать две фазы — внутреннюю и внешнюю. Внутренняя называется дисперсной фазой, и она разобщена (рис. 1,2), а внешняя называется дисперсионной средой (рис. 1,1), представляющей собой сплошную неразрывную фазу.

Тип эмульсии легко установить определением свойств ее дис­персионной среды.

В эмульсиях Н/В внешней фазой является вода, и поэтому они смешиваются с водой в любых соотношениях и обладают высокой электропроводностью, в то время как эмульсии В/Н смешиваются только с углеводородной жидкостью и не обладают заметной электропроводностью. Установлено, что тип образующейся эмульсии в основном зависит от соотношения объемов нефти и воды: дисперсионной средой (внешней) обыч­но стремится стать та жидкость, объем которой больше.

Рассмотрим основные физико-химические свойства нефтяных эмуль­сий.

Дисперсность эмульсии. Дисперсность эмульсии — это сте­пень раздробленности дисперсной фазы 2 в дисперсионной среде 1 (рис. 37). Дисперсность — основная характеристика эмульсии, определяющей их свойства. Размеры капелек дисперсной фазы в нефтяных эмульсиях изменяются от 0,1 до 100 мкм (Ю"⁵—10~² см). Вязкость эмульсии. Вязкость эмульсий зависит от вязкости са­мой нефти, температуры, при которой получается эмульсия, количества воды, содержащейся в нефти, степени дисперсности, присутствия механических примесей (особенно сульфида железа FeS) и рН воды. Вязкость нефтяных эмульсий не обладает аддитивным свойством, т. е. вязкость эмульсии не равна сумме вязкости нефти и воды

При содержании воды в нефти свыше 20 % вязкость эмульсии резко возрастает. Максимума вязкость достигает при критической концентрации во­ды характерной для данного месторождения. При дальнейшем увеличении концентрации воды вязкость эмульсии резко уменьшается.

Эмульсия типа Н/В транспортируется при меньших энергетических за­тратах, чем эмульсия типа В/И, поэтому при транспортировании эмульсий все­гда нужно стремиться к тому, чтобы внешней фазой была вода, а не нефть (при условии, конечно, что трубопроводы защищены от коррозии).

Электрические свойства эмульсий. Нефть и вода в чис­том виде — хорошие диэлектрики. Проводимость нефти колеблется от 10 ^-10 до 10 ^-15 (Ом-см) ^-1, а воды от 10~⁷ до 10 ^-8 (Ом-см) ^-1. Однако даже при незна­чительном содержании в воде растворенных солей или кислот электропрово­димость ее увеличивается в десятки раз. Поэтому электропроводимость неф­тяной эмульсии обусловливается не только количеством содержащейся воды и степенью ее дисперсности, но и количеством растворенных в этой воде со­лей и кислот. Экспериментально установлено, что в нефтяных эмульсиях, помещенных в электрическом поле, капельки воды располагаются вдоль его силовых линий, что приводит к резкому увеличению электропроводимости этих эмульсий. Явление это объясняется тем, что капельки воды имеют при­близительно в 40 раз большую диэлектрическую проницаемость, чем капельки нефти.

Свойство капелек воды располагаться в эмульсиях вдоль силовых ли­ний электрического поля, и послужило основной причиной использования это­го метода для разрушения нефтяных эмульсий.

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

Стойкость нефтяных эмульсий зависит от наличия в нефти особых ве­ществ — природных эмульгаторов, которые в том или ином количестве всегда находятся в нефти, а также от концентрации воды, температуры и др. К эмульгаторам относятся асфальтены, смолы, нерастворимые органические кислоты и другие вещества, а также мельчайшие механические примеси, как ил, глина.

В процессе перемешивания нефти с пластовой водой (например, в трубопроводах, насосах) вода дробится на мелкие капельки (глобулы), на поверхности которых адсорбируются частицы эмульгатора и образуют пленку (рис. 2), препятствующую слиянию капелек воды. Вязкость эмульсии. Вязкость эмульсий зависит от вязкости са­мой нефти, температуры, при которой получается эмульсия, количества воды, содержащейся в нефти, степени дисперсности, присутствия механических примесей (особенно сульфида железа FeS) и рН воды. Вязкость нефтяных эмульсий не обладает аддитивным свойством, т. е. вязкость эмульсии не равна сумме вязкости нефти и воды

При содержании воды в нефти свыше 20 % вязкость эмульсии резко возрастает. Максимума вязкость достигает при критической концентрации во­ды характерной для данного месторождения. При дальнейшем увеличении концентрации воды вязкость эмульсии резко уменьшается.

Эмульсия типа Н/В транспортируется при меньших энергетических за­тратах, чем эмульсия типа В/И, поэтому при транспортировании эмульсий все­гда нужно стремиться к тому, чтобы внешней фазой была вода, а не нефть (при условии, конечно, что трубопроводы защищены от коррозии).

Электрические свойства эмульсий. Нефть и вода в чис­том виде — хорошие диэлектрики. Проводимость нефти колеблется от 10"¹⁰ до 10"¹⁵ (Ом-см)"¹, а воды — от 10~⁷ до 10"⁸ (Ом-см)". Однако даже при незна­чительном содержании в воде растворенных солей или кислот электропрово­димость ее увеличивается в десятки раз. Поэтому электропроводимость неф­тяной эмульсии обусловливается не только количеством содержащейся воды и степенью ее дисперсности, но и количеством растворенных в этой воде со­лей и кислот. Экспериментально установлено, что в нефтяных эмульсиях, помещенных в электрическом поле, капельки воды располагаются вдоль его силовых линий, что приводит к резкому увеличению электропроводимости этих эмульсий. Явление это объясняется тем, что капельки воды имеют при­близительно в 40 раз большую диэлектрическую проницаемость, чем капельки нефти.

Свойство капелек воды располагаться в эмульсиях вдоль силовых ли­ний электрического поля, и послужило основной причиной использования это­го метода для разрушения нефтяных эмульсий.

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

Стойкость нефтяных эмульсий зависит от наличия в нефти особых ве­ществ — природных эмульгаторов, которые в том или ином количестве всегда находятся в нефти, а также от концентрации воды, температуры и др. К эмульгаторам относятся асфальтены, смолы, нерастворимые органические кислоты и другие вещества, а также мельчайшие механические примеси, как ил, глина.

В процессе перемешивания нефти с пластовой водой (например, в трубопроводах, насосах) вода дробится на мелкие капельки (глобулы), на поверхности которых адсорбируются частицы эмульгатора и образуют пленку (рис. 2), препятствующую слиянию капелек воды.

Рис. 2. Схематичное изображение пленки на поверхности глобул во­ды 1 —толщина пленки; 2 и 3 — эмульгирующие вещества; 4 — капля воды, 5 — нефть

На устойчивость нефтяных эмульсий большое влияние оказывают: дисперсность системы, физико-химические свойства эмульгаторов, образую­щих на поверхности раздела фаз адсорбционные защитные оболочки; нали­чие на глобулах дисперсной фазы двойного электрического заряда; темпера­тура смешивающихся жидкостей; величина рН эмульгированной пластовой воды.

Кратко остановимся на этих факторах.

На устойчивость эмульсий большое влияние оказывают стаби­лизирующие вещества, называемые эмульгаторами или естественными поверхностно-активными веществами (ПАВ), образующими на поверхности капель адсорбционные защитные оболочки «брони», которые препятствуют слиянию этих капель. Устойчивость нефтяных эмульсий в большой степе­ни зависит также от электрического заряда на поверхности частиц (глобул). Образующийся двойной электрический слой защищает частицы эмульсии от слипания подобно абсорбционным оболочкам. Происхождение двойного электрического заряда на границе раздела фаз можно объяснить следующим образом. В однородной фазе при равновесных условиях электрический потенциал любого компонента имеет постоянную величину во всем объеме.

Водная фаза нефтяной эмульсии — это хороший электролит диссоциирующий на положительные Н+ и отрицательные ОН ионы.

На границе раздела фаз (нефти и воды) ионы эти абсорбируются. На абсорбции ионов существенным образом сказывается физико-химические свойства адсорбента, т. е. веществ, растворенных в воде и нефти, которые называются естественными ПАВ. Ионы, способные поляризоваться, адсорбируются только на поверхностях, состоящих из полярных молекул. Капельки полярной воды, несущие определенный заряд, адсорбируют (сгущают) противоположно заряженные ионы. При этом ионы электролита, имеющие противоположный знак, не адсорбируются но под действием сил электростатического притяжения остаются вблизи адсорбционных ионов, образуя с ними на поверхности адсорбента двойной электрический слой. Частицы, имеющие на своей поверхности одинаковые заряды, взаимно от­талкиваются.

Устойчивость нефтяных эмульсий зависит от температуры. При повы­шении температуры устойчивость эмульсии понижается, так как механическая прочность адсорбционных оболочек, особенно содержащих парафин,

снижа-ется до нуля, в результате капли сливаются и эмульсия разрушается; при по­нижении же температуры таких эмульсий механическая прочность адсорбционных оболочек, повышается, что влечет за собой и соответствующее повы­шение стойкости эмульсий.

Величина рН пластовой воды также оказывает существенное влияние на стойкость нефтяных эмульсий, так как сказывается на упругих свойствах поверхностных слоев, причем степень воздействия его на различные нефти неодинакова. С увеличением рН снижаются реологические свойства поверхностных слоев на границе нефть — вода, что влечет расслоение эмульсии. Увеличение рН обычно достигается введением в эмульсию щелочи, способствующей снижению механической прочности бронированных оболочек и, как следствие, разложению эмульсии на нефть и воду.

Адсорбция диспергированных, особенно твердых, эмульгаторов на водонефтяной поверхности и утолщение межфазного бронированного слоя на этой поверхности всегда протекают во времени, поэтому эмульсия В/Н со временем становится более устойчивой, т. е. происходит ее «старение». В начальный период «старение» происходит весьма интенсивно, затем постепенно замедляется и часто уже через сутки прекращается. Поэтому свежие эмульсии разрушаются значительно легче и быстрее.

При добавлении в нефть поверхностно-активных веществ (ПАВ) — деэмульгаторов они вытесняют с поверхности раздела фаз вода — нефть эмульгаторы, капли воды укрупняются, эмульсия теряет свою стойкость и разрушается. Разрушению эмульсии, также способствуют нагревание, обра­ботка растворителями, нахождение ее в электрическом поле и др.