Физико-химические свойства нефтяных эмульсий

Основные физико-химические свойства нефтяных эмульсий следующие: 1) дисперсность; 2) вязкость; 3) плотность; 4) электри­ческие свойства; 5) устойчивость (стабильность).

1. Дисперсность эмульсии. Дисперсность эмульсии - это сте­пень раздробленности дисперсной фазы в дисперсион­ной среде.

Дисперсность, определяющая свойства эмульсии, характери­зуется тремя величинами:

1)диаметром капелек d;

2) обратной величиной диаметра капельки D = 1/d, называемой обычно дис­персностью;

3) удельной межфазной поверхностью, т. е. отноше­нием суммарной поверхности капелек к общему их объему. Все эти величины взаимосвязаны и выражаются общей формулой S_уд = 6/d = 3/r.

Видно, что удельная поверхность обратно пропорциональна размерам частиц и чем меньше эти частицы, тем больше удельная поверхность.

Дисперсность эмульсий можно определять различными мето­дами. Наиболее простой и надежный - седиментационный ме­тод, основанный на зависимости скорости оседания частиц от их величины. Седиментационный метод определения дисперсности эмульсий использует формулы Стокса.

Основными параметрами, определяющими степень дисперсно­сти эмульсии или размер капелек воды в нефти, являются скорость потока, величина поверхностного натяжения на границе раздела фаз, а также частота и амплитуда пульсаций (масштаб пульсаций).

Исключительно быстро растет степень дисперсности эмульсии после штуцера, который устанавливают обычно перед сепарато­ром.

2. Вязкость эмульсий. При течении водонефтяных эмульсий в турбулентном режиме принято различать и учитывать две вязкости:

1) вязкость, обусловленную пульсациями давления диспер­сионной среды (нефти) и дисперсной фазы (воды);

2) динамиче­скую вязкость.

Динамическая вязкость эмульсии зависит от следующих основ­ных факторов:

1) вязкости самой нефти;

2) температуры, при кото­рой получается эмульсия;

3) количества содержащейся воды в нефти;

4) степени дисперсности или диаметра капель дисперсной фазы в дисперсионной среде (для эмульсии типа В/М).

У нефтяных эмуль­сий, как и у парафинистыхнефтей, не под­чиняющихся закону Ньютона, вязкость m_э изменяется в зависимости от градиента скорости. В этом случае вязкость m^*называют кажущейся вязкостью. Анализ кривых показывает, что кажущаяся вязкость нефтяных эмульсий в значительной мере зависит от содержания воды в нефти. Увели­чение содержания воды в нефтяной эмульсии до определенного предела приводит к увеличению кажущейся вязкости эмульсии, а следовательно, и к соответствующему увеличению энергетических затрат на перекачку такой эмульсии. Это обстоятельство всегда нужно учитывать при проектировании систем нефтегазоводосбора и дожимных насосных станций.

Основной причиной аномальной вязкости эмульсии, с точки зрения акад. П. А. Ребиндера, является механизм деформации и дробления крупных капель воды на более мелкие. Для дробления крупных капель на более мелкие необходимо за­тратить определенные усилия, связанные с вытягиванием этих капель в цилиндрики, имеющие критические параметры:

L > 2 pr, (5)

где L и r - длина и радиус цилиндрика.

Затрачиваемая при этом работа расходуется на увеличение поверхностной энергии системы в связи с возрастанием суммарной поверхности цилиндриков.

Кроме того, рост кажущейся вязкости левой ветви свя­зан с тем, что внешней фазой здесь является нефть, которая, кон­тактируя с холодными стенками трубы, сильно повышает свою вязкость независимо от содержания в ней воды.

Изучением вязкости дисперсных систем, и в частности эмуль­сий, занимались многие исследователи, которые предложили не­сколько уравнений для расчета вязкости систем с различным содер­жанием диспергированного вещества.

Данная формула справедлива только при низких концентра­циях диспергированного вещества (воды).

При выводе этой формулы предполагалось, что диспергирован­ные частицы имеют вид упругих шариков, диаметр которых мал по сравнению с расстоянием между ними.

Инверсия нефтяных эмульсий происходит обычно при введении в эмульсию в процессе ее транспортирования поверхностно-ак­тивных веществ (ПАВ), являющихся стабилизаторами эмульсий противоположного типа.

Однако инверсия нефтяных эмульсий может происходить и без введения в них ПАВ, а только вследствие увеличения процентного содержания воды в эмульсии.

Обращение фаз нефтяных эмульсий имеет исключительно боль­шое практическое значение. Эмульсия типа М/В, имеющая внеш­ней фазой воду, транспортируется при меньших энергетических затратах, чем эмульсия типа В/M, имеющая внешней фазой нефть.

Вот почему при транспортировании эмульсий всегда нужно стре­миться к тому, чтобы внешней фазой являлась вода, а не нефть (при условии, конечно, что трубопроводы защищены от коррозии).

Критическое значение коэффициента обводненности для нефтей разных месторождений может колебаться в пределах от 0,5 до 0,9, но в большинстве случаев оно равно 0,71. Такое разнообразие значений объясняется различием физико-химических свойств компонентов эмульсии и в первую очередь концентрацией водной фазы и присутствием в этой эмульсии различных эмульгаторов.

3. Плотность эмульсий. Плотность эмульсии определяют, зная плотность нефти и пластовой воды, образующих эмульсию, и их объемное или процентное содержание.

4. Электрические свойства эмульсии. Нефть и вода в чистом виде - хорошие диэлектрики. Проводимость нефти колеблется от 10^-10 до 10^-15 (Ом×см) ^-1, а воды - от 10^-7до 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.

5. 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.

Устойчивость эмульсии определяется временем ее существова­ния и выражается очень простой формулой t = H/v, где Н - высота столба эмульсии, см; v - средняя линейная скорость рас­слоения эмульсии, см/с.

Агрегативная устойчивость эмульсий

Это способность глобул дисперсной фазы при их столкновении друг с другом или границей раздела фаз сохранять свой первоначальный размер. В этой связи следует различать два процесса: коалесценцию и флокуляцию.

Флокуляция – слипание глобул при столкновении с образованием агрегатов из двух и более глобул.

Коалесценция – процесс слияния (укрупнения) глобул при столкновении друг с другом или границей раздела фаз.

Сущность нового подхода к процессу предварительной подготовки эмульсии к расслоению и заключается в максимальном снижении её агрегативной и кинетической устойчивости ещё на подходах к отстойникам.

Мерой устойчивости эмульсии может слу­жить изменение ее плотности за определенный промежуток вре­мени в определенном слое или количество выделившейся воды при отстое.

На устойчивость нефтяных эмульсий большое влияние оказы­вают:

1) дисперсность системы;

2) физико-химические свойства эмульгаторов, образующих на поверхности раздела фаз адсорб­ционные защитные оболочки;

3) наличие на глобулах дисперсной фазы двойного электрического заряда;

4) температура смешиваю­щихся жидкостей;

5) величина рН эмульгированной пластовой воды.

Кратко остановимся на этих факторах.

1. По дисперсности нефтяные эмульсии подразделяются на: мелкодисперсные с размером капель воды от 0,2 до 20 мк; средней дисперсности, с водяными капельками размером от 20 до 50 мк; грубодисперсные - с каплями воды размером от 50 до 300 мк. В нефтяных эмульсиях практически содержатся водяные капли, соответствующие всем трем видам. Такие эмульсии называются полидисперсными.

Чем выше дисперсность эмульсии, тем она устойчивее при всех прочих равных условиях. Однако вследствие огромного увеличе­ния поверхности раздела между двумя жидкостями система, полу­ченная диспергированием, приобретает большой запас свободной поверхностной энергии А и ста­новится термодинамически неустойчивой:

A = s·S,

где s - свободная энергия единицы поверхности;

S - суммар­ная площадь поверхности раздела.

Такая система будет стремиться самопроизвольно перейти в устойчивое состояние, уменьшая запас свободной поверхностной энергии А, что, в свою очередь, может осуществляться двояко: за счет уменьшения или площади S или поверхностного натяже­нияs в результате введения в эмульсию ПАВ.

2. На устойчивость эмульсий большое влияние оказывают ста­билизирующие вещества, называемые эмульгаторами, образующие на поверхности капель адсорбционные защитные оболочки («брони»), которые препятствуют слиянию этих капель.

3. 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 адсорбционным оболочкам. Происхождение двойного электрического заряда на границе раз­дела фаз можно объяснить следующим образом. В гомогенной (однородной) фазе при равновесных условиях электрический потенциал любого компонента имеет постоянную величину во всем объеме.

Водная фаза нефтяной эмульсии - это хороший электролит, диссоциированный на положительные Н⁺ и отрицательные ОН^- ионы.

На границе раздела фаз (нефти и воды) ионы эти адсорбируются. На адсорбции ионов существенным образом сказывается природа адсорбента, т. е. веществ, растворенных в воде и нефти, которые называются естественными ПАВ. Ионы, способные поляризоваться, адсорбируются только на поверхностях, состоящих из полярных молекул. Микро-участки поверхности 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.

4. Устойчивость нефтяных эмульсий зависит от температуры: при повышении температуры устойчивость эмульсии понижается, так как механическая прочность адсорбционных оболочек, осо­бенно содержащих парафин и церезин, снижается 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.

5. 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 вели­чины 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 протекает во времени, поэтому эмульсия В/M 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. Следует отметить, что свежие эмульсии разрушаются значительно легче и быстрее.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: