Эмульсии нефти с водой: свойства и способы их разрушения

Министерство  образования Республики Беларусь

УО “ Полоцкий государственный  университет “ 
 

      Кафедра  ТТиГ 
 
 

                                          Реферат

    На тему: «Эмульсии нефти с водой: свойства и способы их разрушения» 
 
 
 
 

         Выполнил:                                                                                   Тарасевич М.Э. 

                                                                                                              студент гр. 08-ТНГ 

        Проверил:                      Липский В.К. 
 
 
 

Новополоцк  2011

Содержание

1. Введение………………………………………………………………..2

2. Понятие об эмульсии ………………………………………………….3

3. Физико-химические свойства нефтяных эмульсий …………………6

4. Разрушение водонефтяных эмульсий………………………………..13 

5. Заключение…………………………………………………………….20 

6. Список литературы……………………………………………………21 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

     Обводнение продуктивных пластов нефтяных месторождений вызывает серьезные осложнения при добыче, сборе и подготовке нефти, связанные с образованием водонефтяных эмульсий.          Образование стойких эмульсий снижает показатели безотказности работы насосных установок из-за увеличения количества обрывов штанг ШГНУ, пробоев электрической части УЭЦН вследствие перегрузок погружного электродвигателя. Рост давления жидкости в системах сбора нефти и газа влечет за собой порывы коллекторов. Затрудняются сепарация газа и предварительный сброс воды. Однако наибольший рост энерго- и металлоемкости, связанный с необходимостью разрушения стойких эмульсий, имеет место в системах подготовки нефти. Эмульсия – это гетерогенная    система,состоящая из двух несмешивающихся или мало смешивающихся жидкостей, одна из которых диспергированна в другой  в виде мелких капелек (глобул) диаметром, превышающим 0.1 мкм. При образовании эмульсий образуется огромная поверхность дисперсной фазы. На такой огромной межфазной поверхности может адсорбироваться большое количество стабилизирующих эмульсию веществ - эмульгаторов.  Основными     эмульгаторами   и   стабилизаторами        эмульсий      являются высокомолекулярные соединения нефти (асфальтены, смолы и высокоплавкие парафины) и высокодиспергированные твердые минеральные частицы.           Считают, что устойчивость образующихся эмульсий зависит не сколько от концентрации эмульгаторов (асфальтенов, смол и др.) в нефти, сколько от их степени дисперсности, которое в свою очередь определяется содержанием в нефти парафиновых и ароматических углеводородов.  Эмульсии со временем разрушаются. В некоторых случаях возникает необходимость ускорить разрушение эмульсий, например, разрушение эмульсии в сырой нефти. Ускорить процесс разрушения можно всеми путями, ведущими к уменьшению прочности защитной пленки эмульгатора и увеличению возможности соприкосновения частиц друг с другом. 
 
 

Понятие об эмульсии 

     Эмульсией в широком понимании обычно называют дисперсную систему, состоящей из двух взаимонерастворимых или малорастворимых жидкостей, одна из которых распределена в другой в виде мелких капель. В эмульсиях принято различать две фазы — внутреннюю и внешнюю. Внешнюю фазу — жидкость, в которой размещаются мельчайшие капли другой жидкости, называют дисперсионной, внешней или сплошной средой. Внутреннюю фазу — жидкость, находящуюся в виде мелких капель в дисперсионной среде, принято называть дисперсной, разобщенной или внутренней фазой.

     Встречающиеся в нефтяной практике нефтяные дисперсные системы (НДС) по дисперсности можно  разделить на высоко- и грубодисперсные. К высокодисперсным, коллоидно-дисперсным в традиционном понимании, относятся  нефтяные системы, содержащие частицы  с размерами от нескольких нанометров до долей микрона, удельная межфазная  поверхность которых может составлять десятки, сотни, а иногда и тысячи квадратных метров на один грамм дисперсной фазы. Частицы грубодисперсных НДС  имеют размеры от микрона и  более, удельная поверхность таких  НДС менее 1 м^г/г.

     Известна  более подробная классификация  дисперсных систем по размерам дисперсной фазы. Согласно ей, различают ультрамик- рогетерогенные НДС с размерами  частиц в пределах 1—100 им; микрогетерогенные НДС, размеры частиц в которых составляют от 100 до 10000 нм и грубодисперсные НДС, размеры частиц которых превышают 10 000 им.

     При добыче и переработке нефть дважды смешивается с водой, образуя  эмульсии: при выходе с большой  скоростью из скважины вместе с сопутствующей  ей пластовой водой и в процессе обессоливания, т.е. промывки пресной  водой для удаления хлористых  солей.

     В результате эффективного разрушения образующихся нефтяных эмульсий улучшаются свойства нефти и нефтепродуктов, и увеличивается  срок службы нефтеперерабатывающих  установок. Содержащаяся в нефти  пластовая вода с растворенными  в ней солями является ненужной примесью и вызывает сильную коррозию оборудования первичной переработки, а также  ухудшает качество сырья для каталитических процессов, остаточных котельных топлив.

     Образование эмульсий происходит не в пластовых  условиях, а в призабойной зоне или в скважине. В фонтанных  скважинах их образование стойких эмульсий происходит за счет сильного перемешивания жидкости вследствие снижения давления и интенсивного выделения газа из нефти. Причины появления эмульсий в компрессорных скважинах те же, что и в фонтанных скважинах, однако эмульсии, образующиеся при применении газлифта и особенно эрлифта, обладают крайне высокой стойкостью, что объясняется наличием в эмульсиях нафтеновых кислот, которые являются эффективными эмульгаторами.

     На  эмульгирование нефти существенное влияние оказывает парафин, который  отлагается на стенках труб, уменьшает  сечение их, в результате чего возрастают скорости потока, усиливающие диспергирование  воды в нефти. Однако при дальнейшем движении эмульсии по трубопроводам  промысловых систем сбора скорость потока резко падает и возникают  объективные условия для существования  в нем более крупных капель, размеры которых определяются критическими диаметрами глобул, возможных при  данной скорости потока. Это предопределяет неустойчивость системы в целом  и выражается в ее стремлении к  разрушению эмульсии.

     Этим  тенденциям противостоят другие процессы, связанные с уменьшением поверхностного натяжения в результате адсорбционных  процессов и упрочнения бронирующих оболочек капель из асфальто-смолистых и других компонентов нефти.

     Упрочнение  бронирующих оболочек в процессе движения водонефтяных эмульсии по промысловым  коммуникациям в теории и практике разрушения эмульсий получило название "старение". Эффект постоянного  дробления капель в турбулентном потоке при совместном движении нефти  и воды связан с тем, что скорость жидкости в трубопроводах, изменяясь  от зоны к зоне, у различных точек  капель будет также различной.

     Из-за неравномерности пульсаций в  турбулентном потоке возникают зоны, в которых возможно существование  капель воды различных критических  диаметров. Попадая в зону повышенных скоростей, где существуют капли  определенного критического размера, крупные капли испытывают тенденцию  к дроблению. Выходя в зоны более  низких скоростей и меньших масштабов  пульсаций, они будут объективно испытывать тенденцию к слиянию, что обуславливает возникновение  в потоке целого спектра диаметров  капелек воды и объясняет причины  поступления в отстойную аппаратуру явно неоднородной эмульсии.

     Однако  при дроблении крупных капель воды на более мелкие в процессе образования эмульсий существенную роль играет не суммарная поверхность  капель, а удельная поверхность капель дисперсной фазы.

     При образовании эмульсии увеличивается  поверхность дисперсной фазы, поэтому  для осуществления процесса эмульгирования должна быть затрачена определенная работа, которая концентрируется  на поверхности раздела фаз в  виде свободной поверхностной энергии (поверхностного (межфазного) натяжения. Свободная энергия капель дисперсной фазы способствует их слиянию (коапесценции), но помехой этому в устойчивых эмульсиях являются стабилизаторы  эмульсии. Эмульсии образуются в результате двух конкурирующих процессов: дробления  и коапесценции (укрупнения) капель дисперсной фазы.

     В зависимости от соотношения скоростей  этих процессов эмульсия может становиться  все более мелкодисперсной, либо будет укрупняться. При равенстве  скоростей дробления и коапесценции капель эмульсия может находиться в  состоянии динамического равновесия.

     Существуют  требования, которые предъявляются  к товарной нефти; поступающей на переработку. В связи с этим утвержден  ГОСТ Р 51858-2002

     (табл. 1.1).

     Таблица 1.1

 
 

                     Физико-химические  свойства нефтяных  эмульсий. 

       К основным физико-химическим свойствам нефтяных эмульсий относят дисперсность, вязкость, плотность, электрические свойства, устойчивость.

     Дисперсность является основной характеристикой эмульсий, так же как и других дисперсных систем (коллоидных растворов, суспензий). Она показывает степень раздробленности дисперсной фазы в дисперсионной среде и характеризуется тремя величинами: диаметром капель d, дисперсностью D=1/d и удельной межфазной поверхностью S_уд.

     Дисперсные  системы очень редко состоят  из частиц одного размера. Такие монодисперсные системы можно приготовить только искусственно. Большинство же эмульсий, суспензий, пен, коллоидных растворов, встречающихся в практике, являются полидисперсными системами.

     В промышленной практике дисперсность нефтяных эмульсий изменяется в широких пределах и зависит от условий их получения.

     Дисперсность  можно определять различными методами. Наиболее простой и надежный - седиментационный метод, основанный на зависимости скорости оседания частиц от их величины.

     Скорость  седиментации монодисперсной эмульсии можно определить, наблюдая за оседанием  одной из капелек в микроскоп. При отстаивании полидисперсной системы, какой обычно является нефтяная эмульсия, граница воды оказывается  размытой, так как частицы, имеющие  разные диаметры, проходят за одно и  то же время различные пути. Поэтому  седиментационный анализ полидисперсных эмульсий сводится к определению  скорости накопления высоты столба воды.

     По  дифференциальным кривым распределения  Гаусса можно судить как об эффективности  воздействия того или иного деэмульгатора  на нефтяную эмульсию, так и о  конструктивных особенностях отстойных  аппаратов (рис. 1.1).

     На  оси ординат рис. 1.1 откладывают  функцию распределения ∆m/∆r, т. е. изменение массы капель воды от их радиуса, а по оси абсцисс нанесены значения эквивалентных радиусов.

                            

     рис. 1.1 Типичные кривые распределения капель воды в эмульсии (кривые распределения  Гаусса): 1- эмульсия, приближающаяся к  монодисперсной; 2 - полидисперсная эмульсия; 3 - эмульсия, содержащая преимущественно мелкие частицы (максимум сдвинут влево).

     Анализируя  кривые, можно видеть, что чем  меньше интервал радиусов кривой распределения  и выше ее максимум, тем нефтяная эмульсия ближе к монодисперсной (кривая 1). При более растянутой кривой и меньшем максимуме дисперсная фаза эмульсии более полидисперсна (кривые 2 и 3).

     Основными параметрами, определяющими степень  дисперсности эмульсии или размер капелек  воды в нефти, является скорость потока, величина поверхностного натяжения  на границе раздела фаз, частота  и амплитуда пульсаций. От этих параметров зависят критические размеры  капель, которые могут существовать в потоке при данном термодинамическом  режиме.

     По  концентрации дисперсной фазы все эмульсии делят на разбавленные, концентрированные и высококонцентрированные. Под разбавленными понимают высокодисперсные эмульсии, содержащие до 0,1% об. дисперсной фазы; диаметр глобул в таких эмульсиях около 10' см. Разбавленные эмульсии агрегативно устойчивы даже без введения эмульгаторов. Классическим примером разбавленной эмульсии может быть эмульсия машинного масла в воде, образующаяся при конденсации пара в процессе работы паровой машины.