Эмульсии нефти с водой: свойства и способы их разрушения

        К концентрированным эмульсиям  относятся высокодисперсные системы со сравнительно большим содержанием дисперсной фазы (до 74% об.). Максимальный предел концентрации (74% об.) относится к монодисперсным эмульсиям и соответствует максимально возможному объемному содержанию недеформированных шарообразных глобул независимо от их размера. Реальные нефтяные эмульсии обычно полидисперсны, и предел 74% для них является условным, так как упаковка капель в полидисперсных эмульсиях иная, чем в монодисперсных; между большими глобулами могут помещаться мелкие, поэтому содержание дисперсной фазы может быть и большим. К высококонцентрированным или желатинированным эмульсиям относятся дисперсные системы "жидкость - жидкость" с большим содержанием дисперсной фазы (более 74% об.). Такие эмульсии имеют совершенно иные свойства, чем концентрированные.

     Глобулы их представляют деформированные шары с плотной упаковкой, они не способны к седиментации и характеризуются структурно- механическими свойствами, похожими на свойства гелей. К эмульсиям такого вида относятся, например, консистентные смазки и др.

     Вязкость. При течении водонефтяных эмульсий в турбулентном режиме различать следующие виды вязкостей: вязкость, обусловленную пульсациями давления дисперсионной среды и дисперсной фазы, и динамическую вязкость.

     Динамическая  вязкость эмульсии зависит от вязкости самой нефти; температуры, при которой  получается эмульсии; количества содержащейся воды в нефти и степени дисперсности. У нефтяных эмульсий, не подчиняющихся  закону Ньютона, вязкость изменяется в  зависимости от градиента скорости. В этом случае вязкость называют кажущейся  вязкостью. Увеличение содержания, воды в нефтяной эмульсии приводит к увеличению кажущейся вязкости эмульсии, а следовательно, и к соответствующему увеличению энергетических затрат на перекачку  эмульсии. Основной причиной аномальной вязкости, с точки зрения Ребиндера, является механизм деформации и дробления  крупных капель воды на более мелкие. Для этого необходимо затратить  определенные усилия, связанные с  вытягиванием этих капель в цилиндрики, имеющие критические размеры (длина  и радиус). Затрачиваемая при этом работа расходуется на увеличение поверхностной  энергии системы в связи с  возрастанием суммарной поверхности  цилиндриков.

     Плотность является одним из важнейших свойств эмульсий. Она зависит от плотности самой нефти и пластовой воды, образующих эмульсии; и их объемного или процентного содержания.

     Электрические свойства. 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 электрическое 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.

     Устойчивость нефтяных эмульсий является их самым важным показателем. Она определяется временем существования эмульсии. Мерой устойчивости эмульсии может служить изменение ее плотности за определенный промежуток времени в определенном слое или количество выделившейся воды при отстое.

     Вопрос  об устойчивости эмульсий заслуживает  отдельного внимания: Современная теория устойчивости эмульсий была создана, главным  образом, в работах акад. П. А. Ребиндера  и его школы. Согласно этой теории необходимым условием стабилизации эмульсий, образованных двумя жидкостями, является присутствие третьего компонента-стабилизатора (ПАВ), адсорбирующегося на их границе раздела с образованием защитных слоев, препятствующих коалесценции.

     Нефтяные  эмульсии, а именно эмульсии "вода в нефти" в ряде случаев обладают достаточной устойчивостью, даже при  высокой концентрации дисперсной фазы (воды), что возможно только в том  случае, если стабилизирующим фактором являются повышенные структурно- механические свойства поверхностных слоев на каплях эмульгированной воды. Строение поверхностных слоев на границе  раздела "нефть-вода" весьма сложно, и компоненты, входящие в их состав, отличаются большим разнообразием. Первые указания на строение и состав защитных слоев на каплях эмульгированной  воды и на их роль в устойчивости нефтяных эмульсий были сделаны крупнейшим ученым-нефтяником Л. Г. Гурвичем, указавшим  на коллоидную природу веществ, образующих защитную пленку.

     Дальнейшие  исследования ряда авторов показали, что в состав поверхностных слоев  на границе раздела нефть-вода входит ряд веществ: нафтеновые кислоты, низкомолекулярные  смолы, коллоидные частицы высокомолекулярных смол и асфальтенов, микрокристаллы парафина, а также частицы минеральных  и углистых суспензий.

     Наиболее  вероятным является предположение  об образований поверхностного слоя на границе раздела "нефть-вода" в результате скопления на этой границе  минеральных, высококонденсированных углеродистых частиц и микрокристаллов  парафина под влиянием избирательного смачивания водной фазой гидрофильных участков их поверхности. Наряду с процессом  скопления на поверхности раздела  обеих жидкостей частиц, осуществляется адсорбция асфальто-смолистых веществ, переходящих при этом в гелеобразное состояние, что приводит к цементированию частиц в единый монолитный слой. Гели асфальто- смолистых веществ сольватируются со стороны нефтяной фазы, что приводит к утолщению поверхностного слоя и к проявлению расклинивающего действия при сближении капелек воды, покрытых такими слоями.

     На  устойчивость 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.

     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 и становится термодинамически неустойчивой. Такая система будет  стремиться самопроизвольно перейти  в устойчивое состояние, уменьшая запас  свободной поверхностной энергии, что осуществляется за счет уменьшения или площади или поверхностного натяжения в результате введения в эмульсию поверхностно-активного  вещества (ПАВ).

     Устойчивость  нефтяных эмульсий в большей 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 объясняется следующим образом. В гомогенной (однородной) фазе при  равновесных условиях электрический  потенциал любого компонента имеет  постоянную величину во всем объеме. Водная фаза нефтяной эмульсии - хороший электролит, дислоцированный на положительные  и отрицательные ионы. На границе  раздела фаз "нефть-вода" эти  ионы адсорбируются. Ионы, способные  поляризоваться, адсорбируются только на поверхностях, состоящих из полярных молекул. Микроучастки поверхности  капельки полярной воды, несущие определенный заряд, адсорбируют 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.

     Влияние температуры на устойчивость нефтяных эмульсий можно объяснить следующим  образом. При повышении температуры  устойчивость эмульсии понижается, так  как механическая прочность адсорбционных  оболочек, особенно содержащих парафин  и церезин, снижается до нуля, в  результате чего капли сливаются  и эмульсия разрушается. При понижении  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 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.

     Таким образом, устойчивость эмульсий воды в  нефти связана с образованием на поверхности капель защитных слоев, механически препятствующих их агрегированию  и слиянию. Любое изменение устойчивости нефтяных эмульсий под влиянием тех  или иных факторов (температуры, времени  существования, состава водной и  нефтяной фазы, введения реагента и  др. факторов) может быть осуществлено только в тех пределах, в которых  эти факторы влияют на реологические  свойства поверхностных слоев на границе раздела "нефть-вода".

     На  основе данных из , приведены сравнительные  характеристики малоустойчивой водонефтяной эмульсии (Ромашкинское месторождение) и стойкой "застаревшей" эмульсии, образуемой на очистных сооружениях  ООО "ПО Киришинефтеоргсинтез"(табл.1.2). 

     Сравнительная характеристика эмульсий 

     Таблица 1.2

        Из таблицы 1.2 видно, что для  стойкой эмульсии по сравнению  с малоустойчивой эмульсией характерно  более высокая концентрация механических  примесей, эмульгаторов, высокое содержание  солей и воды, низкая скорость  седиментации и большее поверхностное  натяжение. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                       Разрушение водонефтяных  эмульсий 

Существуют следующие  способы разрушения нефтяных эмульсий:

     - отстаивание;

     - фильтрация;

     - центрифугирование;

     - термическое воздействие;

     - электрическое воздействие;

     - внутритрубная деэмульсация;

     - воздействие магнитного поля.

   Отстаивание применяют при высокой обводненности нефти и осуществляют путем гравитационного осаждения диспергированных капель воды. На промыслах применяют отстойники периодического и непрерывного действия разнообразных конструкций. В качестве отстойников периодического действия обычно используют сырьевые резервуары, при заполнении которых сырой нефтью происходит осаждение воды в их нижнюю часть. В отстойниках непрерывного действия отделение воды происходит при непрерывном прохождении обрабатываемой смеси через отстойник. В зависимости от конструкции и расположения распределительных устройств движение жидкости в отстойниках осуществляется в преобладающем направлении  горизонтально или вертикально.

  Фильтрацию  применяют для разрушения нестойких  эмульсий. В качестве материала фильтров используются вещества, не смачиваемые  водой, но смачиваемые нефтью. Поэтому  нефть проникает через фильтр, а вода -  нет.

  Целью использования центрифуги является повышение эффективности разделения на фазы водонефтяной эмульсии, сокращение количества аппаратов, используемых в схемах промысловой подготовки нефти и газа, т.е. снижение металлоемкости добывающей нефтяной промышленности, удаление вместе с водой присутствующих в ней механических примесей, т.е. повышение эксплуатационной надежности промысловых трубопроводов.

  В настоящее  время в промысловой подготовке добываемой водонефтяной эмульсии, чтобы отделить нужные и ценные продукты: нефть и газ от воды и друг от друга выполняются всего две операции: разгазирование и обезвоживание, но чтобы осуществить эти две операции применяются очень громоздкие схемы цепей аппаратов. Все эти схемы цепей аппаратов вместе с насосными станциями для откачки отделенных друг от друга воды и нефти занимают очень много места, все аппараты соединены между собой большим количеством трубопроводов, на которых установлено большое количество разнообразных задвижек для отключения данного аппарата из схемы в случае ремонта или аварийного выхода из строя. Все это большое количество оборудования очень сложно обслуживать.