ПНГ. Вода в нефти появляется в результате поступления к скважине пластовой воды или воды, закачиваемой в пласт с целью поддержания давления
 Скачать 23.57 Kb.
|
|
Вода в нефти появляется в результате поступления к скважине пластовой воды или воды, закачиваемой в пласт с целью поддержания давления. При движении нефти и пластовой воды по стволу скважины и нефтесборным трубопроводам происходит их взаимное перемешивание и дробление. Процесс дробления одной жидкости в другой называют диспергированием. В результате диспергирования одной жидкости в другой образуются эмульсии. Эмульсии представляют собой дисперсные системы двух жидкостей, не растворимых или малорастворимых друг в друге, находящихся во взвешенном состоянии в виде мелких капель (глобул). Жидкость, в которой распределены глобулы, называются дисперсной средой, а вторая жидкость, распределенная в дисперсной среде, - дисперсной фазой. 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. Энергия, затраченная на образование единицы межфазной поверхности, называется поверхностным (межфазным) натяжением. Глобулы дисперсной фазы имеют сферическую форму, т.к. такая форма имеет наименьшую поверхность и наименьшую свободную энергию для данного объема. Форму шара можно исказить лишь сила тяжести или сила электрического поля. Для образования эмульсии недостаточно только перемешивания двух несмешивающихся жидкостей. Если взять чистую воду и чистую нефть, то сколько бы мы их ни перемешивали, эмульсия не образуется. Чтобы она образовалась, необходимо наличие в нефти особых веществ — природных эмульгаторов. Такие природные эмульгаторы в том или ином количестве всегда содержатся в пластовой нефти. К нам относятся асфальтены, смолы, нефтерастворимые органические кислоты и другие мельчайшие механические примеси, как ил и глина. В процессе перемешивания нефти с пластовой водой и образования мелких капелек воды частицы эмульгирующего вещества на поверхности этих капелек (или, как обычно принято говорить, на поверхности раздела фаз) образуют пленку (оболочку), препятствующую слиянию капелек Нефтяные эмульсии делятся на два больших класса: 1) эмульсии первого рода или прямые, когда капельки нефти, являющиеся дисперсной фазой, равномерно или неравномерно размещены в воде, - дисперсионной среде. Такие эмульсии называются "нефть в воде" и условно обозначаются Н/В; 2) эмульсии второго рода или обратные, когда капельки воды - дисперсная фаза, равномерно или неравномерно размещены в нефти, являющейся дисперсионной средой. Такие эмульсии называются "вода в нефти" и условно обозначаются В/Н. В зависимости от размера капелек воды и степени старения нефтяные эмульсии разделяются на три вида: - легкорасслаивающиеся; - средней стойкости; - стойкие. В легкорасслаивающихся эмульсиях обычно большинство глобул крупные — размером от 50 до 100 мкм, в то время как стойкие эмульсии содержат в основном мелкие глобулы размерами от 0,1 до 20 мкм. Эмульсии средней стойкости занимают промежуточное положение. Кроме отмеченных выше условий, на стойкость водонефтяных эмульсий влияют и некоторые другие факторы: температура, содержание парафина, условия образования эмульсии количество и состав эмульгированной воды и др. Нефтяные эмульсии классифицируют по концентрации дисперсной фазы в дисперсионной среде, и подразделяются на три типа: разбавленные, концентрированные и высококонцентрированные. К разбавленным эмульсиям относят системы жидкость-жидкость, объемная доля дисперсной фазы в которых составляет до 20 %, к концентрированным эмульсиям до 74 %, к высококонцентрированным - свыше 74 %. Размеры капелек дисперсной фазы в эмульсиях могут быть самыми разнообразными и колебаться в пределах от 0,1 до 100 мкм. Дисперсные системы, состоящие из капелек одного и того же диаметра, называются монодисперсными, а дисперсные системы, состоящие из капелек различного диаметра, - полидисперсными. Нефтяные эмульсии относятся к полидисперсным системам. Основными характеристиками нефтяных эмульсий являются: агрегативная устойчивость, вязкость, размер эмульгированных глобул водной фазы. Устойчивость эмульсий – это способность в течение определенного времени не разрушаться и не разделяться на две несмешивающиеся фазы. Вязкость эмульсий зависит от содержания воды и наибольшая вязкость эмульсий для сырой нефти любых сортов приблизительно равна вязкости сырой нефти, умноженной на коэффициент 1,3; 1,8; 2,7; 4,1 для эмульсий, содержащих соответственно 10, 20, 30, 40% воды. С повышением температуры вязкость нефти уменьшается, что способствует снижению стойкости эмульсии. С понижением температуры из нефти выделяются кристаллики растворенного в ней парафина, который накапливается на оболочке глобулы и увеличивает ее прочность. Поэтому эмульсии нефти, содержащей парафин, в зимних условиях имеют большую устойчивость. Интенсивность перемешивания нефти с водой при добыче также влияет на стойкость эмульсии. Основные характеристики эмульсий Для оценки свойств эмульсий существует несколько характеристик, основными из которых являются: • дисперсность эмульсии; • устойчивость во времени; • концентрация дисперсной фазы. ДИСПЕРСНОСТЬ ЭМУЛЬСИИ Определяется размерами частиц дисперсной фазы. Если эмульсия полидисперсна, то для ее характеристики необходимо указать распределение частиц по размерам, чаще всего в виде гистограммы. УСТОЙЧИВОСТЬ ВО ВРЕМЕНИ Обычно устойчивость характеризуется одной из двух величин - скоростью расслоения эмульсии и временем жизни отдельных капель в контакте с другими. Скорость расслоения эмульсии определяют, измеряя высоту (объем) отслоившейся фазы через определенные промежутки времени после получения эмульсии. Время жизни отдельных капель определяют путем микроскопических наблюдений за каплей, помещенной на межфазную границу. Например, капля масла подводится к границе раздела со стороны воды и измеряется время, через которое она сольется с фазой масла. Чаще используется первая характеристика эмульсии. КОНЦЕНТРАЦИЯ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ Свойства разбавленных эмульсий (Сd < 0,1% об). Такие эмульсии, как правило, тонкодисперсны и близки по свойствам к лиофобным золям. В таких эмульсиях из-за малых размеров капель наблюдаются броуновское движение, диффузия, рассеяние света и т.д., они являются седиментационно устойчивыми. Их агрегативная устойчивость так же, как в лиофобных золях, определяется наличием диффузных электрических слоев. Коагуляция под действием электролитов подчиняется правилу Шульце- Гарди. К разбавленным эмульсиям приложима теория устойчивости лиофобных золей. Широко известный пример разбавленной эмульсии - конденсат отработанного пара в паровой машине, в ней диспергированы мельчайшие капельки машинного масла. Другой пример - сырая нефть, в которой капельки воды образуют эмульсию II рода. Свойства выcококонцентрированных эмульсий. Для таких систем вопросы, связанные с движением частиц (диффузия, седиментация), отпадают, и эмульсии по своим свойствам сходны со структурированными коллоидными системами - гелями. Когда концентрация капель приближается к 100%, дисперсионная среда принимает вид очень тонких прослоек жидкости - эмульсионных пленок. Такие эмульсии по своей структуре аналогичны пенам (см. главу 17), их свойства определяются, в первую очередь, свойствами эмульсионных пленок, стабилизированных эмульгаторами. Свойства концентрированных эмульсий. В таких эмульсиях капли достаточно крупные и видны в оптический микроскоп. Концентрированные эмульсии седиментационно неустойчивы. Вследствие высокой концентрации капли находятся в постоянном контакте и легко наступает коалесценция. Устойчивость таких эмульсий полностью зависит от эмульгатора. Агрегативная устойчивость эмульсий - это способность сохранять во времени неизменными размеры капель дисперсной фазы, т.е. противостоять коалесценции. Существует несколько факторов агрегативной устойчивости. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ФАКТОР УСТОЙЧИВОСТИ Вокруг капелек эмульсии образуются ДЭС и вследствие этого возникает энергетический барьер, препятствующий сближению частиц до расстояний, на которых силы молекулярного притяжения преобладают над силами электростатического отталкивания. Этот фактор устойчивости является весьма существенным для эмульсий, стабилизированных коллоидными ПАВ и полиэлектролитами. АДСОРБЦИОННО-СОЛЬВАТНЫЙ ФАКТОР УСТОЙЧИВОСТИ Эмульгаторы, адсорбируясь на поверхности капли, уменьшают поверхностное натяжение на границе "капля-среда" и делают систему более устойчивой. Но если в качестве эмульгаторов используются коллоидные ПАВ и ВМС, то создается адсорбционно-сольватная оболочка, являющаяся структурированной. СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЙ ФАКТОР УСТОЙЧИВОСТИ На поверхности капель образуется слой молекул эмульгатора, обладающий повышенной вязкостью и упругостью и препятствующий слиянию капель. Этот фактор играет главную роль, если эмульгатором являются ВМС и неионогенные ПАВ. Определение типа эмульсии В процессе получения эмульсии, особенно диспергационными методами, неизбежно образуются капли как одной, так и другой жидкости. Однако во времени капли одной жидкости сохраняются и постепенно накапливаются, капли другой практически мгновенно коалесцируют. Если накапливаются капли нефти, образуется прямая эмульсия (Н/В), если воды - образуется обратная эмульсия (В/Н). Тип образующейся эмульсии зависит от целого ряда факторов, но во многом определяется природой эмульгатора. Следуя правилу Банкрофта, можно сказать, что та жидкость, которая лучше растворяет эмульгатор или лучше его смачивает (если это порошок), является дисперсионной средой. Таким образом, зная природу эмульгатора, можно предсказать тип образующейся эмульсии. Однако такая оценка весьма приблизительна, особенно если эмульсия многокомпонентна. Существует несколько экспериментальных методов определения типа эмульсий. МЕТОД РАЗБАВЛЕНИЯ В пробирку с водой вводят каплю эмульсии, которая при осторожном встряхивании равномерно распределяется в объеме воды в том случае, если это эмульсия типа Н/В. Если же эмульсия обратная (В/Н), то капля не диспергируется. Эта проба дает лучшие результаты в случае разбавленных эмульсий. МЕТОД СМАЧИВАНИЯ ГИДРОФОБНОЙ ПОВЕРХНОСТИ При нанесении капли эмульсии на парафиновую пластинку капля растекается, если дисперсионной средой является нефть (эмульсия В/Н). ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕПРЕРЫВНОЙ ФАЗЫ Каплю эмульсии помещают на предметное стекло микроскопа рядом с несколькими кристаллами растворенного в воде красителя. Пластинку наклоняют так, чтобы капля и краситель соприкасались. Если окажется, что непрерывная среда (вода) окрашивается, то это эмульсия типа Н/В. В противном случае опыт повторяют с жирорастворимым красителем, доказывая, что эмульсия - типа В/Н. Водорастворимыми красителями являются, например, метилоранж и брильянтовый синий, а маслорастворимым - судан III и фуксин. Эту пробу можно провести, если в пробирку налить некоторое количество эмульсии и добавить несколько кристаллов водорастворимого красителя. Равномерное окрашивание жидкости будет свидетельствовать, что это эмульсия типа Н/В. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ В эмульсию помещают два электрода, соединенные с источником переменного тока и неоновой лампой. Если эмульсия типа Н/В - неоновая лампа загорается, так как водная непрерывная среда обладает намного большей электропроводностью, чем масляная. Обращение фаз эмульсии Специфическим свойством большинства эмульсий является обращение фаз - изменение типа эмульсии. На обращение фаз влияют: • объемная концентрация компонента; • природа эмульгатора; • концентрация эмульгатора; • температура; • динамика процесса эмульгирования. Если к эмульсии Н/В, стабилизированной мылом, добавлять водный раствор хлорида кальция, то эмульгатор переходит в кальциевую форму, и эмульсия обращается, т.е. нефтяная фаза становится дисперсионной средой, а водная - дисперсной фазой. Это объясняется тем, что кальциевое мыло значительно лучше растворяется в нефти, чем в воде: В процессе обращения фаз вначале образуются оба типа эмульсии, но затем становится преобладающей одна, более устойчивая система. При этом часто возникают сложные, множественные эмульсии: капелька нефти, входящая в эмульсию Н/В, может содержать в себе эмульсию В/Н и т.д. Для обращения фаз известное значение имеет также соотношение объемов фаз. Обращение фаз эмульсий в определенных условиях может быть вызвано и длительным механическим воздействием. |