УДК 622.691 Ахметкалиев Р.Б., Насибуллин Б. Исследование возможностей управления физико-химическими свойствами

УДК 622.691
Ахметкалиев Р.Б., Насибуллин Б.
Исследование возможностей управления физико-химическими свойствами
нефтей для технологических операций нефтедобычи
Проведено исследование влияние дисперсного состава на кинетику разделения
водонефтяной эмульсии. Сокращение времени деэмульсации и улучшение качества
подготовки нефти достигается увлечением крупнодисперсной части эмульсии.
Су – мұнай эмуьсиянын бөліну жылдамдығына диспесиялық құрлысынын әсері
зерттелген. Эмульсия бөуге уқытты қысқартуға және мұнай дайындау сапасын жақсарту
үшін су бөлшектердің көлемін өсіру қажет.
The analysis of dehydration of water – in – oil emulsion from dispersed content is carried
out. It is shown, that the reduction of time processing and increment of oil preparation quality can
be received by increase the volume of dispersed phase.
Мұнайдың фиико-химиялық қасиеттерін зертеу және өзгерту.
Investigation and control of oil properties.
Процесс добычи нефти из нефтеносных пластов сопровождается
образованием водонефтяных эмульсий (ВНЭ). При промысловой подготовке
нефти производится отделение воды и солей от сырья. На разрушение ВНЭ
влияет множество факторов, от каждого из которых определенным образом
зависит скорость конечного процесса – скорость отделения воды от нефти
dW / dt , где W - концентрация воды в нефти; t - время. Скорость отделения
эмульгированных капель воды зависит от их размеров и увеличивается с их
ростом. Для достижения оптимальной скорости разделения ВНЭ необходимо
производить определенное преобразование эмульсии. Целью указанной задачи
является получение эмульсии определенного дисперсного состава. Искомой
величиной этой задачи является скорость преобразования ВНЭ dn / dt , где n число капель в эмульсии.
Указанная искомая величина определяет скорость конечного процесса
dW / dt и ее необходимо рассматривать как некоторую функцию, зависящую от
множества переменных. Указанная связь между функцией и его переменными
может рассматриваться как синергизм влияющих факторов, где одновременное
действие двух величин эффективнее суммы каждого из них в отдельности.
Таким образом активацию деэмульсации нефти можно рассматривать как
синергетический процесс, равный сложной сумме следующих составляющих:
1. Активация растворяющей способности дисперсионной среды, которая
необходима для перевода части сорбированных компонентов с
поверхности капель воды в нефтяную или водную фазу;
2. Ускорение процессов, приводящих к уменьшению вязкости нефти,
эффективной вязкости эмульсии;
3. Разрушение связей дисперсных частиц в эмульсии между собой, с
дисперсионной средой, между сорбированными компонентами на
поверхности капель воды;
4. Увеличение частоты и силы взаимодействия дисперсных частиц для
массообмена между ними, для разрушения адсорбционно-сольватного
слоя (АСС) на них;
5. Активация коалесценций и коагуляции увеличением вероятности
контактных состояний;
6. Ускорение перехода оседающих капель через границу раздела фаз
нефть – вода.
Параметрами
регулирования
указанных
факторов
активации
деэмульсации нефти являются доза деэмульгатора C , температура нагревания
t , механическое (гидродинамическое) действие R , время действия указанных
величин t .
Увеличение температуры ведет к активации составляющих п.п. 1, 2, 3, 6.
Увеличение дозы деэмульгатора способствует разрыву связи капель с
дисперсионной средой (п. 3), вытеснению АСС с капель воды (п. 1), уменьшает
вязкость эмульсии (п. 2), ускоряет коалесценцию и погружение капель (п. 5, п.
6).
Гидродинамическая обработка (ГДО) эмульсии ускоряет все указанные
процессы. Время работает совместно с C, t , R .
Параметрами, определяющими состояние ВНЭ, являются ее дисперсный
состав, распределение капель по размерам;
фактор устойчивости f (  )
f ( ) 
  F / v  g

;
(1)
функция распределения капель в объеме ВНЭ f (h) [ 1 ]
f (h)  exp( 
mgh
),
ET
(2)
где    в   н - разность плотностей воды и нефти; F - сила взаимодействия
капли с дисперсионной средой; m , V - масса и объем капли;  - вязкость нефти;
ET - энергия турбулентных
g - ускорение силы тяжести; h – высота;
пульсаций.
Наличие определенных сил F взаимодействия капель воды с
дисперсионной средой является причиной увеличения устойчивости ВНЭ и ее
также надо учитывать как один из параметров, определяющих состояние
эмульсии. Это взаимодействие проявляется при наличии адсорбционно-
сольватного слоя (АСС) на поверхности капель воды и зависит от толщины и
состава этого слоя, размера капли воды (площади контактирующих
поверхностей). Количественно ее можно выразить через силу взаимодействия
на единицу поверхности капли  .
Образование АСС из поверхностно-активных компонентов нефти на
капле воды изменяет среднее значение ее плотности и разность плотностей
воды и нефти до величины  k   :
 k  (
r
) 3 (  в   н ),
r  r
(3)
где r - радиус капли; r - толщина АСС на ней.
Минимальное значение силы взаимодействия капли на единицу ее
поверхности, обеспечиваюшее ее устойчивость, определяется выражением:
 min
1
r3
.
 (в   н )  g 
3
(r  r ) 2
(4)
В этом случае фактор устойчивости капель ВНЭ f (  )  0 и эмульсия
будет обладать неограниченной седиментационной устойчивостью. Но такое
состояние возможно для старых эмульсий, где преобладают капли малых
размеров со значительным защитным слое из смоло-асфальтеновых веществ и
других стабилизаторов ВНЭ. В других случаях    min и f (  )  0 .
Увеличение толщины АСС r сопровождается уменьшением разности
плотностей  k и уменьшением необходимого значения  min , обеспечивающее
устойчивость ВНЭ.
Фактическое значение  может быть больше  min .
Взаимодействие капли с дисперсионной средой (ДС) в виде сил
притяжения можно объяснить наличием тиксотропных свойств нефтяных
дисперсных систем и неньютоновским характером течения таких жидкостей.
Большинство
высокопарафинистых
и
высоковязких
нефтей
(ВПН, ВВН) в широком диапазоне температур являются неньютоновскими
жидкостями. Высококонцентрированные водонефтяные эмульсии (ВНЭ)
многих нефтей также относятся к таким системам. Сравнительный анализ
реологических свойств указанных дисперсий (ВПН, ВНЭ) показывают наличие
многих общих свойств, характерных для неньютоновских жидкостей.
Водонефтяные эмульсии представляют собой полидисперсную систему
капель воды в нефти. На поверхности капель имеется адсорбционносольватный слой (АСС) из смоло-асфальтно-парафиновых веществ, толщина и
прочность которых возрастает по мере старения эмульсии.
При нагревании и гидродинамической обработке (ГДО) часть
сорбированных веществ может переходить обратно в дисперсионную среду.
Рост обводненности нефти ведет к агрегации капель воды, прочность их связей
со временем возрастает.
Нагревание и ГДО разрушает образовавшиеся структуры.
Эти жидкости характеризуются наличием предельного напряжения
сдвига  0 , преодоление которого необходимо для обеспечения ее течения.
Адсорбция поверхностно-активных компонентов нефти на капле
приводит к тому, что последнее оказывается в связанной оболочке из вещества,
однородной с дисперсионной средой. Любое движение капли относительно ДС
будет возможно только после преодоления силы взаимодействия с ней.
Значение этой силы на единицу поверхности будет предельным напряжением
сдвига для капли  0 .
Увеличение вязкости ВНЭ при ее старении происходит за счет роста
толщины АСС капель воды, которое ведет к увеличению объема и
концентрации дисперсной фазы. Возрастает
составляющая вязкости,
обусловленная уменьшением среднего расстояния между каплями,
увеличивающая силу притяжения между ними (агрегация капель), (рис. 4).
η, мПа∙с
t, сут.
Рис. 1. Изменение эффективной вязкости водонефтяной
эмульсии при ее хранении, t = 70 ˚С.
Диспергирование капель ВНЭ даже при минимальном значении толщина
АСС  r усиливает силу связи с дисперсионной средой:
n
F   i S i ,
(5)
i 1
где S i - площадь поверхности каждой капли.
Суммарная площадь капель при диспергировании возрастает.
Диспергирование капель при наличии на них АСС сопровождается
увеличением устойчивости ВНЭ, f    0 .
Указанное уменьшение размера капель воды уменьшает  min , фактическое
значение  может быть больше  min . Поэтому старение ВНЭ ведет к росту ее
устойчивости и к усилению связи капель с дисперсионной средой.
Эти процессы сопровождаются увеличением предельного напряжения
сдвига для системы в целом и для каждой капли в отдельности. Увеличивается
также эффективная вязкость ВНЭ.
В данном опыте увеличение эффективной вязкости связано с ростом  r
при старении ВНЭ и достижением контактных состояний капель, образованием
пространственного каркаса и агрегацией капель в объеме эмульсии (рис. 1).
Разрушение указанных связей в дисперсных системах происходит при
нагревании. При механическом воздействии и нагревании первоначально
происходит разрыв микросвязей, разрушение единого пространственного
каркаса в объеме системы. При дальнейшем воздействии будет происходить
уменьшение размеров отдельных агломератов, далее – уменьшение толщины
АСС r отдельных капель. Эти процессы можно назвать разрушением
микросвязей в системе. Разрушение агломератов капель, уменьшение толщины
слоя r происходит медленнее, чем макросвязей в системе они и они не
разрушаются полностью. Прекращение воздействия ведет к возвращению
системы в исходное состояние.
Разрыв связи капель с ДС происходит при вводе деэмульгатора,
нагревании и ГДО. Одновременное действие первых двух факторов
обеспечивает эффективное разрушение ВНЭ. Добавление к ним ГДО ускоряет
этот процесс и обеспечивает хороший результат применительно к тяжелым и
высоковязким нефтям.
Четыре указанных параметра , определяют свойства не только ВНЭ, но
и нефтяных дисперсных систем в целом и изменяясь под действием внешних
факторов воздействия могут изменить физико- химические свойства
нефти в широких пределах.
В настоящее время в технологических операциях нефтедобычи
используются различные реагенты , присадки, вспомогательные жидкости
Во многих случаях указанные вещества требуются в значительных
объемах. Их стоимость , доставка удорожает процесс нефтедобычи.
Используя возможность регулирования свойств нефти данного
месторождения из нее можно получать многие необходимые жидкости ,
которые могут полноценно заменить технологические растворы ,
непосредственно в условиях месторождения .
В качестве факторов внешнего воздействия можно указать
гидродинамическую обработку сырья, ультразвуковое воздействие,
активацию жидкости колебаниями различных частот и разной природы ,
действие электромагнитных полей и излучений.
В результате указанного воздействия происходит изменение вязкости
жидкости , температуры замерзания, фракционного состава ,содержания
смоло- асфальтеновых веществ, парафинов, которые сохраняются в
течение значительного времени .
Активированное или модифицированное нефтяное сырье может
использоваться для создания промывочных жидкостей скважин,
обработки и очистки призабойной зоны скважин , для создания
жидкости для изоляции водопритока к скважине, подготовки
высокопарафинистой нефти к транспортировке. Активирование нефти
облегчает ее извлечение из пласта за счет уменьшения ее вязкости.
Одновременно здесь будет решаться задача ее внутрипромысловой
транспортировки и подготовки к переработке.
Используя комплекс процессов модификации сырья могут быть
решены многие экологические проблемы как очистка от воды и
механических примесей амбарных и бросовых нефтей, извлечение нефти
из замазученного грунта , вовлечение в переработку нефти, собранных
из разливов на воде и суше.
Выводы
1. Рассмотрен процесс разрушения водонефтяной эмульсии и выделены
основные факторы, приводящие к ее активации и определяющие скорость
отделения воды от нефти;
2. Показано существование силы взаимодействия капель воды с
дисперсионной средой и ее влияние на устойчивость эмульсии и вязкость
нефтяной дисперсной системы.
Литература
1. Ахметкалиев Р.Б.
Диагностика процесса разделения водонефтяной
эмульсий. // Промышленность РК. 2010. №12 . С.91-93.
2. Ахметкалиев Р.Б. Исследование вязкости нефтяных дисперсных систем.//
Известия НАН РК, сер. «химич.» 2010. №3, С. 10-13.