Оборудование применяемое при исследовании скважин

   Свойства  нефтяных эмульсий влияют на технологические  процессы добычи нефти, внутрипромыслового транспорта, сепарации, предварительного обезвоживания, деэмульсации (разрушения эмульсий), очистки и подготовки нефтепромысловых сточных вод.

   Тип эмульсии устанавливается по свойствам  ее дисперсионной среды.

   Эмульсии  типа Н/В (вода - внешняя фаза) смешиваются  с водой в любых соотношениях и обладают высокой электропроводностью.

   Эмульсии  В/Н смешиваются только с углеводородной жидкостью и не обладают заметной электропроводностью.

   Тип эмульсий в разбавленных эмульсиях  определяется чаще всего объемным соотношением фаз – дисперсную фазу образует вещество, находящееся в системе  в меньшем количестве.

   В промысловых условиях о количестве воды в эмульсиях судят обычно по их цвету: эмульсии, содержащие до 10% воды, по цвету не отличаются от безводной  нефти; эмульсии, содержащие 15-20% воды, имеют цвет от коричневого до желтого; эмульсии содержащие более 25% воды, –  желтые.

   Поверхностное натяжение

   Энергия, затраченная на образование эмульсии, концентрируется на границе раздела  фаз в виде свободной поверхностной  энергии и называется поверхностным (или межфазным) натяжением, σ: - это удельная работа образования поверхности. [у]=эрг/см²; Дж/м²; Н/м; дин/см.  (s=Р/2L).

   Из  физики: у – это сила, стягивающая гипотетическую пленку на поверхности жидкости и противодействующая ее растяжению, т.е. величина у – определяется работой против сил молекулярного взаимодействия.

   Капли жидкой дисперсной фазы при этом приобретают  сферическую форму, т.к. сфера обладает наименьшей поверхностью при данном объеме.

   Величина  σ - важнейшая молекулярная константа вещества (при Т = const), характеризующая полярность жидкости.

   Поэтому полярные жидкости с сильным межмолекулярным  взаимодействием имеют высокие  значения у: вода у = 72.5 эрг/см², а для слабополярного гексана у = 18.4 эрг/см². Таким образом, создание новой межфазной поверхности требует затраты энергии на преодоление сил ММВ и значительная часть этой энергии накапливается на межфазной границе в виде избыточной поверхностной энергии. Следовательно, молекулы, находящиеся на поверхности раздела фаз являются «особенными» по своему энергетическому состоянию.

Вплоть до объемной доли дисперсной фазы C_d =74%, соответствующей плотнейшей упаковке шаров, частицы дисперсной фазы могут сохранять сферическую форму. Увеличение C_d выше этой величины связано с деформацией частиц дисперсной фазы и, как следствие, появлением новых свойств. 

1.3.2 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ

   Главнейшей  характеристикой эмульсии является дисперсность – это степень раздробленности дисперсной фазы в дисперсионной среде. От дисперсности зависят многие другие свойства эмульсий. Мерой дисперсности является удельная межфазная поверхность:

    - отношение суммарной поверхности  капелек к общему их объему (при диспергировании – поверхность  S увеличивается, а объем системы  V не изменяется).

.

   Таким образом, дисперсность – это величина обратная диаметру капли: D~1/d,

   где d – диаметр капли.

   Промысловые эмульсии никогда не бывают монодисперсны. Они всегда полидисперсны, т.е. содержат капли дисперсной фазы разных диаметров.

   Размер  капель пропорционален количеству затраченной  энергии: чем больше затрачено энергии, тем меньше диаметр капель и больше их суммарная поверхность:

   F↑→d↓→D↑→S↑

   По  дисперсности нефтяные эмульсии подразделяются на:

• Мелкодисперсные –  d_К = 0.2 – 20 мкм;
• Среднедисперсные - d_К = 20   - 50  мкм;
• Грубодисперсные -   d_К = 50 – 300 мкм.

   Диапазон  размера капель в нефтяных эмульсиях: 10^-5 – 10^-2см (0,1 – 100мкм), т.е. нефтяные эмульсии содержат капли всех трех размеров, а это означает, что нефтяные эмульсии полидисперсны.

   Знание  вязкости жидкости необходимо при проектировании промысловых трубопроводов, по которым нефть со скважин перекачивается на установку ее подготовки, а также при выборе отстойной аппаратуры и режима ее работы. Вязкость нефтяной эмульсии не является аддитивным свойством, т.е. не равна сумме вязкости нефти и воды. Вязкость сырой нефти (как неньютоновской жидкости) зависит от многих факторов: количества воды, содержащейся в нефти; температуры, при которой получена эмульсия; присутствия механических примесей (особенно сульфида железа FeS₂) и рН воды. Причем, дисперсность и содержание воды в эмульсии в процессе сбора продукции непрерывно изменяются. Парафинистые нефти, как и нефтяные эмульсии, являются неньютоновской жидкостью, поэтому их вязкость при движении по трубопроводам также будет зависеть от градиента скорости (см. теорию по реологическим свойствам нефти):

    , т.е. м_Э – кажущаяся вязкость, поэтому μ_Э^* = ѓ (м_Н, м_В, Т, W, D, pH, s, dv/dr).

   Содержание  воды как дисперсной фазы в водонефтяной эмульсии может колебаться от следов до 80-85%.

   Из  анализа кривых рис.1.10. следует, что  увеличение содержания воды в нефтяной эмульсии до определенного предела  увеличивает кажущуюся вязкость μ_Э^* эмульсии, а, следовательно, и увеличивает энергетические затраты на перекачку такой эмульсии.

Рис.1.10. Зависимость  кажущейся вязкости эмульсии от содержания воды в нефти и температуры  смешения 

   Критическая концентрация воды W_кр называется точкой инверсии. В точке инверсии происходит обращение фаз и дисперсная фаза (вода) становится дисперсионной средой, а дисперсионная среда (нефть) – дисперсной фазой, т.е. эмульсия меняет свой тип с В/Н на тип Н/В.

   Обращение фаз нефтяных эмульсий имеет исключительно  большое практическое значение. Эмульсия типа Н/В транспортируется при меньших  энергетических затратах, чем эмульсия типа В/Н. Поэтому при транспортировании  эмульсии выгодно, чтобы внешней  фазой была вода, при этом трубопроводы должны быть защищены от коррозии. Кроме  того, этот прием используется в  процессе подготовки нефти для лучшей очистки ее от воды.

   Для нефтей разных месторождений 0,5 < W_кр < 0,9. В большинстве случаев W_кр » 0,71. (Сравните, величина C_d = 74%).

   Такой диапазон значений W_кр объясняется различием физико-химических свойств компонентов эмульсии и в первую очередь присутствием в этой эмульсии различных эмульгаторов – веществ, способствующих образованию эмульсии, стабилизирующих ее.

   Вопрос  о влиянии дисперсности эмульсии на ее вязкость чрезвычайно сложен и в объеме данной дисциплины его  можно рассмотреть только на простейшем уровне и  показать, что при одной  и той же обводненности W и одной и той же скорости сдвига dv/dr вязкость зависит от раздробленности дисперсной фазы. Если это так, то становится понятным наличие большого числа различных формул для зависимости вязкости от концентрации дисперсной фазы и разброс значений вязкости, который они дают применительно к одной и той же дисперсной системе.

   В соответствии с кинетической теорией  влияние дисперсности должно проявиться лишь тогда, когда расстояние между  частицами (в понимании его как  длины свободного пробега молекул  в газе или клатратов, кластеров, ассоциатов в жидкости или капель, агломератов капель в эмульсии) окажется порядка размера частиц. Следовательно, явление можно наблюдать при  высокой концентрации дисперсной фазы или при ее очень тонком измельчении.

   Из  рис.1.11 следует, что уменьшение размеров капель до некоторой величины не влияет на вязкость. После достижения порового значения (зависящего, в свою очередь, от объемной концентрации дисперсной фазы) дальнейшее уменьшение размера  капель ведет к появлению и  последующему усилению зависимости  вязкости от размера капель.

Рис.1.11. Зависимость  вязкости эмульсии от максимального  диаметра капель 
 

   Для оценки вязкости используются эмпирические уравнения. А.Эйнштейн предложил следующую формулу:

                                                                                   (1.7)

   где В – объемная доля воды в эмульсии.

   Эта формула справедлива при низких концентрациях диспергированного  вещества (воды).

      Формула Тейлора:

                        .                                     (1.8)

   Плотность эмульсии – величина почти аддитивная, поэтому рассчитывается относительно легко исходя из значений плотностей нефти и воды с учетом их процентного содержания:

                               ,                                          (1.9)

   где r_Э, r_Н, r_В – соответственно плотности эмульсии, нефти и воды;

   g –  массовая доля воды в эмульсии:

                                    ,                                                  (1.10)

   где g_o – массовая доля чистой воды в эмульсии;

   Х – содержание растворенных солей  в воде, % масс.

   Если известна плотность пластовой воды, плотность  добываемой нефти и плотность  образованной эмульсии, то обводненность можно определить:

                               , % масс.                                 (1.11)

   Электрические свойства эмульсий. Нефть и вода в чистом виде – диэлектрики. Проводимость нефти 10^-10 – 10^-15 (Ом∙см)^-1, воды 10^-7 – 10^-8 (Ом∙см)^-1. Однако даже при незначительном содержании в воде растворенных солей или кислот электропроводность ее увеличивается в десятки раз. Поэтому электропроводность 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 нефтяной эмульсии, помещенной в электрическое поле, диполи воды ориентируются вдоль  его силовых линий. Это приводит к резкому увеличению электропроводности эмульсий.

   Свойство  капель воды в эмульсиях располагаться  вдоль силовых линий электрического поля послужило основой использования  электрических полей для разрушения эмульсий типа В/Н в процессе подготовки нефтей.

      Важным  показателем для нефтяных эмульсий является их устойчивость, т.е. способность в течение определенного времени не разделяться на нефть и воду. Проблема устойчивости – это проблема «жизни и смерти» дисперсной системы.

   Устойчивость  дисперсной системы характеризуется  неизменностью во времени ее основных параметров: дисперсности и равновесного распределения дисперсной фазы в  среде.

   Диспергирование в системе нефть-вода совершается  за счет внешней работы. Системы  не диспергирующиеся самопроизвольно  называются лиофобными коллоидами.

   Свободная энергия системы в процессе диспергирования  увеличивается (ДF>0, ДF=ДU-TДS>0), система  характеризуется высокими значениями у на межфазной границе.

   Избыток свободной энергии делает такие  системы термодинамически неустойчивыми. Для них характерны самопроизвольные процессы, снижающие этот избыток.

   При рассмотрении устойчивости нефтяных эмульсий (как и устойчивости любых дисперсных систем) следует разграничивать два  вида устойчивости: кинетическую (седиментационную) и агрегативную.

• Седиментационной (кинетической) называется устойчивость дисперсной фазы по отношению к силе тяжести, т.е. это способность системы противостоять оседанию или всплыванию частиц (глобул) дисперсной фазы под действием сил тяжести.