Оборудование применяемое при исследовании скважин

   Для разбавленных систем кинетическая устойчивость может  оцениваться, как величина обратная скорости оседания (или всплывания) частиц дисперсной фазы:

                              ,                              (1.12)

   где W_r – скорость оседания частиц дисперсной фазы;

   r –  радиус частиц;

   с_B-с_H – разность плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды, кг/м³;

   н – кинематическая вязкость, м²/с;

   g - ускорение свободного падения,  м/с².

   Из  уравнения следует, что чем выше вязкость дисперсионной среды, меньше разность плотностей эмульгируемых  сред и радиус глобул воды (частиц дисперсной фазы), тем выше кинетическая устойчивость эмульсий.

• Агрегативная устойчивость – это способность системы к сохранению дисперсности и индивидуальности частиц дисперсной фазы.

      Подчеркнем  связь устойчивости с дисперсностью:

   d↓→D↑→S↑→K_У↑

      Таким образом, высокодисперсные системы кинетически устойчивы (для них характерно установление седиментационно-диффузионного равновесия), а грубодисперсные системы разрушаются (разделяются на нефть и воду) вследствие оседания (или всплытия) частиц дисперсной фазы.

      Если  частицы дисперсной фазы (глобулы  воды) при столкновении друг с другом или границей раздела фаз слипаются  под действием сил молекулярного  притяжения (т.е. ван-дер-ваальсовых сил), образуя, более крупные агрегаты, такой процесс называется коагуляцией.

      В таких агрегатах частицы еще  сохраняются как таковые какое-то время, затем самопроизвольно сливаются  с уменьшением поверхности раздела  фаз: d↑→D↓→S↓.

      Следствием  потери агрегативной устойчивости является потеря седиментационной (кинетической) устойчивости: d↑→D↓→S↓→К_У↓.

      В процессе подготовки продукции нефтяных скважин к расслоению должна быть максимально снижена агрегативная и кинетическая устойчивость газоводонефтяных эмульсий.

   Некоторые нефтяные эмульсии обладают чрезвычайно  высокой устойчивостью и могут  существовать долго.

   Почему  же, несмотря на термодинамическую  неустойчивость (ΔF>0), нефтяные эмульсии (как и многие другие лиофобные коллоидные системы) оказываются устойчивыми кинетически, не изменяясь заметно в течение длительного времени?

   Наблюдаемая долговечность таких систем свидетельствует  о том, что наряду с ван-дер-ваальсовскими  силами притяжения между частицами  существуют и силы отталкивания или  эффекты, препятствующие притяжению.

   Физико-химические свойства природных  эмульгаторов. Для образования эмульсий недостаточно только перемешивания двух несмешивающихся жидкостей. Действительно, при интенсивном встряхивании бензола или растительного масла с водой, эмульсия существует лишь во время встряхивания или в момент его окончания, после чего сразу же начинается коалесценция, быстро приводящая к разделению системы на два жидких слоя. Длительное существование эмульсий обеспечивается лишь в условиях стабилизации за счет образования адсорбционно-сольватного слоя на межфазной границе.

• Вещества, стабилизирующие эмульсии, называются эмульгаторами.

   Они содержатся в нефти, это:

1. Асфальтены;
2. Смолы;
3. Кристаллы парафина;
4. Нафтеновые кислоты;
5. Порфирины;
6. Твердые минеральные частицы: глина, сульфид железа.

   Эмульгаторы присутствуют и в пластовой воде: это растворенные соли.

   Все нефти образуют эмульсии, но способность  их к эмульгированию далеко не одинакова, потому, что:

1. чем больше в нефти содержится полярных компонентов, тем выше стойкость образующейся эмульсии; известно, что нефти парафинового основания образуют менее стойкие эмульсии, чем нефти нафтенового основания;
2. чем больше минерализация воды, тем выше стойкость эмульсии.

   Т.к. неустойчивость эмульсий связана прежде всего с избытком межфазной свободной  энергии, то эмульгаторами должны быть вещества, снижающие σ на границе раздела фаз ( ). Такие вещества называются поверхностно-активными (ПАВ).

   В процессе перемешивания нефти с  пластовой водой и образования  мелких капелек воды, частицы эмульгатора адсорбируются на поверхности этих капелек (или, как принято говорить, на поверхности раздела фаз) и образуют пленку (оболочку), препятствующую слиянию капелек при столкновении. Таким образом ПАВ создают структурно-механический барьер.

   Адсорбционные слои структурируются вследствие ориентации (взаимодействия) молекул и боковой  когезии (т.е. в результате притяжения диполей полярных групп соседних молекул, образования водородных связей или гидрофобного взаимодействия неполярных групп). Такие адсорбционные слои обладают определенными структурно-механическими  свойствами: высокой вязкостью и  прочностью.

   Изучение  свойств этих пленок показало, что  асфальтены и порфирины образуют наиболее прочные твердообразные пленки, а смолы – весьма слабые пленки. Поэтому в композиции со смолами  асфальтены дают жидкообразные пленки.

   Строение  ПАВ. Молекулы ПАВ имеют характерную особенность строения – дифильность, т.е. имеют полярную, гидрофильную часть или группу (-СООН, -ОН и др.) и неполярную часть, например углеводородные радикалы.

 

Рис.1.12. Строение бронирующей оболочки 

      Благодаря такому дифильному строению, молекулы эмульгатора концентрируются на поверхности раздела фаз, определенным образом ориентируются – полярной группой в сторону воды, а неполярной – к нефти, и создают структуру – механический барьер, защищающий капли воды от слияния при столкновениях (рис.1.12).

      Таким образом, стабилизирующее действие эмульгатора заключается:

3. в снижении σ на межфазной границе;
4. в образовании структурно-механического барьера.

      Обобщая влияние рассмотренных двух факторов, дисперсности и природных эмульгаторов, на устойчивость нефтяных эмульсий, следует  отметить, термодинамически  неустойчивая, в силу избытка поверхностной энергии, система может самопроизвольно перейти в устойчивое состояние двумя путями:

   т.к. F  = s _* S, отсюда                        

F¯ за счет S¯ или s¯,

   S уменьшается - при потере устойчивости за счет снижения дисперсности D¯,

    s уменьшается - за счет адсорбции эмульгаторов.

   Таким образом, эмульгаторы, снижая поверхностное  натяжение, придают системе некоторую  кинетическую устойчивость.

   Для всех практических целей важно знать  тип образующейся эмульсии: Н/В или В/Н. В концентрированных системах тип эмульсии определяется (гидрофильно-гидрофобным балансом) эмульгатором: если эмульгатор гидрофильное вещество – получается прямая эмульсия: Н/В; если эмульгатор гидрофобное вещество – получается обратная эмульсия: В/Н, вне зависимости от класса эмульгатора.

   Несомненно, что после диспергирования сравнимых  между собой объемов нефти  и воды в первый момент существуют капли и воды и нефти. Затем  капли одного типа, менее устойчивые, коалесцируют, образуя дисперсионную  среду, а более устойчивые выживают и становятся дисперсной фазой. Устойчивость обеспечивается в том случае, если защитный барьер расположен вне капли, в дисперсионной среде, а не внутри капли.

   При смене типа эмульгатора, например в  результате добавления электролита, может  произойти обращение фаз эмульсии.

   Таким образом, если управлять прочностью адсорбционных слоев, изменяя рН, концентрацию ионов, вводя ПАВ и  т.д., то можно, следовательно, воздействовать и на устойчивость дисперсной системы.

   Интересно отметить, что сравнительные исследования эмульгаторов промысловых водонефтяных эмульсий показали, что:

• даже близкие по характеристикам нефти могут значительно отличаться по составу эмульгаторов;
• эмульсионные пробы нефтей, отобранные в разное время и из различных точек системы сбора одного и того же месторождения могут значительно отличаться по устойчивости и составу эмульгаторов.

   Электрический заряд на поверхности  частицы. В водной среде вокруг глобул создается двойной электрический слой, который подобно адсорбционным оболочкам, защищает частицы дисперсной фазы от слипания (рис.1.13).

 

Рис.1.13. Двойной  электрический слой на глобулах нефти  в водной среде 

   Частицы дисперсной фазы одинакового состава  заряжены одноименно и поэтому они  электростатически должны отталкиваться.

Факторы, влияющие на устойчивость эмульсий

   Температура. При повышении температуры вязкость системы снижается Т­®n¯ и, согласно формуле (1.12), К_У¯ и D¯. Объяснить это можно тем, что при повышении температуры в менее вязкой среде возрастает подвижность частиц дисперсной фазы (броуновское движение), это приводит к увеличению частоты столкновений. Одновременно при повышении температуры уменьшается механическая прочность адсорбционных (защитных, бронирующих) оболочек.

   Поэтому увеличение частоты столкновений, при  возрастающей их эффективности, приводит к ускорению коалесценции капель и снижению агрегативной устойчивости.

   Минерализация и рН эмульгированной  воды. Минерализация и солевой состав водной фазы, несомненно, влияют на устойчивость и тип нефтяных эмульсий.

   Однако  нужно отметить две особенности:

7. Это влияние косвенное, через образование химических соединений с полярными компонентами нефти. Например, нафтеновые кислоты нефтей, обладающие высокими поверхностноактивными свойствами, могут взаимодействовать с ионами , , , ³⁺ и , находящимися в пластовых водах. При этом нафтенаты К и Na способствуют образованию эмульсий типа Н/В, так как хорошо растворимы в воде, и снижают устойчивость эмульсий типа В/Н, стабилизированной САВ. Mg-, Fe- и Al – соли нафтеновых кислот, в отличие от Na и К солей, обладают большей растворимостью в нефтяной фазе и сами по себе способны стабилизировать эмульсию обратного типа В/Н. Но в сочетании со смолисто-асфальтеновым природным эмульгатором ослабляют его действие, вероятно, за счет снижения сил межмолекулярного взаимодействия молекул смолисто-асфальтеновых веществ между собой.
8. Характер влияние зависит от углеводородного состава нефтей и состояния асфальтенов в объеме нефти.

   Для многих нефтей повышение минерализации  ведет к увеличению устойчивости эмульсии.

   рН  воды. Обобщение данных показывает, что при кислой и нейтральной реакциях воды (рН£7) адсорбционные слои на глобулах воды жесткие, твердообразные и, соответственно, формируются устойчивые эмульсии типа В/Н, в щелочной среде (рН>7) формируются жидкообразные пленки, т.е. устойчивость эмульсии снижается.

   При дальнейшем увеличении рН (до сильнощелочной среды) наблюдается резкое снижение межфазного натяжения s и образование эмульсии прямого типа (Н/В).

   При изменении рН водной фазы возможно выпадение солей, в частности и , которые сами могут являться стабилизаторами (эмульгаторами) эмульсий прямого или обратного типа.

   Таким образом, рН эмульгированной воды влияет на реологические свойства бронирующих  оболочек: чем выше рН, тем ниже устойчивость.