4.2. Поверхностное натяжение на границе нефть – газ

Разгазирование нефтей следует рассматривать как процесс кипения, при котором отдельные компоненты (молекулы растворенных газов), обладающие наибольшей кинетической энергией, преодолевают некоторый активационный барьер (силы молекулярного притяжения) и выходят из объема нефти через поверхностный слой в газообразную фазу [31].

Чтобы молекулы газообразных компонентов могли проникнуть через поверхностный слой нефть – газ их кинетическая энергия, равная

Рис. 4.7. Стадии фазового перехода в нефтяной системе [31]

(4.7)

где m – масса молекулы; с – средняя скорость движения молекулы; Т – абсолютная температура; k – постоянная Больцмана,

_,

должна быть больше, чем та работа, которая совершается против сил межмолекулярного взаимодействия (рис. 4.7).

Замечено, что чем легче нефти подвергаются процессу разгазирования, тем меньшим поверхностным натяжением они обладают на границе с газом (паром).

Этот вывод подтвержден экспериментальными исследованиями, показавшими на примере нефтей Западной Сибири (Самотлорского и Усть-Балыкского месторождений), что скорость разгазирования нефтей уменьшается по мере их движения от скважины до концевой ступени сепарации. При этом поверхностное натяжение нефтей на границе с газом возросло с 17,5–19,0·10^–3 Дж/м² у устья скважины до 21,4–22,7· 10^–3 Дж/м² на концевой ступени сепарации. Нефти месторождений Западной Сибири относятся к легким нефтям с относительно небольшим содержанием асфальто-смолистых компонентов, которые повышают не только вязкость, плотность, но и пленкообразующие свойства нефтей как на границе с газом (паром), так и на границе с водой.

Характер снижения поверхностного натяжения нефтей в зависимости от количества растворенного нефтяного газа показан на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Влияние степени разгазирования нефти на изменение поверхностного натяжения (1, 2) и плотности (1΄, 2') нефтей: 1 – самотлорской; 2 – усть-балыкской [1]

Из приведенных данных следует, что чем выше растворимость газа в нефти, тем более заметно влияние повышения давления насыщения на степень снижения поверхностного натяжения нефтей.

При рассмотрении характера изменения поверхностного натяжения нефтей на границе с газом (паром) следует учитывать, что в данном случае образуется граница раздела двух сред, на которой энергетически выгодным является концентрирование молекул жидких углеводородов парафинового ряда со сравнительно небольшой молекулярной массой, имеющих по сравнению с другими углеводородами нефти наиболее низкое значение поверхностного натяжения на границе с газом (паром) (табл. 4.3).

Этим можно объяснить то, что тяжелые ароматизированные асфальто-смолистые нефти имеют более высокое (в пределах 30–35·10^–3 Дж/м²) значение поверхностного натяжения, что значительно замедляет процесс их разгазирования.

Рис. 4.9. Изменение поверхностного натяжения нефтей (при атмосферном давлении) на границе с воздухом (паром) в зависимости от их плотности [1]

Кроме того, эти процессы еще более осложняются из-за повышенных вязкостных характеристик и пенообразующей способности данных нефтей. Поэтому из объема тяжелой асфальто-смолистой нефти могут выделиться только молекулы газа с наибольшей энергией. Для того, чтобы сообщить такую энергию большому числу молекул газа, растворенных в нефти, необходимо ее интенсивно перемешивать при одновременном снижении давления в системе или подогревать нефть, так как в соответствии с законом распределения энергии Максвелла процесс разгазирования (испарения) нефти будет сопровождаться охлаждением системы.

Данные, указывающие на существование прямой связи между значениями поверхностного натяжения нефтей при атмосферном давлении на границе с газом (паром) и их плотностью, показаны на рис. 4.9.