Нефтяные эмульсии

Продукция скважин представляет собой смесь газа, нефти и воды. Вода и нефть при перемешивании образуют механическую смесь водо- нефтяную эмульсию, причем количественное соотношение воды и нефти в процессе разработки месторождения может меняться в широких пределах.

Эмульсия - это смесь дисперсных частиц, которые образуются под влиянием затраченной энергии. Большинство исследователей считает, что в пластовых условиях диспергирование газо-водо-нефтяных систем исключается. Глубинные пробы жидкости, отобранные у забоя скважины, как правило состоят из безводной нефти и воды.

Начало процесса диспергирования наступает в стволе скважины. На глубине 2000м и Р = 20 МПа 1 объемная часть нефти в состоянии растворить до 1000 объемных частей газа (раствор как бы кипит).

При подъеме нефти и понижении давления газ выделяется с такой энергией, что ее уже достаточно для диспергирования капель пластовой воды. Но наиболее устойчивые нефтяные эмульсии образуются при механическом способе, компрессорном способе добычи нефти, когда в качестве рабочего агента применяется воздух

Эмульсией называется такая система двух взаимно нерастворимых жидкостей (или не вполне растворимых), в которых одна содержится в другой во взвешенном состоянии в виде огромного количества микроскопических капель (глобул) исчисляемых триллионами на один 1 литр эмульсии.

Размер капель (глобул) прямо пропорционален количеству затраченной энергии. Т.е. чем больше этой энергии, тем меньше диаметр капель, а следовательно больше их суммарная поверхность. Увеличение суммарной поверхности капель сопровождается затратой определенной силы, которая концентрируется на границе раздела фаз и называется межфазным натяжением (поверхностным натяжением), которая в промысловых условиях проявляется в виде:

1. энергия расширения газа

2. механическая энергия

3. энергия обусловленная силой тяжести

Несмотря на то, что все нефти образуют эмульсии, способность их к эмульгированию далеко не одинакова.

Природные эмульгаторы - полярные компоненты, которые характеризуются высокими значениями поверхностного натяжения. Так Н₂О= 72,5 эрг/см² = 72,5·10^-3 Дж/м² (н/м) при 20 ⁰С, С₆Н₁₄= 18,4 эрг/см²

На стабильность эмульсии влияют свойства эмульгаторов

Физический смысл определяется работой, произведенной против силы молекулярного взаимодействия.

В эмульсиях принято различать две фазы - внутреннюю и внешнюю.

Жидкость, в которой размещаются мельчайшие капельки другой жидкости, называется дисперсной средой (или внешней средой, сплошной средой).

Жидкость, размещаемая в виде мелких капель в дисперсной среде,- дисперсной фазой (внутренней фазой, разобщенной фазой).

Классифицируется эмульсия по характеру дисперсной фазы и дисперсной среды как эмульсия прямого [Н/В] и обратного [B/H] типа:

1. прямого типа. Неполярная жидкость (нефть) находится в виде мельчайших капель в воде (полярной жидкости).

2. обратного типа. Полярная жидкость (вода) размещена в виде мелких глобул в нефти.

Тип эмульсии необходим при определении ее дисперсной среды. В эмульсиях [Н/В] внешней фазой является вода, поэтому эмульсии обладают высокой электропроводностью. Тип эмульсии зависит от объемов и внешней дисперсионной среды: та жидкость, объем которой больше, будет являться дисперсионной средой. Но если в одной из жидкости присутствуют эмульгаторы, фактор объема снижается. Эмульгаторы, гидрофобные, т.е. растворимые в нефти, образуют эмульсии типа В/Н. Гидрофильные эмульгаторы, растворимые в воде, образуют эмульсии типа Н/В. В промысловых условиях о содержании воды в нефти судят по цвету:

• до 10% H₂O цвет безводной нефти;

• 15-20% Н₂О от коричневого до желтого;

• > 25% Н₂О ярко желтый.

Нефти, не содержащие эмульгаторов и пластовой воды, не содержат солей и кислот.

Подобно по аналогии с молекулярной диффузией вводится понятие турбулентной диффузии.

Коэффициент турбулентной диффузии на 3-4 порядка больше коэффициента молекулярной диффузии.

Дробление капель жидкости и пузырьков газа происходит в результате действия мелкомасштабных пульсаций, которые создают на поверхности капель и пузырьков различные гидродинамические напоры. Начальной фазой дробления является деформация капель в эллипсоиды с критическим соотношением длины и диаметра их. В электрических полях причиной дробления является деформация их до критических размеров под действием электрических сил. И получение системы способствуют поляризация капель жидкости (деформация капли). Размер капель в эмульсии обратно пропорционален количеству затраченной энергии Е, уменьшению d_к и тем больше S_уд. Зависимость изменения удельной поверхности от размера частиц

S_уд = f(r) (5.1)

имеет вид гиперболы, левая часть коллоидные растворы правая эмульсии (дисперсные растворы).

(5.2)

Нефтяные эмульсии характеризуются следующими свойствами:

1. Дисперсность - т.е. степень раздробленности.

Дисперсность является основной характеристикой эмульсии и характеризуется тремя величинами (параметрами):

1. d_к - диаметр капли

2. 1/d_к - обратная величина диаметру капли (дисперсность)

3. S_уд - удельная межфазная поверхность

Дисперсность измеряется в основном, седиметационным методом, основанном на использовании формулы Стокса:

(5.3)

где W_н - скорость оседания шарообразной частицы, μ_г - динамическая вязкость, φ - коэффициент сопротивления среды

При значении числа Рейнольдса от 2 до 500 коэффициент сопротивления φ представлен эмпирическим уравнением

λ = 18,5∙Re^(-0,6) (5.4)

при Re > 500, φ = 0,44

2. Вязкость эмульсии – не аддитивное свойство.

μ_э ≠ μ_н + μ_в (5.5)

где μ_н - абсолютная вязкость нефти, μ_в - абсолютная вязкость воды.

, (5.6)

а измеряемая вязкость μ* называется кажущейся.

d_к может быть самым разнообразным и колебаться в пределах от 0,1 до 100мк (микрон) {10^-5–10^-2 см.

Эмульсии могут быть:

1. монодисперсные, состоящие из d_к одинакового диаметра,

2. полидисперсные, микрогетерогенные системы, видны в микроскоп,

3. коллоидные, ультрамикрогетерогенные системы.

Для оценки вязкости используются различные эмпирические формулы:

(5.7)

(5.8)

где μ_э - вязкость эмульсии, μ - внешняя вязкость, є - отношение объема диспергированного вещества к общему объему

3. Плотность эмульсии - функция почти аддитивная и потому определяется относительно легко (на основании структурно молекулярной особенности молекул)

(5.9)

где g - содержание Н₂О и растворимых солей в эмульсии, %

(5.10)

где g_o - содержание чистой воды, %, X - содержание растворимых солей в воде, %

4. Электрические свойства эмульсии. И нефть и вода, хорошие диэлектрики, (φ - удельная электропроводность). Дана в таблицах. Электропроводность нефтяных эмульсий обусловлена не только количественным содержанием Н₂О, нефти дисперсностью и количественным содержанием кислот и солей.

5. Устойчивость - способность в течении некоторого времени не разрушаться и не разделятся на нефть и воду. Устойчивость определяется следующими факторами.