Министерство образования РТ
АГНИ
Кафедра химии
РЕФЕРАТ
по химии
на тему: «водонефтяные эмульсии»
Выполнил: ст.гр. 11-11
Жирнов А.Е
Проверил: Будкевич Р.Л.
Альметьевск 2003
Содержание:
КЛАССИФИКАЦИЯНЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ
ДИСПЕРСНОСТЬЭМУЛЬСИЙ
ВЯЗКОСТЬЭМУЛЬСИЙ
ВЛИЯНИЕДИСПЕРСНОСТИ ГЛОБУЛ ВОДЫ НА ВЯЗКОСТЬ
ЭМУЛЬСИЙ
ПРОГНОЗИРОВАНИЕВЯЗКОСТИ ДЕГАЗИРОВАННЫХ ЭМУЛЬСИЙ
КЛАССИФИКАЦИЯ НЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ
В эмульсиях,т.е. механических смесях нерастворимых друг в друге жидкостей (бываютгазожидкостные эмульсии), различают две фазы — внутреннюю и внешнюю.
Лиофобные,т.е. термодинамически неустойчивые, эмульсии классифицируют по полярностидисперсной фазы и дисперсионной среды, а также по концентрации дисперсной фазыв системе:
Согласнопервой классификации, различают эмульсии:
— неполярной жидкости(нефти) в полярной воде -эмульсии первого рода, или прямые (М/В),;
— эмульсии полярной жидкостив неполярной средеэмульсии второго рода, или обратные (В/М).
Жидкость, в которойсодержатся мелкие капли другой жидкости,называют дисперсионной средой(внешней, неразрывной, сплошной), а капли жидкости, размещенные вдисперсионной среде,
— дисперсной фазой (внутренней, разобщенной).
В эмульсиях М/В внешнейфазой является вода, и поэтому они смешиваются с водой в любых отношениях иобладают высокой электропроводностью, в то время как эмульсии В/М смешиваютсятолько с углеводородной жидкостью и не обладают заметной электропроводностью.Установлено, что тип образующейся эмульсии в основном зависит от соотношенияобъемов нефти и воды; дисперсионной средой (внешней) обычно стремится стать тажидкость, объем которой больше.
Иногда нефтяные эмульсииклассифицируют по концентрации дисперсной фазы в дисперсионной среде, в связис чем они подразделяются на три типа: разбавленные, концентрированные и высококонцентрированные.
К разбавленным эмульсиямотносят системы жидкость — жидкость, содержащие до 0,2. объем. % дисперснойфазы; к концентрированным эмульсиям — с содержанием дисперсной фазы до 74объем. %; к высококонцентрированным — с содержанием дисперсной фазы свыше, чем74 объем. %.
Особенности разбавленныхэмульсий:
1) незначительный диаметркапель дисперсной фазы (10'5 см);
2) наличиена каплях электрических зарядов;
3) низкаявероятность их столкновения;
4) высокаястойкость.
Особенностиконцентрированных эмульсий:
1)капли имеют относительнобольшие размеры и могут седиментировать;
2) могут быть какустойчивыми, так и неустойчивыми.
Особенностивысококонцентрированных эмульсий:
1) капли (одиночные) дисперснойфазы практически не способны к седиментации;
2) вследствие большойконцентрации могут быть деформированы.
Размеры капель дисперснойфазы в эмульсиях могут быть самыми разнообразными и колебаться в пределах от0,1 до 100 и более
мкм. Нефтяные эмульсииотносятся к полидисперсным системам, т.е. к системам, содержащим частицы самыхразных размеров. Нефтяные эмульсии характеризуются следующими основнымифизико-химическими свойствами: дисперсностью, вязкостью, плотностью иэлектрическими свойствами. Кратко остановимся на этих свойствах эмульсий.
ДИСПЕРСНОСТЬ ЭМУЛЬСИЙ
Поддисперсностью эмульсий понимаютстепень раздробленности дисперсной фазы вдисперсной среде. Дисперсность является важной характеристикой эмульсий,определяющей их свойства. Дисперсность эмульсий характеризуется тремявеличинами: диаметром капелек d, обратной величиной диаметра капельки D= 1/d, называемой обычно дисперсностью,удельной межфазной поверхностью, т.е. отношением суммарной поверхности глобул кобщему их объему. Все эти величины взаимосвязаны.
Чем больше удельнаяповерхность, чем более стойкой является эмульсия, тем будет больше расходдеэмульгатора для разрушения бронирующихоболочек на глобулах воды.
Дисперсные системы,состоящие из капель различного диаметра называютсяполидисперсными.Нефтяные эмульсии относятся к полидисперсным системам.
Удельная поверхностьдисперсной системы Sудравна общей поверхности между фазами S, деленной на объем дисперсной фазы V. Удельнуюповерхность эмульсий, содержащих в дисперсной фазе сферические частицыдиаметромd, определяютпо формуле:
/>
Из формулывидно, что удельная поверхность обратно пропорциональна размеру капель.
ВЯЗКОСТЬ ЭМУЛЬСИЙ
Вязкость нефтяных эмульсий — не аддитивное свойство, т.е.
/>
где /> и /> — абсолютные вязкости нефтии воды, и она зависит от следующих основных факторов:
1) вязкости самой нефти;
2) температуры, при которойформируется эмульсия;
3) количества содержащейсяводы в нефти;
4) степени дисперсности, илидиаметра капель дисперсной фазы в дисперсионной среде (для эмульсий типа В/Н).
У нефтяных эмульсий, как и упарафинистых нефтей, не подчиняющихся закону Ньютона, вязкость /> изменяется в зависимости отградиента скорости. В этом случае /> называюткажущейся вязкостью.
Основной причиной аномалиивязкости эмульсий является деформация диспергированных частиц, возникающая впроцессе увеличения напряжения сдвига. С возрастанием приложенной силы каплиэмульгированной жидкости удлиняются, превращаясь из шариков в эллипсоиды, чтозатрудняет течение и приводит к повышению кажущейся вязкости эмульсии.
Над изучением вязкостидисперсных систем и, в частности, эмульсий работали многие исследователи,которые предложили несколько уравнений для расчета вязкости систем с различнымсодержанием диспергированного вещества.
А. Эйнштейн предложил следующую формулу:
/>
где />-цязкостьэмульсии; /> — вязкость дисперсионнойсреды (нефти);/> - коэффициент обводненности- отношение объема дисперсной фазы (воды) к общему объему системы (воды +нефти). Формула справедлива только при низких концентрациях диспергированноговещества (воды).
При выводе формулы предполагалось, чтодиспергированные частицы имеют вид упругих шариков, диаметр которых мал по сравнениюс расстоянием между ними.
Позднее была установлена возможность использованияформулы Эйнштейна при обводненности нефти до 15%. Тейлор предложил следующуюформулу
/>
где />—вязкость эмульсии; /> — вязкость внутренней фазы; /> - вязкость внешней фазы.Но и она не позволяет достаточно точно определять вязкость эмульсий.
Одной из таких болееуниверсальных формул является формула Монсона, полученная на калифорнийских нефтях:
/>
Однако она применима, как указывает сам автор, для эмульсий, вкоторых/>
В формуле не учитывается влияние размеров капельводы на величину вязкости эмульсии, что противоречит выводам, сделанным П.А.Ребиндером.
ВЛИЯНИЕ ДИСПЕРСНОСТИ ГЛОБУЛ ВОДЫ НА ВЯЗКОСТЬЭМУЛЬСИЙ
Уменьшение размера частицпри одинаковой концентрации дисперсной фазы приводит к увеличению вязкостисистемы. Связь эта нелинейна и ослабевает по мере увеличения размера частиц.Установлено, что при диаметрах частиц более 100 мкм влияние их размера навязкость системы становится пренебрежимо малым и оно становится весьмаощутимым, когда размер капель достигает 10 и менее мкм.
27
Опираясь на исследования идр. автором в была предложена формула и графики, учитывающие влияние навязкость дегазированных эмульсий размеров глобул воды при различной обводненности.
Из графика видно,что влияние дисперсности на увеличение вязкости эмульсии весьма существенна принебольших размерах капель, но оно быстро ослабевает при увеличении их размеровдо 120-160 мкм.
/>
Зависимость />:
1, 2, 3 — соответственно при /> равном0,2; 0,3; 0,4; 4 — экспериментальные данные Б.А. Соломыкова при (/>-0,3; /> - содержание воды в нефти вдолях единицы; а — размер глобул, мкм.
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВЯЗКОСТИ ДЕГАЗИРОВАННЫХ ЭМУЛЬСИЙ
При составлении проектовразработки и обустройства нефтяных месторождений необходимо располагатьданными о вязкости разгазированных водонефтяных эмульсий при различнойтемпературе в широком диапазоне обводненности (10-60 %). Однако таких данных,как правило, не хватает в связи с неразбуренностью месторождения и небольшимчислом скважин, прошедших стадию пробной эксплуатации. Поэтому проблемапрогнозирования вязкости водонефтяных эмульсий по ограниченному объемуматериалов и небольшому числу параметров всегда весьма актуальна. Наиболеечасто известными параметрами оказываются вязкость безводной нефти понескольким скважинам и заданные значения обводненности и температуры.
Особенно важно располагатьпрогнозными данными по месторождениям и залежам тяжелых нефтей плотностью900-930 кг/м3, объем добычи которых постоянно возрастает. Какотмечалось, на вязкость эмульсии существенно влияет степень дисперсностиглобул
воды. При проектированиипринимают максимальные значения вязкости эмульсий, соответствующие размерамглобул воды в нефти в
промысловых условиях порядка 3-10 мк.
Для приготовленияискусственных эмульсий безводные нефти скв. 1, 2, 3 плотностью соответственно910, 913 и 930 кг/м3 и вязкостью 74, 90, 144 мПа-с при температуре20°С использовалась лабораторная четырехлопастная мешалка и соленая пластоваявода плотностью 1,17 кг/м3 обеспечивающая дробление капельпластовой воды до размера 3-10 мк. Стабильность приготовленных эмульсийпроверяли путем статического отстоя при температуре 20-22°С в течение 120 мин.Они считались стабильными, если количество выделившейся свободной воды непревышало 0,5% ее исходного содержания.
Вязкость безводных нефтей иискусственных эмульсий определяли на ротационном вискозиметре типа ФАНН, гдеих выдерживали при заданной температуре в течение 10 мин. Показания снималипосле включения ротора при частотах вращения п, равных 600, 300, 200 и 100мин"1. Так как способы эксплуатации скважин, количествоизвлекаемой жидкости и обводненность нефти в процессе разработки месторожденийпостоянно изменяются, что влияет на скорость движения жидкости и степеньдисперсности эмульсий, пропускную способность трубопроводов обычнорассчитывают по усредненным значениям вязкости эмульсий в диапазоне градиентовскоростей 0,2-1,2 м/с. Усредненный расчетный градиент скорости был принятравным
0,56м/с.
Кажущуюсядинамическую вязкость нефти и эмульсий определяли по формуле
/>=SФfc
где S — фактор скорости (для n, равной 600, 300, 200 и 100мин-1 S соответственно равен 0,5;1; 1,5 и 3); Ф — показание шкалы вискозиметра; f- коэффициент пружины (1 и10); с = 1 — коэффициент ротора.
Закономерностиизменения вязкости эмульсий в зависимости от обводненности при температурепроцесса 30-50°С оказались практически одинаковыми. Из этого следует, чтовязкость свежесформированных эмульсий различной обводненности при прочихравных условиях (температура и др.) определяется в основном вязкостью безводныхнефтей. Следовательно, в первом приближении темп увеличения вязкости эмульсииможно считать пропорциональным коэффициенту обводненности />, равному отношению вязкостиэмульсии />, замеренной при температуреt, к вязкости безводной нефти г|о(ф определенной при той же температуре.
Значения /> при температуре t = 20-60°Си обводненности w= 0-60%, рассчитанные по экспериментальным данным. Cредние значения /> для различных типов нефтейпри одном и том же w для всех скважин достаточно хорошо совпадают иувеличиваются с повышением w. Аналогичные закономерности изменения /> и /> в зависимости от wполучены и для эмульсий, сформированных опресненными водами.
Для исключения промежуточныхзамеров вязкости безводной нефти при разных температурах был введен поправочныйбезразмерный коэффициент/>, равный отношению вязкостибезводной нефти при t = 20°С к вязкости этой же нефти при температуре t(x). Значения коэффициентов /> рассчитанные поэкспериментальным данным. После соответствующих преобразований линейнойзависимости />, от t(x) получена формула
/> = 0,0733t(x) — 0,632.
С учетом этоговыражения можно ориентировочно рассчитывать прогнозные значения вязкостиобводненной нефти при заданных температурах по известной вязкости безводнойнефти при фиксированной температуре t(x) и значению параметра />.
Анализ показал, чторассматриваемая методика оценки прогнозной вязкости приемлема для w