Обводненность нефти и условия образования эмульсии

Лекция №3

Обводненность нефти и условия образования эмульсии

Образование эмульсий

Нефтяная эмульсия - это система нефть-вода, в которой одна из жидкостей диспергирована в другой в виде мелких капель (глобул).

Эмульсии образуются при добыче обводнённых нефтей в скважинах, промысловых трубопроводах, a также в аппаратах обессоливания нефти вследствие интенсивного турбулентного перемешивания нефтеводяной смеси. При этом на поверхностях раздела фаз происходит накопление эмульгаторов (поверхностно-активных веществ), содержащихся в добываемой жидкости (асфальтены, нафтены, смолы, парафин, соли и др.). B результате, поверхностное натяжение на границах раздела нефть-вода понижается, что способствует диспергированию капель воды (нефти).

Обводнение продуктивных пластов нефтяных месторождений вызывает серьезные осложнения при добыче, сборе и подготовке нефти, связанные с образованием водонефтяных эмульсий. Образование стойких эмульсий снижает показатели безотказности работы насосных установок из-за увеличения количества обрывов штанг ШГНУ (штанговая глубинно-насосная установка), пробоев электрической части УЭЦН (установка погружного центробежного насоса) вследствие перегрузок электродвигателя. Рост давления жидкости в системах сбора нефти и газа влечет за собой порывы коллекторов. Затрудняются сепарация газа и предварительный сброс воды.

Рекомендуемые материалы

Каждое нефтяное месторождение эксплуатируется одним из существующих способов - фонтанным, глубинно-насосным или компрессорным. В зависимости от способа эксплуатации образуются эмульсии, которые имеют различную устойчивость.

Образование эмульсии при фонтанном способе добычи нефти

Этот способ эксплуатации характерен для начального периода существования залежи, когда величина пластовой энергии является движущей силой, извлекающей нефть на поверхность земли. Пластовая энергия также характеризуется энергией краевых вод, подпирающих залежь, и энергией сжатого газа, свободного или растворенного в нефти. Присутствие газов в пластовых нефтях способствует фонтанированию скважин. По мере извлечения нефти из залежи в последней освобождается определенный объем порового пространства, занимаемый подпирающей пластовой водой. При этом граница водонефтяного контакта постоянно будет перемещаться в направлении к устью скважины. Вода при этом способствует извлечению нефти, являясь своеобразным поршнем, выталкивающим нефть из пласта в скважины. Однако полного замещения нефти водой в пластах практически не бывает.

Для продления фонтанного периода эксплуатации месторождения широко внедряются способы поддержания пластового давления (законтурное, внутриконтурное, барьерное и очаговое заводнение, закачка газа в пласты).

При фонтанном способе, когда особенно интенсивно отбирается жидкость из скважин, давление по мере движения смеси нефти и воды в подъемных трубах непрерывно падает и достигает значений ниже давления насыщения. При этом из нефти начинают выделяться растворенные газы, объем которых непрерывно возрастает. В связи с этим, скорость движения газонефтеводяной смеси соответственно увеличивается. Эти явления, происходящие уже на ранней стадии существования эмульсии (в скважине), способствуют интенсивному перемешиванию и приводят к взаимному распределению нефти и воды. Дополнительно нефть и вода перемешиваются в штуцере фонтанной скважины, в котором резко снижается пластовое давление. Причем степень перемешивания тем больше, чем больше перепад давления.

Образование эмульсии при глубиннонасосном способе

Глубиннонасосный способ соответствует уже более позднему периоду эксплуатации месторождения. По этому способу в скважины опускаются специальные насосы для извлечения жидкости на поверхность (штанговые и электроцентробежные насосы).

При глубинно-насосном способе эксплуатации также происходит эмульгирование добываемой жидкости в клапанных коробках, самих клапанах, цилиндре, в подъемных трубах при возвратно-поступательном движении насосных штанг.

При использовании электропогружных насосов перемешивание происходит в рабочих колесах насоса, а также при турбулентном движении смеси в подъемных трубах.

Образование эмульсии при компрессорном способе

Компрессорный способ, используется на завершающей стадии эксплуатации месторождения. Он заключается в подаче газа или воздуха в подъемные трубы, где они разжижают нефть, уменьшая ее плотность. В результате возникает избыточное давление в пласте, под действием которого жидкость по внутренним трубам поднимается на поверхность.

При компрессорном способе эксплуатации в результате того, что в подъемные трубы закачивается газ, в процессе подъема интенсивно перемешиваются извлекаемые из пласта нефть и вода.

На каждом месторождении наступает такой период, когда из пласта вместе с нефтью извлекается пластовая вода сначала в малых, а затем в постепенно нарастающих количествах.

При извлечении смеси нефти с водой на поверхность образуется эмульсия. Пластовая вода некоторых месторождений, образующая эмульсию нефти, содержит в своем составе большое количество солей.

Такие нефти не могут быть поданы на переработку из-за агрессивности пластовых вод, а также из-за экономической нецелесообразности транспортировки их на большие расстояния. Таким образом, вода - нежелательная примесь, вызывающая необходимость проведения специальных процессов для ее отделения с большими затратами материальных средств.

В связи с изложенным, необходимо особое внимание уделять процессам обессоливания как на нефтепромыслах, так и на нефтеперерабатывающих заводах. В нефтях, поступающих на нефтеперерабатывающие заводы Европы, допускается содержание солей в пределах 55—85 мг/л.

Общепринятой нормой содержания солей и воды в нефтях, поступающих для переработки на заводы СНГ, является до 0,1% воды при 40—50 мг/л солей.

Основные свойства нефтяных эмульсий

Большинство нефтяных эмульсий, образующихся при добыче, отличается высокой стойкостью, а воды, сопровождающие их, высокой минерализацией.

Для того чтобы правильно выбрать способ деэмульсации, необходимо знать особенности эмульсий, образующихся при добыче. Эмульсию можно рассматривать как механическую смесь двух взаимно нерастворимых жидкостей (нефти и воды), одна из которых распределяется в объеме другой в виде капель различных размеров.

В эмульсиях принято различать две фазы — внутреннюю и внешнюю.Внешнюю фазу — жидкость, в которой размещаются мельчайшие капли другой жидкости, называют дисперсионной, внешней или сплошной средой. Внутреннюю фазу — жидкость, находящуюся в виде мелких капель в дисперсионной среде, принято называть дисперсной, разобщенной или внутренней фазой.

Нефтяные эмульсии делятся на два класса:

1. Эмульсии первого порядка или прямые. Это эмульсии в которых капельки нефти являются дисперсной фазой, размещены в воде – дисперсионной среде. Такие эмульсии называют «нефть в воде» и обозначают Н/В.

2. Эмульсии второго порядка или обратные. Это эмульсии, в которых капельки воды являются дисперсной фазой и размещены в нефти – дисперсионной среде. Такие эмульсии называют «вода в нефти » и обозначают В/Н. Эмульсия второго типа наиболее часто встречается в промысловой практике 95%.

Условие образования эмульсии - понижение поверхностного натяжения на границе раздела фаз и создание вокруг частиц дисперсной фазы прочного адсорбционного слоя. Оба эти явления связаны с наличием в системе третьего вещества — эмульгатора.

К естественным эмульгаторам эмульсий относят содержащиеся в нефти асфальтены, смолы, нафтены и парафины, являющиеся природными ПАВ. Кроме того, к ним относят мельчайшие твердые частицы веществ (глина, кварц, соли и т. д.), находящихся в продукции скважин во взвешенном состоянии.

Эмульгаторы бывают гидрофильные — растворимые в воде, способствующие образованию эмульсии «нефть в воде», и гидрофобные — растворимые в нефти, способствующие образованию эмульсии «вода в нефти».

К гидрофильным эмульгаторам можно отнести желатин, крахмал, щелочные мыла; к гидрофобным — хорошо растворимые в нефти щелочноземельные соли органических кислот, смолы, тонко измельченные частицы сажи, глины и др. (легче смачиваемые нефтью, чем водой).

Компоненты парафина, металло-парафиновые комплексные соединения способны образовывать вместе с парафинами и смолами пленки, т. е. стойкие эмульсии. Присутствующие иногда в нефтях железо, медь, цинк, титан и кадмий также способствуют образованию пленок. Эти поверхностно-активные вещества адсорбируются на поверхности раздела нефти и воды, образуя прочную защитную пленку и препятствуя коалесценции диспергированной воды.

В зависимости от процентной концентрации дисперсной фазы в эмульсиях их подразделяют на:

-  разбавленные или слабоконцентрированные (дисперсной фазы менее 20 %), обладающие высокой стойкостью к разрушению;

- концентрированные (до 74 %);

- высококонцентрированные (свыше 74 %).

Физико-химические свойства нефтяных эмульсий

1 Дисперсность эмульсий.

Под дисперсностью эмульсии принято понимать степень раздробленности дисперсной фазы 1 в дисперсионной среде 2 (см. рис.1). Дисперсность является основной характеристикой  эмульсий, определяющей ее свойства.

Размеры капелек дисперсной фазы в эмульсиях изменяются от 0,1 до 100 мкм. (10^-5 – 10^{-2 см). Дисперсные системы, состоящие из капелек одного и того же диаметра, называются монодисперсными, соответственно – из капелек различного диаметра – полидисперсными. К последним относят нефтяные эмульсии.}

а) модель дисперсной системы

1 – дисперсная среда (внутренняя, разобщенная) – капельки воды;

2 – дисперсионная среда (внешняя, сплошная) – нефть.

б) зависимость удельной поверхности дисперсной системы от размера капелек жидкости:

І – коллоидные (частицы дисперсной фазы не видны невооруженным глазом);

ІІ – микрогетерогенные (видны невооруженным глазом);

ІІІ – грубодисперсные (нефтяные эмульсии)

Рисунок 1 – Дисперсные системы

Удельная поверхность всякой дисперсной системы S_уд равна отношению суммарной поверхности этой системы S к объему дисперсной фазы V. Удельную поверхность системы, содержащую сферические частицы диаметром d, определяют по формуле:

т.е. удельная поверхность обратно пропорциональна размерам частиц, и чем меньше эти частицы, тем больше удельная поверхность.

2 Вязкость эмульсий.

Вязкость эмульсий не обладает аддитивным свойством, т.е. вязкость эмульсий не равна сумме вязкостей нефти и воды. Вязкость эмульсии зависит от вязкости самой нефти, температуры, при которой создается эмульсия, количества воды, содержащейся в нефти, степени дисперсности или диаметра капель дисперсной фазы в дисперсионной среде (для эмульсий типа В/Н).

У нефтяных эмульсий и парафинистых нефтей, не подчиняющихся закону Ньютона о вязком трении вязкость изменяется в зависимости от градиента скорости движения нефти. В этом случае оперируют понятием кажущейся вязкости. На рисунке 2 приведены примеры кривых зависимости кажущейся вязкости нефтяных эмульсий от содержание воды в нефти. На рисунке 2 левая часть кривых соответствует эмульсиям типа В/Н, внешней фазой которых является нефть, а правая – эмульсиям типа Н/В, внешней фазой которых является вода.

Увеличение воды в нефтяной эмульсии до определенного предела (точки инверсии) приводит к повышению вязкости эмульсии, а следовательно, и к увеличению энергозатрат на перекачивание продукта.

Вязкость эмульсии определяют с помощью вискозиметров различных типов в лабораторных условиях.

1- тип В/Н

2- тип Н/В

Рисунок 2 – Зависимость кажущейся вязкости эмульсии от процентного содержания воды в нефти и исходной температуры смешивания

3 Плотность эмульсий.

Плотность эмульсий рассчитывают исходя из плотности и процентного содержания нефти и пластовой воды, образующих эмульсию:

или

где ρ_э, ρ_п.в., ρ_н – соответственно плотность эмульсии, пластовой воды и нефти, q – содержание воды и растворенных солей, % об, V_п.в.,V_н, V_см,– соответственно объем пластовой воды, нефти и смеси.

Величину содержание воды и растворенных солей определяют из отношения

где q₀ – содержание чистой воды в эмульсии, х – содержание растворенных солей в воде, %.

4 Электрические свойства эмульсии.

В чистом виде нефть и вода – хорошие диэлектрики. Однако даже при незначительном содержание в воде солей или кислот ее электропроводимость увеличивается в десятки раз. Поэтому электропроводность эмульсии обуславливается не только количеством содержащейся воды и степенью ее дисперсности, но и количеством растворенных в воде солей и кислот. Экспериментально установлено, что в нефтяной эмульсии, помещенной в электрическое поле, капельки воды располагаются вдоль его силовых линий, что приводит к резкому увеличению ее электропроводимости.  Объясняется это тем, что капельки воды имеют приблизительно в 40 раз большую диэлектрическую проницаемость, чем капли нефти.

Свойство капелек воды в эмульсиях располагаться вдоль силовых линий электрического поля послужило основной причиной применения этого поля для разрушения нефтяных эмульсий.

Устойчивость эмульсий, старение эмульсий

Самым важным показателем для нефтяных эмульсий является их устойчивость, т.е. способность в течение определенного времени не разрушаться и не разделяться на нефть и воду.

На устойчивость эмульсий влияет:

- дисперсность системы;

- физико-химические свойства эмульгаторов, образующих на поверхности раздела фаз адсорбционные защитные оболочки;

- наличие на капельках дисперсной фазы двойного электрического потенциала;

- температуры смешивающихся жидкостей.

Обоснуем влияние перечисленных факторов:

1 По дисперсности нефтяные эмульсии делят на:

- мелкодисперсные (размер капель 0,2-20 мкм);

- среднедисперсные (от20 до 50 мкм);

- грубодисперсные (от 50 до 100 мкм).

Чем больше дисперсность эмульсии, т.е. чем меньше капельки внутренней фазы, тем устойчивее эмульсия  при прочих равных условиях.

2 На устойчивость эмульсий огромное влияние оказывают стабилизирующие вещества (естественные ПАВ), называемые эмульгаторами, образующие на поверхности капель адсорбционные защитные оболочки, препятствующие слиянию капель. На рисунке 3-а схематично изображена такая оболочка на поверхности капли. В образовании адсорбционных оболочек участвуют вещества с высокой поверхностной активностью, такие как, асфальтены, смолы, парафины, комплексы металлов (ванадий, никель, цинк, литий, железо, титан) и тонкодисперсные неорганические вещества, состоящие из глины, песка и горных пород, содержащихся как в нефти, так и в пластовой воде.

а) изображение защитной оболочки на поверхности капли воды;

1 – толщина оболочки, 2, 3 – эмульгирующие вещества (естественные ПАВ), 4 – капли воды, 5 – нефть

б) схема двойного электрического слоя на поверхности капли воды:

1 – отрицательный заряд, 2 – положительный заряд, 3 – нефть, 4 – капля воды.

Рисунок 3 – Схема эмульгированной капли воды

3 Устойчивость нефтяных эмульсий в большой степени зависит также от заряда на поверхности капель жидкости, образующего за счет их движения двойной электрический слой, защищающий эти капли от слипания подобно адсорбционным оболочкам. Капли, имеющие на своей поверхности одинаковые заряды, будут взаимно отталкиваться (см. рис. 3-б)

4 Устойчивость нефтяных эмульсий типа В/Н зависит от температуры смешивающихся жидкостей: чем ниже эта температура, тем устойчивее полученная эмульсия. При повышении температуры эмульсии типа В/Н механическая прочность адсорбционных оболочек, особенно содержащих парафин и церезин, снижается до нуля, в результате чего капли воды сливаются и эмульсия разрушается.

Адсорбция диспергированных эмульгаторов на поверхности раздела «нефть-вода» и утолщение межфазного слоя («защитной оболочки») на этой поверхности всегда протекают во времени, поэтому эмульсия типа В/Н со временем становиться более устойчивой, т.е. происходит ее «старение». Процесс «старения» нефтяных эмульсий в начальный период происходит весьма интенсивно, затем постепенно замедляется и часто уже через сутки прекращается. «Старение» нефтяных эмульсий имеет большое значение, так как свежие эмульсии разрушаются значительно легче и быстрее, чем эмульсии подвергшиеся старению.

Исследования свойств поверхностных слоев показывают, что они обладают аномальной вязкостью, возрастающей во времени в сотни, а то и в тысячи раз. Установлено, что после 24 ч формирования поверхностные слои эмульсии приобретают вязкость, соответствующую вязкости таких веществ, как каменноугольный пек, т. е. практически по своим свойствам приближаются к прочным твердым телам. Параллельно с ростом вязкости изменяется и характер поверхностного слоя: если в первые часы слои обладают только вязкими свойствами, то в дальнейшем у них начинают проявляться и упругие свойства.

Особенности старения обратной эмульсии зависят от состава и свойств нефти, пластовой воды, условий образования эмульсии (температура, интенсивность перемешивания фаз). Пластовая минерализованная вода образует с нефтью более устойчивые и быстро стареющие эмульсии, чем пресная вода.

Влияние физико-химических характеристик нефти на устойчивость эмульсий

По физико-химической характеристике, влияющей на устойчивость образуемых эмульсий, нефти можно разбить на три группы.

1. Нефти, характеризуемые небольшими вязкостью и плотностью, незначительным содержанием силикагелевых смол, асфальтенов и большим содержанием парафина.

2. Нефти, характеризуемые средним содержанием асфальтово-смолистых веществ и большим содержанием парафина,  относительной плотностью 0,85—0,88 и вязкостью 10—19 сСт.

3. Нефти, характеризуемые большой плотностью, вязкостью, содержанием асфальтово-смолистых веществ, в несколько раз превышающим содержание их в нефти второй группы при одинаковом содержании парафина.

Влияние плотности и вязкости на устойчивость эмульсии взаимосвязано и с увеличением их значений возрастает. В тяжелых нефтях деэмульсация затрудняется и достигается при относительно высоких температурах (90° С и выше).

Нефтяные эмульсии, являясь дисперсными системами, обладают аномальной вязкостью, т. е. их движение не подчиняется закону вязкого течения Ньютона. Аномалия вязкости усиливается, если приходится иметь дело с  высокопарафинистыми нефтями, особенно при низких температурах. Причиной аномальной вязкости в дисперсных системах является образование структур из частиц дисперсной фазы, которые могут состоять как из капель эмульгированной воды, так и кристаллов парафина. Возникновение структур вызывает появление предельного напряжения сдвига, ниже которого практически течение эмульсии не наблюдается. Существование в нефтяных эмульсиях аномальной вязкости определяется температурными условиями, содержанием воды и величиной градиента скорости. Для каждой нефтяной эмульсии существуют свои предельные значения температуры и градиента скорости, выше которых вязкость — постоянная величина.

С изменением содержания воды в нефти вязкость образующейся эмульсии возрастает, что особенно заметно при обводненности свыше 20%. Это свойство имеет большое практическое значение: при эмульгировании нефти в скважинах с повышением вязкости уменьшается добыча нефти, при перекачке увеличиваются эксплуатационные расходы вследствие повышения давления на выходе насосов и т. д.

К основным характеристикам нефтяных эмульсий относят степень разрушения за определенный период времени, эффективную (в ряде случаев структурную) вязкость, средний поверхностно-объемный диаметр эмульгированных капель водной фазы. В совокупности эти параметры отражают интенсивность эмульгирования нефти, ее физико-химические свойства и адсорбцию эмульгатора.

Условия разрушения эмульсии

Процессы разрушения нефтяных эмульсий можно разделить на два этапа:

1) слияние капель диспергированной воды до размеров, достаточных для слияния их под действием силы тяжести,

2) осаждение укрупнившихся капель воды. Капли, сближаясь, постепенно выдавливают и разрушают защитные слои. Если сила взаимодействия достаточна для полного разрушения защитных слоев, капли немедленно сливаются.

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - 62. Пожарная профилактика на предприятиях.

В практике для увеличения этих сил прибегают к способам, позволяющим ускорить движение капель в определенном направлении. С этой целью нефтяные эмульсии обрабатывают в электрическом поле,  подогревают, центрифугируют.

С повышением температуры значительно улучшаются условия осаждения капель воды вследствие увеличения разности удельных весов и снижения вязкости.

Однако не скорость осаждения капель воды имеет решающее значение при расслаивании эмульсии, хотя это и имеет определенное влияние, а разрушение защитных пленок и агрегирование капель в крупные, способные преодолеть вязкость среды.

Центрифугирование производят в центрифуге, которая представляет собой вращающийся с большой скоростью ротор. Эмульсия подается в ротор по полому валу. Под действием сил инерции эмульсия разделяется, так как вода и нефть имеют разные значения плотности.

Воздействие на эмульсии электрическим полем производят в электродегидраторах, снабженных электродами, к которым подводится высокое напряжение переменного тока промышленной частоты. Под действием электрического поля на противоположных концах капель воды появляются разноименные электрические заряды. В результате капли притягиваются, сливаются в более крупные и оседают на дно емкости.

4