Основные способы отделения воды от нефти

Для правильного выбора способов обезвоживания нефти (деэмульсации) необходимо знать механизм образования эмульсий и их свойства. Образование эмульсий уже начинается при движении нефти к устью скважины и продолжается при дальнейшем движении по промысловым коммуникациям, т.е. эмульсии образуются там, где происходит непрерывное перемешивание нефти и воды. Интенсивность образования эмульсий в скважине во многом зависит от способа добычи нефти, которая, в свою очередь, определяется характером месторождения, периодом его эксплуатации и физико-химическими свойствами нефти. В настоящее время любое месторождение эксплуатируется одним из известных способов: фонтанным, компрессорным или глубинно-насосным.

При фонтанном способе, который характерен для начального периода эксплуатации залежи нефти, происходит интенсивный отбор жидкости из скважины. Интенсивность перемешивания нефти с водой в подъемных трубах скважины увеличивается из-за выделения растворенных газов, что приводит к образованию эмульсий уже на ранней стадии движения смеси нефти с водой.

В компрессорных скважинах причины образования эмульсий те же, что и при фонтанной добыче. Особенно отрицательно влияет воздух, закачиваемый иногда вместо газа в скважину, который окисляет часть тяжелых углеводородов с образованием асфальтосмолистых веществ.

При глубинно-насосной добыче нефти эмульгирование происходит в клапанных коробках, цилиндре насоса, подъемных трубах при возвратно-поступательном движении насосных штанг. При использовании электропогружных насосов вода с нефтью перемешивается на рабочих колесах насоса и в подъемных трубах.

В эмульсиях принято различать две фазы — внутреннюю и внешнюю. Внешняя фаза — это жидкость, в которой размещаются мельчайшие капли другой жидкости. Внешнюю фазу называют также дисперсионной средой, а внутренняя фаза — это жидкость, находящаяся в виде мелких капель в дисперсионной среде [9, 22].

По характеру внешней среды и внутренней фазы различают эмульсии двух типов: нефть в воде (н/в) и вода в нефти (в/н). Тип образующейся эмульсии в основном зависит от соотношения объемов двух фаз; внешней средой стремится стать та жидкость, объем которой больше. На практике наиболее часто встречаются эмульсии типа в/н (95 %). Реже, чем эмульсии типа н/в, встречаются эмульсии третьего типа — вода в нефти в воде.

Нефтяные эмульсии характеризуются вязкостью, стойкостью, плотностью, электрическими свойствами и дисперсностью.

Вязкость нефтяной эмульсии изменяется в широких диапазонах и зависит от собственной вязкости нефти, температуры образования эмульсии, соотношения количеств нефти и воды.

Электропроводность чистых нефтей колеблется от 10 ^-9 до 10 ^-14 Ом/м, а электропроводность воды в чистом виде — от 10 ^-6 до 10 ^-7 Ом/м, т. е. смесь из этих двух компонентов является хорошим диэлектриком. Однако при растворении в воде незначительного количества солей или кислот резко повышается электропроводность воды, а следовательно, и эмульсии. Электропроводность нефтяных эмульсий увеличивается в несколько раз при нахождении их в электрическом поле. Это объясняется различной диэлектрической проницаемостью воды и нефти и ориентацией капель воды в нефти вдоль силовых линий электрического поля.

Стойкость (устойчивость) эмульсий, т. е. способность в течение определенного времени не разделяться на составные компоненты, является наиболее важным показателем для водонефтяных смесей. Чем выше устойчивость эмульсий, тем труднее процесс деэмульсации. Нефтяные эмульсии обладают различной стойкостью. При прочих равных условиях устойчивость эмульсий тем выше, чем больше дисперсность. В большой степени устойчивость эмульсий зависит от состава компонентов, входящих в защитную оболочку, которая образуется на поверхности капли.

На поверхности капли также адсорбируются, покрывая ее бронирующим слоем, стабилизирующие вещества, называемые эмульгаторами. В дальнейшем этот слой препятствует слиянию капель, т. е. затрудняет деэмульсацию и способствует образованию стойкой эмульсии. В процессе существования эмульсий происходит упрочнение бронирующей оболочки, так называемое «старение» эмульсии. Установлено, что поверхностные слои обладают аномальной вязкостью и со временем вязкость бронирующего слоя возрастает в десятки раз. Так, после суток формирования поверхностные слои эмульсий приобретали вязкость, соответствующую вязкости таких веществ, как битумы, которые практически по своим реологическим (текучим) свойствам приближаются к твердым веществам.

Наличие электрических зарядов на поверхности глобул эмульсий увеличивает их стойкость. Чем больше поверхностный заряд капель, тем труднее их слияние и тем выше стойкость эмульсии. В статических условиях дисперсная система электрически уравновешена, что повышает стойкость эмульсии.

С повышением температуры уменьшаются вязкость нефти и механическая прочность бронирующего слоя, что снижает устойчивость эмульсии. Особенно резко прослеживается влияние температуры на устойчивость эмульсий высокопарафинистых нефтей. С понижением температуры в нефти выпадают кристаллы парафина, которые легко адсорбируются на поверхности капель воды, создавая высокопрочную бронирующую оболочку.

Существенно влияет на устойчивость нефтяных эмульсий состав пластовой воды. Пластовые воды разнообразны по химическому составу, но все они могут быть разделены на две основные группы: первая группа — жесткая вода, которая содержит хлоркальциевые или хлоркальциево-магниевые соединения; вторая группа — щелочная или гидрокарбонатно-натриевая вода. Увеличение кислотности пластовых вод приводит к получению более стойких эмульсий. Уменьшение кислотности пластовых вод достигается введением в эмульсию щелочи, способствующей снижению прочности бронирующих слоев.

Основные из указанных факторов, влияющих на устойчивость эмульсий, следующие: соотношение плотностей фаз, вязкость нефти, а также прочность защитных слоев на каплях воды. Свежие эмульсии легче поддаются разрушению, поэтому обезвоживание и обессоливание целесообразнее проводить на промысле.

При проектировании сооружений обезвоживания нефти для конкретных производственных условий необходимо иметь экспериментальные данные об обводненности, качественном и количественном составе примесей, ожидаемом состоянии эмульсии. Одновременно с обезвоживанием нефти происходит и ее обессоливание, поскольку вода отделяется от нефти вместе с растворенными в ней минеральными примесями. При необходимости, для более полного обессоливания, можно дополнительно в нефть подавать пресную воду, которая растворяет кристаллы минеральных солей, и при последующем отделении минерализованной воды происходит углубленное обессоливание нефти.