Свойства нефтяных эмульсий

Нефтяные эмульсии, являясь дисперсными системами, при опреде­ленных условиях обладают аномальными свойствами, т. е. являются неньютоновскими жидкостями. Как и для всех неньютоновских жид­костей, вязкостные свойства нефтяных эмульсий характеризуются кажущейся (эффективной) вязкостью.

Аномалия вязкости эмульсий усиливается, если сами нефти обладают аномальными свойствами, особенно при низких температурах. Аномальность нефтяных эмульсий объясняется образованием про­странственных структурных решеток из частиц внутренней фазы, ко­торые могут состоять как из капель воды, так и из кристаллов пара­фина. Наличие структурной решетки в эмульсии вызывает появление как динамического, так и статического напряжения сдвига. Существо­вание аномалии вязкости в нефтяных эмульсиях определяется температурными условиями и содержанием воды. Каждой нефтяной эмуль­сии соответствует свое предельное значение температуры, выше ко­торой реологические характеристики эмульсий соответствуют нью­тоновской жидкости, т. е. вязкость эмульсии становится постоянной величиной при всех градиентах скорости.

С повышением содержания воды в нефти увеличивается кажущаяся вязкость эмульсии, что наблюдается до перехода эмульсии из типа в/н в тип н/в, а затем резко снижается. Содержание воды в нефти, при которой вязкость эмульсии снижается, называется точкой инверсии.

Для измерения реологических параметров эмульсий применяют известные методы исследования неньютоновских жидкостей. Имею­щиеся зависимости, полученные эмпирическим путем, для определения вязкости эмульсий в общем случае универсальными не являются:

уравнение Эйнштейна

где μ0 —динамическая вязкость эмульсии; μ—динамическая вяз­кость дисперсионной среды; φ — отношение объема диспергирован­ного вещества к общему объему эмульсии;

Дисперсностью эмульсии принято называть степень раздроблен­ности капель внутренней фазы во внешней среде. Дисперсность ха­рактеризуется одной из трех взаимосвязанных величин: диаметром капель d; обратной величиной диаметра капель D=1/d, обычно на­зываемой дисперсностью; удельной межфазовой поверхностью, кото­рая является отношением суммарной поверхности частиц к их общему объему.

В зависимости от физико-химических свойств нефти и воды, а также от условий образования эмульсий размеры капель могут быть самыми разнообразными и колебаться в пределах от 0,1 мкм до нескольких десятых миллиметра. Критические размеры капель, которые могут существовать в потоке при данном термодинамическом режиме, опре­деляются скоростью совместного движения воды и нефти, поверхност­ным натяжением на границе раздела фаз и масштабом пульсации по­тока.

Нефтяная эмульсия, проходя по промысловым коммуникациям, оказывается в различных гидродинамических условиях, при которых может происходить как дробление, так и укрупнение капель. Наличие дополнительных факторов (нагрев, введение деэмульгаторов и др.) при определенных гидродинамических условиях может привести к раз­делению фаз эмульсии, транспортируемой по трубопроводам.

Плотность нефтяных эмульсий определяется по формуле для смеси нескольких жидкостей

где р_э, р_в, р_н — плотность эмульсии, воды и нефти при заданной тем­пературе соответственно; q— содержание воды и растворенных со­лей в нефти,q =q_B/(1—0,01 q_c),где q_в— содержание чистой воды в эмульсии; q_с— содержание растворенных в воде солей.

Электропроводность чистых нефтей колеблется от 10^-9 до 10^-14 См/м, а электропроводность воды в чистом виде — от 10^-6 до 10^-7 См/м, т. е. смесь из этих двух компонентов является хорошим диэлектриком. Однако при растворении в воде незначительного ко­личества солей или кислот резко увеличивается 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 самым важным показателем для водонефтяных смесей. Чем выше устойчивость эмульсии, тем труднее процесс деэмульсации. Нефтяные эмульсии обладают различной стойкостью. На устойчивость водонефтяных эмульсий значительное влияние оказывают следующие факторы: дисперсность системы; физико-химические свойства эмуль­гаторов, образующие оболочки вокруг капель воды; наличие на гло­булах внутренней фазы электрического заряда; температура эмуль­сии; состав пластовых вод.

При всех прочих равных условиях устойчивость эмульсий тем выше, чем больше дисперсность. Устойчивость эмульсий в большой степени 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 параметрам приближаются к твердым ве­ществам.

Наличие электрических зарядов на поверхности глобул увеличи­вает стойкость эмульсин. Чем больше поверхностный заряд капель, тем труднее их слияние и тем выше стойкость эмульсии. В статиче­ских условиях дисперсная система электрически уравновешена, что повышает устойчивость 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 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 воды достигается введением в эмульсию щелочи, способствую­щей снижению прочности бронирующих слоев.

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