ТРАНСПОРТ И ПОДГОТОВКА НЕФТИ
УДК 622.276
© Коллектив авторов, 2013
Зависимость реологических свойств водонефтяных эмульсий от содержания и минерализации водной фазы
Е.В. Кирбижекова,
И.В. Прозорова, к.х.н.,
Н.В. Юдина, к.т.н.
(Институт химии нефти СО РАН),
Н.Ю. Марголис, к.т.н,
(Национальный исследовательский
Томский государственный университет)
Адрес для связи: kirbizhekova@gmail.com
Ключевые слова: водонефтяная эмульсия, дисперсность, вязкость, тиксотропные свойства.
The effect of water phase content and salinity on the rheological properties of water-in-crude oil emulsions
E.V. Kirbizhekova, I.V. Prozorova, N.V. Yudina
(Institute of Petroleum Chemistry, Siberian Branch of RAS, RF, Tomsk),
N.Yu. Margolis (National Researche Tomsk State University,
RF, Tomsk)
E-mail: kirbizhekova@gmail.com
Key words: water-in-crude oil emulsion, dispersion, viscosity, thixotropy.
There are many oil fields that have come in advanced stage of development. The water presence in the oil leads to formation of water-in-crude oil emulsions. These emulsions can be very stable as a result of presence of polar components such as asphaltenes and resins. In this study the influence of water cut and salinity on the disperse and rheological characteristics of water-in-crude oil emulsions is investigated experimentally. The correlation between the droplet size and emulsion viscosity is established. It is found, that an increased water cut gives rise to growth of thixotropic properties and dispersed system structuring. In addition it is shown that emulsion stability decreases with increasing water phase salinity. The obtained data can be used in the implementation and prediction processes of production, collection and transportation of emulsion mixtures based on heavy paraffinic oils rich resinous and asphaltene components.
Вступление многих месторождений в позднюю стадию разработки увеличивает обводненность добываемой продукции и вызывает образование стойких водонефтяных эмульсий, что значительно осложняет механизированную добычу, подготовку и транспорт нефти. Для эффективного осуществления технологических процессов необходимы данные о вязкости эмульсий, особенно эмульсий на основе тяжелых парафинистых нефтей, обогащенных смолистоас-фальтеновыми компонентами. Для нефтей подобного состава характерно образование очень устойчивых эмульсий. Однако в настоящее время имеется достаточно ограниченный объем информации о реологических характеристиках и особенностях процессов формирования стойких водонефтяных эмульсий в зависимости от таких важных параметров, как обводненность и минерализация водной фазы.
В статье представлены результаты исследования влияния перечисленных факторов на реологические свойства обратных водонефтяных эмульсий на основе тяжелой высокопара-финистой смолистой нефти. Ее плотность в стандартных условиях составляет 921 кг/м3, массовое содержание нормальных парафиновых углеводородов, смолистых и асфаль-теновых компонентов - соответственно 20,9; 9,9 и 2,8 %.
При приготовлении эмульсии использовали перемешивающее устройство ПЭ-0118 мощностью 150 Вт с частотой вращения лопасти 2000 мин-1 в течение 10 мин. Объемное содержание дисперсной фазы составляло 10, 30, 50 и 70 %. В качестве нее использовали дистиллированную воду и пластовую воду хлор-кальциевого типа с общей минерализацией 450 г/л и плотностью 1301 кг/м3. В зависимости от общего содержания солей условно выделяют три основные группы пластовых вод: солоноватые с общей минерализацией 1-6 г/л; соленые -6-150 г/л; рассольные - выше 150 г/л [1]. В соответствии с данной классификацией для исследования было выбрано не-
сколько типов пластовых вод минерализацией 5, 50, 150, 250 и 450 г/л. Для определения вязкостно-температурных характеристик эмульсий использовали программируемый реометр Brookfield DV-III Ultra и измеритель низкотемпературных показателей нефтепродуктов (ИНПН) «Кристалл», разработанный в Институте химии нефти СО РАН. Микрофотографии исследуемых образцов снимали с помощью биологического микроскопа Axio Lab A1 (Carl Zeiss), оснащенного цифровой камерой Axiocam ERc 5s.
Как показывают исследования [2-4], на вязкость дисперсной системы значительно влияет размер частиц дисперсной фазы. Дисперсность эмульсий характеризуется тремя параметрами: диаметром капель d; дисперсностью D (обратной величиной диаметра капли; удельной межфазной поверхностью 5уд (отношение суммарной поверхности глобул S к их общему объему V). Все параметры взаимосвязаны. На основе анализа микрофотографий эмульсий с дистиллированной и пластовой водой были рассчитаны средние арифметические диаметры глобул воды. Для крупных капель овальной формы фиксировали два размера: поперечный и продольный, - и рассчитывали диаметр как среднее гармоническое, что соответствует размеру сферической капли, эквивалентной реальной деформированной.
Анализ микрофотографий эмульсий с дистиллированной водой показал, что увеличение содержания водной фазы сопровождается ростом числа и размеров глобул воды (рис. 1). При этом для эмульсий с 10%-ным содержанием дистиллированной воды характерна сферическая форма капель, т.е. отсутствуют деформирующие факторы, полидисперсная система устойчива. Дальнейшее увеличение содержания дистиллированной воды в эмульсиях приводит к образованию капель сферической формы, что свидетельствует о нестабильности в системе, приводящей к незначительной деформации жидких
Рис. 1. Микрофотография водонефтяной эмульсии с содержанием водной фазы 70 % (увеличение в 400 раз)
сфер. Капли эмульсии с 70%-ным содержанием дистиллированной воды сильно деформированы, основная их доля представлена довольно крупными агломератами.
Установлено, что с увеличением доли дистиллированной воды в составе эмульсии возрастает средний dср и максимальный dmax диаметры водных глобул и соответственно снижается дисперсность (табл. 1). Так, с увеличением содержания водной фазы от 10 до 70 % средний размер капель эмульсий возрастает от 4,4 до 7,5 мкм. Увеличение количества и размеров капель приводит к более тесному их сближению и усилению взаимодействия, что повышает вязкость эмульсий. О влиянии минерализации водной фазы на дисперсность и вязкость эмульсий в литературе встречаются отрывочные и достаточно противоречивые сведения [5-7]. Вероятно, это обусловлено разнообразием свойств нефтей и пластовых вод, которые образуют эмульсии, а также сложностью поведения таких систем. Показано, что повышение концентрации солей увеличивает размеры капель в эмульсиях и снижает степень дисперсности, что, видимо, связано с увеличением плотности пластовой воды при одном и том же объемном соотношении фаз (см. табл. 1). Для эмульсии с минерализацией водной фазы 450 г/л кристаллики соли выпадают внутри дисперсной фазы. По реологическому поведению исследуемые эмульсии являются неньютоновскими жидкостями. Напряжение сдвига с увеличением содержания водной фазы растет во всем диапазоне скоростей сдвига (рис. 2). Вязкость исходной нефти при температуре 30 °С в наименьшей степени зависит от скорости сдвига. Наибольшие изменения вязкости наблюдается при малых скоростях сдвига до 8,4 с-1: вязкость исходной нефти снижается с 837 до 428 мПа-с. Вязкость эмульсий при высоких скоростях сдвига также остается практически неизменной, кроме эмульсии, содержащей 70 % водной фазы.
Таблица 1
Рис. 2. Зависимость вязкости водонефтяных эмульсий от скорости сдвига с различными содержанием (а) и минерализацией (б) водной фазы при температуре 30 °С
При скорости сдвига, равной 8,4 с-1, для эмульсий с содержанием дистиллированной воды от 10 до 50 % вязкость увеличивается в 1,6-3,7 раза по сравнению с вязкостью исходной нефти. Вязкость 70%-ной эмульсии очень высока (см. рис. 2, а), особенно при малых скоростях сдвига, что свидетельствует о ярко выраженном в ней структурообразовании.
Согласно работе [4] связь размера частиц с вязкостью системы нелинейна и ослабевает по мере увеличения размера частиц: при диаметрах частиц более 100 мкм влияние размера на вязкость пренебрежимо мало, а при размере капель 10 мкм и менее - весьма ощутимо. В ходе исследования эмульсий с различным содержанием водной фазы установлено, что зависимость вязкости водонефтяной системы от размера глобул носит экспоненциальный характер (рис. 3) и описывается уравнением
Пср = еХР(а ■ < + Ь ■ <*ср + С),
где а, Ь, с - параметры, выборочные оценки которых (а = 0,1453, Ь = -0,7558, с = 5,9517) получены в пакете прикладных программ Statistica.
Номер образца Дисперсная фаза Содержание, % Минерализация, г/л dср, мкм | dmax, мкм й, мкм-1
1 Дистиллированная вода 10 4,4 26 0,23
2 Дистиллированная вода 30 5,3 27 0,19
3 Пластовая вода 30 5 5,6 38 0,18
4 Пластовая вода 30 50 6,1 53 0,16
5 Пластовая вода 30 150 6,2 58 0,16
6 Пластовая вода 30 250 6,4 56 0,16
7 Пластовая вода 30 450 6,7 45 0,15
8 Дистиллированная вода 50 6,6 99 0,15
9 Дистиллированная вода 70 7,5 135 0,13
10000
5000
и
га
с: 5 6000
-Л
N
о 4U0Ü
т
со
2000
/
/
/
/
Н J* -/о 4
1 2 3 4 5 6 7 Средний диаметр глобул, мкм
Рис. 3. Зависимость вязкости эмульсии от среднего диаметра глобул
Увеличение минерализации водной фазы 30%-ной эмульсии до 250 г/л снижает вязкость во всем исследуемом интервале скоростей сдвига (см. рис. 2, б), что может быть связано с увеличением размера глобул воды при неизменном соотношении фаз. Согласно работе [3] уменьшение диаметра частиц при одинаковой концентрации дисперсной фазы увеличивает вязкость системы и наоборот. Однако повышение минерализации до 450 г/л увеличивает вязкость до значения, выше, чем при минерализации 50, 150 и 250 г/л, но ниже, чем при минерализации 5 г/л. Вероятно, это связано с выпадением солей внутри дисперсной фазы, о чем свидетельствуют микрофотографии эмульсии.
По реологическим кривым зависимостей напряжения сдвига и динамической вязкости от скорости сдвига рассчитаны предельное напряжение сдвига тпред, пластическая П пласт и статическая пстат вязкости при температуре 30 оС (табл. 2). Из табл. 2 видно, что эти параме
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.