Образование нефтяных эмульсий и методы их разрушения

Под нефтяными эмульсиями обычно понимают мелкодисперсную механическую смесь нефти и воды. Нефтяные эмульсии в продуктивных пластах не образуются, они могут появляться в призабойной зоне и в стволах скважин, а также при движении нефти и воды по промысловым трубопроводам и в поверхностном оборудовании. Особенно интенсивное образование нефтяных эмульсий можно наблюдать при компрессорном способе добычи нефти и при снижении давления в том случае, если используются штуцеры, где происходит сильная турбулизация потока и дробление водной фазы на мелкие капельки воды.

В образовании и увеличении стойкости эмульсии особенно сильную роль играют естественные поверхностно-активные вещества (ПАВ), находящиеся в самой нефти и пластовой воде (нафтены, асфальтены, смолы, парафин, различные механические примеси и редкие металлы), которые адсорбируются на капельках воды, образуя защитную броню сравнительно большой механической прочности. Эта броня с течением времени увеличивается в толщине и эмульсия, как говорят, «стареет».

Нефтяные эмульсии бывают двух типов—первого рода или прямого типа, когда неполярная нефть в виде капель размещается в полярной воде (сплошной фазе) и второго рода или обратного типа, когда полярная вода в виде капель размещается в неполярной (сплошной фазе) нефти. Эмульсии первого рода часто (нефть—вода) называют нефтеводяными, а второго рода (вода—нефть) — водонефтяными.

Жидкость 2, в которой размещаются мелкие капельки другой жидкости 1, называют дисперсионной (внешней, неразрывной, сплошной) средой (рис. 71а), а капельки жидкости 2, размещенные в дисперсионной среде 1 (рис. 71б) — дисперсной фазой (внутренней, разобщенной).

Рисунок 71. Нефтяные эмульсии

Нефтяные эмульсии сравнительно легко можно различать по цвету: если содержание воды в них не превышает 10%, то они имеют темно-коричневый цвет; если содержание воды достигает 25%, то цвет их становится светло-желтым; если содержание воды свыше 25%—светлым.

Нефтяные эмульсии характеризуются следующими основными физико-химическими свойствами: 1) дисперсностью и 2) вязкостью, 3) плотностью и 4) электрическими свойствами.

Дисперсность — степень раздробленности дисперсной фазы (от 0,1 до 500 мк) в дисперсионной среде. Мелкодисперсные эмульсии более устойчивы от расслоения и разрушения,.чем грубодисперсные.

Вязкость в зависимости от содержания воды может изменяться, в широких пределах, что наглядно изображено на рис. 72. Из рисунка видно, что при определенном содержании воды в нефти происходит обращение фаз В/Н → Н/В, или, как говорят, инверсия эмульсии.

Плотность определяется по одной из формул:

Здесь V_H и Q_B — соответственно расход нефти и воды, м³/с; р_эм, р_н и р_в — плотность эмульсии, нефти и воды, кг/м³; q — содержа­ние воды и растворенных солей в эмульсии, проценты по массе.

Рисунок 72. Зависимость вязкости эмульсии от температуры и содержания воды в нефти

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

Электрические свойства. Чистая нефть не проводит электрического тока, т. е. она является диэлектриком. Однако по мере ее обводненности нефть начинает проводить электрический ток и этим свойством, как увидим далее, пользуются при разрушении нефтяных эмульсий в электрическом поле.

14.3.1. Разрушение нефтяных эмульсий (обезвоживание и обессоливание нефти)

Существует несколько способов деэмульгирования (разрушения) нефтяных эмульсий типа В/Н. Приведем основные из них: 1) путевая (внутритрубная) деэмульсация с применением искусственных ПАВ, вводимых в начале сборных коллекторов; 2) гравитационное разделение (отстой); 3) центрифугирование; 4) фильтрация через твердые поверхности (гидрофильные и гидрофобные); 5) термохимическое воздействие (тепло + химреагенты ПАВ); 6) электродегидрирование; 7) сочетание перечисленных способов.

Таблица 31 Характеристика нефтей, сдаваемых нефтедобывающими предприятиями

Показатели	Норма для группы
I	II	III
Содержание воды, % Содержание хлористых солей, мг/л Содержание механических примесей, % Давление насыщенных паров в пункте сдачи, Па (мм рт. ст.)	0,5 0,05 66650 (500)	1,0 0,05 66650 (500)	1,0 0,05 66650 (500)

Для легких н средних нефтей самые эффективные первый и пятый способы, а для тяжелых нефтей — шестой и седьмой способы.

Разрушение нефтяных эмульсий, осуществляемое в промысловых условиях, преследует две цели: 1) отделение от нефти воды и вывод последней из системы транспортирования в пределах нефтяного месторождения; 2) обессоливание нефти, способствующее продлению жизни магистральных трубопроводов и заводского оборудования за счет снижения коррозии.

Минерализованная вода, содержащаяся в нефти, сильно разрушает трубопроводы и оборудование за счет коррозии. Поэтому все нефти стремятся обессолить путем подачи в них пресной воды и тщательного перемешивания смеси.

На товарную нефть, т. е. обезвоженную в основном и обессоленную, сдаваемую промыслами, утвержден ГОСТ 9956—76, согласно которому регламентируются следующие показатели примесей в нефти (табл. 31).

Товарная нефть, поступившая на НПЗ, снова подвергается очистке от воды и солей, где норма их соответственно доводится до 0.1 % и 3—5 мг/л солей.

Для обессоливания нефти в поток обезвоженной нефти добавляют пресную воду и тщательно перемешивают эти жидкости, создавая искусственную эмульсию. Затем ее направляют в отстойники, где происходит отделение воды вместе с растворенными в ней солями. В некоторых случаях для ускорения отделения воды искусственную эмульсию пропускают через электродегидраторы.

14.3.2. Деэмульгаторы (ПАВ) и требования, предъявляемые к ним

На всех нефтяных месторождениях для разрушения нефтяных эмульсий широко применяют искусственно синтезированные поверхностно-активные вещества ПАВ (деэмульгаторы), которые могут быть как водорастворимыми, так и нефтерастворимыми.

Деэмульгаторы должны обладать следующими основными свойствами: 1) быть эффективными, т. е. разрушать нефтяные эмульсии при сравнительно невысоких температурах (20—40° С) и небольших расходах деэмульгатора (30—50 г на тонну эмульсии); 2) иметь большую поверхностную активность, чтобы вытеснить естественные ПАВ, находящиеся на капельках воды в виде «брони», препятствующей слиянию этих капель; 3) быть инертными по отношению к металлам, т. е. не вызывать коррозии; и 4) быть дешевыми и транспортабельными. Деэмульгаторы дисолван, сепарол, дипроксамин и проксанол особенно эффективны при нагревании нефтяной эмульсии в специальных печах. С увеличением температуры нефтяной эмульсии, вязкость ее понижается, что способствует осаждению крупных капель за счет разности плотностей фаз, образующих эту эмульсию.

Рисунок 73. Поперечный разрез горизонтального электродегидратора

На рис. 73 показан поперечный разрез горизонтального электродегидратора, в котором производится обессоливание в основном тяжелых и вязких нефтей, прошедших установки подготовки (УПН).

Принцип действия электродегидратора следующий. Эмульсия подается через маточник 3, обеспечивающий равномерное поступ­ление ее по всему горизонтальному сечению аппарата. В горизон­тальных электредегидраторах нефтяная эмульсия проходит через три зоны обработки. В первой зоне она проходит через слой отстоя­вшейся воды, уровень которой поддерживается автоматами на 30 см выше маточника 3. В этой зоне эмульсия подвергается двойной • промывке, в результате которой она теряет основную массу воды. Затем эмульсия, поднимаясь в вертикальном направлении с не­большой скоростью, подвергается обработке сначала в зоне слабой напряженности электрического поля между уровнем отстоявшейся воды и нижним электродом 2, а затем в зоне сильной напряженно­сти между электродами 2 и 1.

Под влиянием электрического поля происходят деформации оболочек капель воды, что способствует их разрушению с последу­ющим слиянием капелек в более крупные глобулы.

Равномерность поступления эмульсии по всему горизонталь­ному сечению аппарата при движении потока вертикально вверх и ступенчатое повышение напряженности электрического поля между электродами 2 и 1 от нуля до максимального значения позволяют в данном электродегидраторе эффективно обрабатывать нефтя­ную эмульсию любой обводненности. При этом не создается опасе­ния замыкания электродов и достигается высокая степень обессоливания и обезвоживания нефти.