Эмульсия
Нефтяные эмульсии — это механическая смесь нефти и пластовой воды, нерастворимых друг в друге и находящихся в мелкодисперсном состоянии.
- в эмульсии нефть/вода дисперсионной средой является вода, и поэтому такая эмульсия смешивается с водой в любых соотношениях и обладают высокой электропроводностью,
- в эмульсии вода /нефть дисперсионной средой является нефть, и эмульсия смешиваются только с углеводородной жидкостью и не обладают достаточной электропроводностью.
В настоящее время эмульсионные составы применяются в различных процессах добычи нефти и газа:
- в процессах первичного и вторичного вскрытия продуктивных пластов,
- при глушении скважин,
- при обработках призабойной зоны пласта,
- процессах повышения нефтеотдачи.
В каждом случае используются определенные типы эмульсий и специально подобранные с учетом необходимых физико-химических свойств эмульсионные составы.
Основные физико-химические свойства нефтяных эмульсий.
Дисперсность эмульсии — это степень раздробленности дисперсной фазы в дисперсионной среде.
Дисперсность — основная характеристика эмульсии, определяющей их свойства.
Размеры капелек дисперсной фазы в нефтяных эмульсиях 0,1 — 100 мкм.
Вязкость эмульсии — зависит от
— вязкости самой нефти,
— температуры, при которой получается эмульсия,
— количества воды, содержащейся в нефти,
— степени дисперсности,
— присутствия механических примесей (особенно сульфида железа FeS),
— рН воды.
Вязкость нефтяных эмульсий не обладает аддитивным свойством, т. е. вязкость эмульсии не равна сумме вязкости нефти и воды.
При содержании воды в нефти свыше 20 % вязкость эмульсии резко возрастает.
Максимума вязкость достигает при критической концентрации воды, характерной для данного месторождения. При дальнейшем росте концентрации воды вязкость эмульсии резко уменьшается.
Эмульсия типа нефть /вода транспортируется при меньших энергетических затратах, чем эмульсия типа вода/нефть.
Электрические свойства эмульсий.
Нефть и вода в чистом виде — хорошие диэлектрики.
Электропроводимость нефти (удельная) 2∙10 −10 — 0,3∙10 −18 Ом −1 ∙см −1 , а воды 10 −7 — 10 −8 Ом −1 ∙см −1 .
Наличие в воде растворенных солей или кислот увеличивает электропроводимость в 10 ки раз.
В нефтяных эмульсиях, помещенных в электрическом поле, капли воды располагаются вдоль его силовых линий, что приводит к резкому увеличению электропроводимости этих эмульсий. поскольку капли воды имеют в 40 раз большую диэлектрическую проницаемость, чем нефти.
Этот метод используется для разрушения нефтяных эмульсий.
Устойчивость нефтяных эмульсий и их старение (стабильность) — способность в течение определенного времени не разрушаться и не разделяться на нефть и воду.
В процессе перемешивания нефти с пластовой водой, вода дробится на мелкие капельки (глобулы), на поверхности которых адсорбируются частицы эмульгатора и образуют пленку, препятствующую слиянию глобул.
Устойчивость нефтяных эмульсий зависит:
- дисперсность системы,
- физико-химические свойства эмульгаторов, образующих на поверхности раздела фаз адсорбционные защитные оболочки;
- наличие на глобулах дисперсной фазы двойного электрического заряда;
- температура смешивающихся жидкостей;
- величина рН эмульгированной пластовой воды.
Источник
Разрушение водонефтяных эмульсий
Существуют следующие способы разрушения нефтяных эмульсий:
Ø гравитационное холодное разделение (отстаивание);
Ø разделение в поле центробежных сил (центрифугирование);
Ø электрическое воздействие;
Ø термическое воздействие;
Ø внутритрубная деэмульсация;
Ø воздействие магнитного поля.
Отстаивание применяют при высокой обводненности нефти и осуществляют путем гравитационного осаждения диспергированных капель воды. На промыслах применяют отстойники периодического и непрерывного действия разнообразных конструкций*. В качестве отстойников периодического действия обычно используют сырьевые резервуары, при заполнении которых сырой нефтью происходит осаждение воды в их нижнюю часть. В отстойниках непрерывного действия отделение воды происходит при непрерывном прохождении обрабатываемой смеси через отстойник. В зависимости от конструкции и расположения распределительных устройств движение жидкости в отстойниках осуществляется в преобладающем направлении v горизонтально или вертикально.
Фильтрацию применяют для разрушения нестойких эмульсий. В качестве материала фильтров используются вещества, не смачиваемые водой, но смачиваемые нефтью. Поэтому нефть проникает через фильтр, а вода v нет.
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.
Термическое воздействие на водонефтяные эмульсии заключается в том, что нефть, подвергаемую обезвоживанию, перед отстаиванием нагревают до температуры 45-80 0С. При нагревании уменьшается прочность слоев эмульгатора на поверхности капель, что облегчает их слияние. Кроме того, уменьшается вязкость нефти и увеличивается разница плотностей воды и нефти, что способствует быстрому разделению эмульсии. Подогрев осуществляют в резервуарах, теплообменниках и трубчатых печах.
Внутритрубную деэмульсацию проводят посредством добавления в эмульсию химического реагента-деэмульгатора. Это позволяет разрушать эмульсию в трубопроводе, что снижает ее вязкость и уменьшает гидравлические потери.
Для каждого состава нефти подбирают свой наиболее эффективный деэмульгатор, предварительно оценив результаты отделения пластовой воды в лабораторных условиях.
Любое органическое вещество, обладающее моющими свойствами, может с той или иной эффективностью использоваться в качестве деэмульгатора.
Существует большое количество деэмульгирующих композиций для обезвоживания и обессоливания водонефтяных эмульсий на основе*:
Ø алкилбензосульфоната кальция и алкансульфоната натрия;
Ø азотсодержащих соединений;
Ø оксиэтилированного алкилфенола и тримеров пропилена;
Ø блоксополимера окисиэтилена и пропилена;
Ø глутарового альдегида,
Ø продуктов оксиалкилирования с подвижным атомом водорода и метилдиэтилалкоксиметилом аммония метилсульфатом.
Высокоэффективные деэмульгаторы, применяемые на нефтепромыслах и нефтеперерабатывающих заводах для обезвоживания и обессоливания нефти, содержат смесь ПАВ различных структур и модификаций, которые, как правило, являются синергистами*.
Теории, объясняющие механизм действия деэмульгаторов, разделяют на две группы**:
Ø — физическая, предполагающая протекание физической адсорбции молекул деэмульгатора на коллоидных частицах, разрыхляющее и модифицирующее действие деэмульгаторов на межфазный слой, которое способствует вытеснению и миграции молекул (частиц) стабилизатора в ту или иную фазу;
Ø — химическая, основанная на предположении о преобладающей роли хемосорбции молекул деэмульгатора на компонентах защитного слоя с образованием прочных химических связей, в результате чего природные стабилизаторы нефти теряют способность эмульгировать воду.
Согласно общепринятой в настоящее время теории, разработанной под руководством академика П.А. Ребиндера, при введении ПАВ в нефтяную эмульсию на границе раздела «нефть — вода» протекают следующие процессы. ПАВ, обладая большей поверхностной активностью, вытесняет природные стабилизаторы с поверхности раздела фаз, адсорбируясь на коллоидных или грубодисперсных частицах природных стабилизаторов нефтяных эмульсий.
Молекулы деэмульгаторов изменяют смачиваемость, что способствует переходу этих частиц с границы раздела в объем водной или нефтяной фаз. В результате происходит коалесценция.
Таким образом, процесс разрушения нефтяных эмульсий является в большей степени физическим, чем химическим и зависит от:
Ø компонентного состава и свойства защитных слоев природных стабилизаторов;
Ø типа, коллоидно-химических свойств и удельного расхода применяемого деэмульгатора;
Ø температуры, интенсивности и времени перемещения нефтяной эмульсии с деэмульгатором.
Технологический эффект применения деэмульгатора заключается в обеспечении быстрого и полного отделения пластовой воды при его минимальном расходе.
Как правило, подбор высокоэффективного, оптимального для конкретной водонефтяной эмульсии деэмульгатора осуществляют эмпирически*. Это обусловлено тем, что в зависимости от технологии добычи и подготовки нефти, ее химического состава, физико-химических свойств и обводненности, минерализации пластовой воды, наличия в ней механических примесей и других факторов к деэмульгатору предъявляются специфические требования.
Кроме того, проблема подбора оптимального деэмульгатора возникает вследствие роста обводненности нефти и изменения состава стабилизаторов водонефтяной эмульсии. Последнее обусловлено применением химических реагентов для повышения нефтеотдачи пласта, обеспечения его гидроразрыва, а также для защиты промыслового оборудования от АСПО.
На нефтегазодобывающих предприятиях нашел также применение метод предотвращения образования стойких эмульсий (метод искусственного увеличения обводненности нефти.
Сущность метода заключается в возврате на прием насоса некоторой части добываемой воды, расслоившейся в отстойной расширительной камере или в поле центробежных сил. Избыток водной фазы, образовавшейся в насосе, приводит к переходу водонефтяной смеси из одной структуры потока в другую. Вязкость образовавшейся прямой эмульсии в десятки и сотни раз меньше вязкости обратных эмульсий.
В соответствии с этим резко снижается и стойкость прямых эмульсий, что создает благоприятные условия для отделения водной фазы и возвращения некоторого ее объема на прием насоса. Подачу оборотной воды на прием насоса можно осуществить самоподливом в затрубное пространство скважины, без применения дополнительных перекачивающих органов.
Метод самоподлива предполагает потерю производительности установки за счет рециркулируемой части водной фазы. Однако многократное снижение вязкости нефти в колонне труб позволяет существенно увеличить коэффициент подачи установок, что не только компенсирует потерю, но и в ряде случаев повышает производительность насосов.
Предупреждение образования стойких эмульсий в скважинах с механизированной добычей позволяет также снижать давление в системах промыслового сбора нефти и газа и улучшать условия разрушения эмульсий в пунктах подготовки нефти.
5.3.2. Аппараты для магнитной обработки
водонефтяных эмульсий типа УМП
Электромагнитные установки УМП (ТУ 39-80400-007-99) разработаны авторами при участии А.Б. Лаптева, В.И. Максимочкина, В.С. Кузнецова для обработки водонефтяных эмульсий и вод системы ППД.
Разработано три типа установок, отличающиеся конструкцией индуктора и блоком управления.
Установка УМП-108-014 разработана по заданию ОАО «Белкамнефть» для обработки водонефтяной эмульсии Вятской площади Арланского месторождения и включает индуктор, соединенный кабелем с блоком управления (рис. 1).
 блок управления |  индуктор установки |
Рис. 1 Электромагнитная установка УМП-108-014:
На рис.1 представлен блок управления, который состоит из генератора гармонических колебаний с фиксированными частотами, усилителя мощности и батареи конденсаторов.
Технические характеристики УМП-108-014:
1. Установка позволяет создавать магнитное поле на 10 фиксированных частотах: 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 и 100 Гц.
2. Индуктор обеспечивает создание магнитного поля в зазоре шириной не более 110 мм.
3. Максимальное значение индукции магнитного поля в зазоре электромагнита при внутреннем сердечнике представлены в табл. 3.
4. Постоянная установки по току возбуждения: 2 мТл/мкА.
5. Погрешность частоты не превышает 
1 Гц.
6. Максимальное значение напряжения на выходе усилителя мощности 50 В, максимально допустимый ток 7 А кратковременно.
7. Питание: 220 В, 50 Гц.
8. Температура окружающего воздуха: для блока управления — -10 — +20 о С; для индуктора -50 — +50 0С.
Индуктор установки состоит из магнитопровода, изготовленного из трансформаторного железа, между полюсами которого помещена труба из нержавеющей стали. Внутри трубы размещена вставка из трансформаторного железа- магнитный сердечник. Для возбуждения магнитного поля на полюса надеты катушки из провода диаметром 1,2 мм по 400 витков.
Рис. 2 Схема установки УМП-108-014
На рис. 3 представлены значение индукции магнитного поля от частоты.
Рис. 3 Значение индукции от частот
Схемотехнически установка УМП-108-014 выполнена с использованием блочной архитектуры (рис. 4).
 | ||
| Блок питания | ||
|
генератор
усилительРис. 4 Электрическая схема установки УМП-108-014
Блоки выполнены в виде отдельных плат и соединены между собой двенадцатижильным кабелем с разъемами.
Блок питания выполнен по трансформаторной схеме с общей точкой и вырабатывает три значения двухполярных напряжений: 12вольт стабилизированное, применяемое для питания задающего генератора; 50 и 60 вольт нестабилизированное, применяемые для питания оконечного усилителя мощности. Все три цепи питания гальванически развязаны как с питающей сетью, так и друг с другом. Задающий генератор выполнен в виде прямого тонового генератора с дискретно регулируемой RC-цепочкой в цепи положительной обратной связи.
Для предотвращения возможного срыва генерации в цепи отрицательной обратной связи установлен управляемый значением выходного напряжения источник тока. Блок оконечного усилителя выполнен по линейной бестрансформаторной схеме. Для увеличения выходной мощности и к.п.д. оконечного каскада,последний выполнен на полевых транзисторах высокой мощности по двухтактной двухступенчатой схеме класса А. Так как к данному блоку предъявляются не слишком высокие требования в области внесения искажений (коэффициент гармоник допустим в пределах 3-5 %), то коррекция в цепи отрицательной обратной связи ограничена введением местных ООС на каждом каскаде усиления.
Установка УМП-159-006 (рис.5) состоит из блока управления и соединяемого с ним внешнего индуктора с сердечником, врезаемого в трубопровод.
 блок управления; |
 индуктор установки |
Рис. 5 Электромагнитная установка УМП-159
Поток жидкости обрабатывается переменным магнитным полем, направленным поперек потока. Форма изменения напряженности магнитного поля- синусоида. Индуктор соединяется с блоком управления двухжильным кабелем.
Индуктор (рис.6) состоит из магнитопровода, изготовленного из трансформаторного железа, между полюсами которого помещается труба из стеклопластика.
На рис.6 прдставлены конструктивные характеристики индикатора Электромагнитная установка УМП-159
 Принятые обозначения: 1- сердечник (внутренняя часть магнитопровода), 2- труба из немагнитного материала, 3 — обмотка, 4 — торцевая часть магнитопровода, 5 — внешняя часть магнитопровода. |
Рис. 6 Конструктивные характеристики индикатора Электромагнитная установка УМП-159
Внутри трубы помещается сердечник из трансформаторного железа. Возбуждение магнитного поля в контуре производиться обмоткой из медного провода диаметром 0,6 мм в 1200 витков.
Блок управления состоит из генератора гармонических колебаний с фиксированными частотами, усилителя мощности и батареи конденсаторов, которая последовательно соединяется с индуктором (блок-схема установки УМП-159-006 на рис. 7).
 Принятые обозначения1 — генератор, 2 — усилитель мощности, 3 — батарея конденсаторов, 4 — индуктор, 5- амперметр. |
Рис. 7 Блок-схема установки УМП-159-006
Технические характеристики УМП-159-006:
1. Установка позволяет создавать магнитные поля дискретно на частотах 11, 15, 19, 23,27, 31 Гц.
2. Индуктор обеспечивает создание магнитного поля в кольцевом зазоре размером 35 мм между внутренним и внешним магнитопроводами.
3. Постоянная установки по току возбуждения: 26 мТл/А.
4. Погрешность частоты не превышает 0,5 Гц.
5. Максимальное значение напряжения на выходе усилителя мощности 65 В, максимально допустимый ток 6 А кратковременно.
6. Питание: 220 В, 50 Гц.
7. Температура окружающего воздуха для блока управления и индуктора -10 — +30 о С.
Установка УМП-325-005 состоит из блока управления, расположенного в металлическом корпусе с замком и соединяемого с ним внешнего индуктора с сердечником, врезаемого в трубопровод. Поток жидкости обрабатывается переменным магнитным полем с импульсным изменением напряженности, направленным поперек потока. Индуктор соединяется с блоком управления кабелем (рис. 7).
 блок управления |  индуктор установки |
Рис. 8 Электромагнитная установка УМП-325-005
Схематический разрез конструкции индуктора представлена на рис. 9 Индикатор состоит из центрального магнитопровода 1, на который навита обмотка 2, боковых магнитопроводов 3 и магнитопровода 4, примыкающего к внутренней стенке трубы 5.
Рис. 9 Схема конструкции индуктора магнитной установки УМП
Технические характеристики электромагнитной установки УМП-325-005 приведены в таблице 9.
Таблица 9 Технические характеристики установки УМП-325-005:
| Диаметр проходного канала, мм | 100 |
| Площадь перекрываемого сечения, мм 2 | 7850 |
| Величина магнитной индукции, Тл | 0,1 |
| Частота изменения переменного магнитного поля, Гц | 10 — 100 |
| Дискретность регулировки частоты магнитного поля, Гц | 10 |
| Максимальная мощность установки, кВт | 0,3 |
| Максимальная температура перекачиваемой жидкости, о С | 100 |
| Максимальное давление перекачиваемой жидкости, МПа | до 6,4 |
| Тип присоединения к трубопроводу | Фланцевое по ГОСТ 12821-80 |
Электромагнит индуктора расположен непосредственно в потоке обрабатываемой жидкости, и может создавать незначительные гидравлические сопротивления.
Блок управления установки предназначен для эксплуатации в закрытых помещениях с температурой от -20 до +500 о С. (при температуре окружающего воздуха ниже-100 о С необходимо закрыть вентиляционные отверстия металлического корпуса установки).
Индуктор устанавливается на открытом воздухе (допускается заглубление) при температурах от-50 до +500 о С (при условии, что перекачиваемая жидкость имеет температуру 10.800 о С).
Так как индуктор имеет значительную массу, запрещается его установка в подвешенном состоянии. Токоввод на индукторе должен находиться в вертикальном положении. Токоввод залит для герметизации полимерной композицией. При установке индуктор подключается высоковольтным бронированным кабелем РПШ-2х2,5 длиной до 100 метров к блоку управления при отключенном питании установки.
Сечение каждой жилы кабеля определяется по табл. 10.
Таблица 10 Зависимость сечения кабеля от расстояния индукторvблок управления
| Расстояние от индуктора до блока управления, метров | Сечение каждой жилы кабеля, мм |
| 1-10 | 3 |
| 10-25 | 4 |
| 25-50 | 6 |
| 50-100 | 8 |
Установка питается от трехфазной четырехпроводной электрической сети (подключается идущим в комплекте кабелем РПШ-4х2,5). Хотя работоспособность сохраняется и при питании от однофазной сети, подобный режим работы ведет к перегреву цепей гальванической развязки и выходу установки из строя.
Источник
