1.2. Водонефтяная эмульсия. Методы разрушения

водонефтяных эмульсий

Вода и нефть, взаимно нерастворимы (лиофобны) и при интенсивном перемешивании образуют водонефтяную дисперсную смесь (эмульсию «вода в нефти»).

Образуется такая эмульсия за счет турбулизации водонефтяной смеси при движении ее по стволу скважины, через задвижки и штуцеры и по трубопроводам от скважины до узла подготовки нефти. Структура водонефтяной эмульсии схематично показана на рис. 1

Рис.1 Структура эмульсии «вода в нефти».

1-нефть (дисперсная среда)

2-глобулы воды (дисперсная фаза)

3-оболочка

Капли (глобулы) диспергированной воды имеют диаметр (d_k) от 0,1 до 1000 мкм, и каждая из них окружена адсорбированной на поверхности глобул сольватной оболочкой – концентратом высокомолекулярных полярных веществ нефти (смолисто-асфальтовых веществ), называемых эмульгаторами. Наличие этого сольватного слоя толщиной σ создает как бы защитную «скорлупу» вокруг каждой глобулы воды, препятствующую слиянию (коалесценции) глобул даже при самопроизвольном столкновении. Интенсивность адсорбции эмульгаторов на поверхности глобул воды определяется тем, что дисперсная фаза (вода) при указанных выше размерах капель имеет огромную межфазную поверхность (десятки квадратных метров в литре нефти). На такой поверхности может адсорбироваться большое количество веществ, стабилизирующих эмульсию.

Устойчивость эмульсий зависит от следующих факторов:

1. Средний диаметр глобул воды.

Чем меньше диаметр глобулы, тем медленнее будет глобула оседать в массе нефти и тем более устойчивым будет эмульсия. Согласно формуле Стокса скорость оседания частиц (ω₀, м/с) в спокойной жидкости (Re<1) описывается формулой:

, где (1)

d_k – диаметр капли, м

- плотность воды и нефти, кг/м³

μ – динамическая вязкость нефти, Па·с.

Для того чтобы снизить устойчивость эмульсии и облегчить отделение от нее воды, необходимо, как следует из формулы (1), укрупнить капли воды.

2. Время «жизни» эмульсии.

Чем больше прошло времени с момента образования эмульсии, тем толще сольватный слой. Имеет значение и характер гидродинамических воздействий на поток нефти; чем их больше тем меньше диаметр капель, т.е. устойчивее эмульсия.

3. Физико-химических свойств нефти и химического состава эмульгированнной воды.

Из формулы 1 следует, что скорость осаждения капель при прочих равных условиях зависит от плотности нефти ( чем больше ρ_н, тем меньше ω₀).

Обратно пропорционально влияет на скорость осаждения капель воды вязкость: снижение ее (например, за счет повышения температуры) также увеличивает скорость осаждения.

4. Температура эмульсии.

Она определяет плотность и вязкость нефти. Кроме того, с повышением температуры меняются состав и толщина сольватного слоя вокруг глобул воды (за счет увеличения растворимости в нефти).

Методы разрушения водонефтяных эмульсий.

Все существующие методы подразделяют на три группы – механические, термохимические и электрохимические. Общим для всех этих методов является стремление достичь максимальной скорости осаждения ω₀ взаимодействием в той или иной степени на параметры, определяющие ее по формуле 1.

1. Механические методы. Простейшим из них является гравитационное отстаивание в сосудах большой емкости, где нефть пребывает в течение 1-2 ч. Метод малопроизводителен и в чистом виде практически не применяется.

2. Термохимический метод. Заключается в вводе в систему деэмульгатора (химического вещества), разрушающего защитную сольватную оболочку вокруг глобул воды, с осаждением коалесцированных капель воды в нагретой нефти. Метод позволяет существенно увеличить скорость осаждения капель за счет снижения плотности и вязкости нефти (нагрев до 60-100⁰С) и ускорения укрупнения капель воды.

Деэмульгатор вводят в поток нефти в количестве 5-50 г/т нефти.

Термохимический метод в чистом виде используют обычно на промыслах как метод обезвоживания нефти с большой глубиной обессоливания.

3. Электрохимический метод. Этот метод заключается в пропускании нефти через электрическое поле, преимущественно переменной промышленной частоты и высокого напряжения (15-44 кВ). В результате индукции электрического поля диспергированные капли воды поляризуются, деформируются (вытягиваются) с разрушением защитных пленок, а результате частой смены полярности электродов увеличивается вероятность их столкновения и укрупнения. Это позволяет достичь глубокой очистки нефти от воды (до 0,1% мас.).

В промысловой практике применяется электрохимический способ обезвоживания нефтей. Пластовая вода извлекается вначале в отстойниках промысла (термохимический метод), а диспергированная ее часть – в электродегидраторах (электрический способ). Нефть, поставляемая с промыслов в магистральные нефтепроводы, должна соответствовать требованиям ГОСТ Р 51858-2002 по качеству.

Для достижения глубокого обессоливания нефти электротермо-химический способ осуществляют в две или три ступени с противоточной подачей свежей воды (установки ЭЛОУ НПЗ). При смешении нефти с пресной водой создается искусственная эмульсия (но с низкой соленостью), которую затем разрушают. Число ступеней обессоливания нефти определяется содержанием солей в исходной нефти и устойчивостью эмульсии.

После глубокой очистки на установках ЭЛОУ нефтеперерабатывающих заводов поддерживается содержание воды менее 0,1% мас., солей – менее 5 мг/л; такая нефть пригодна для переработки.