4.3. Основные способы отделения воды от нефти

Для правильного выбора способов обезвоживания нефти (деэмульсации) необходимо знать механизм образования эмуль­сий и их свойства. Образование эмульсий уже начинается при движении нефти к устью скважины и продолжается при дальнейшем движении по промысловым коммуникациям, т.е. эмульсии образуются там, где происходит непрерывное пере­мешивание нефти и воды. Интенсивность образования эмуль­сий в скважине во многом зависит от способа добычи нефти, которая, в свою очередь, определяется характером месторож­дения, периодом его эксплуатации и физико-химическими свойствами нефти. В настоящее время любое месторождение эксплуатируется одним из известных способов: фонтанным, компрессорным или глубинно-насосным.

При фонтанном способе, который характерен для началь­ного периода эксплуатации залежи нефти, происходит интенсивный отбор жидкости из скважины. Интенсивность пере­мешивания нефти с водой в подъемных трубах скважины увеличивается из-за выделения растворенных газов, что при­водит к образованию эмульсий уже на ранней стадии движе­ния смеси нефти с водой.

В компрессорных скважинах причины образования эмуль­сий те же, что и при фонтанной добыче. Особенно отрица­тельно влияет воздух, закачиваемый иногда вместо газа в скважину, который окисляет часть тяжелых углеводородов с образованием асфальтосмолистых веществ.

При глубинно-насосной добыче нефти эмульгирование про­исходит в клапанных коробках, цилиндре насоса, подъемных трубах при возвратно-поступательном движении насосных штанг. При использовании электропогружных насосов вода с нефтью перемешивается на рабочих колесах насоса и в подъем­ных трубах.

В эмульсиях принято различать две фазы — внутреннюю и внешнюю. Внешняя фаза — это жидкость, в которой размещаются мельчайшие капли другой жидкости. Внешнюю фазу называют также дисперсионной средой, а внутренняя фаза — это жидкость, находящаяся в виде мелких капель в дисперсионной среде [9, 22].

По характеру внешней среды и внутренней фазы различа­ют эмульсии двух типов: нефть в воде (н/в) и вода в нефти (в/н). Тип образующейся эмульсии в основном зависит от соотношения объемов двух фаз; внешней средой стремится стать та жидкость, объем которой больше. На практике наи­более часто встречаются эмульсии типа в/н (95 %). Реже, чем эмульсии типа н/в, встречаются эмульсии третьего типа — вода в нефти в воде.

Нефтяные эмульсии характеризуются вязкостью, стойкос­тью, плотностью, электрическими свойствами и дисперсностью.

Вязкость нефтяной эмульсии изменяется в широких диапа­зонах и зависит от собственной вязкости нефти, температуры образования эмульсии, соотношения количеств нефти и воды.

Электропроводность чистых нефтей колеблется от 10 ^-9 до 10 ^-14 Ом/м, а электропроводность воды в чистом виде — от 10 ^-6 до 10 ^-7 Ом/м, т. е. смесь из этих двух компонентов является хорошим диэлектриком. Однако при растворении в воде незначительного количества солей или кислот резко повышается 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 наиболее важным показателем для водонефтяных смесей. Чем выше устойчивость эмульсий, тем труднее процесс деэмульсации. Нефтяные эмульсии обладают различной стойкостью. При прочих равных условиях устой­чивость эмульсий тем выше, чем больше дисперсность. В большой степени устойчивость эмульсий 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 (текучим) свой­ствам приближаются к твердым веществам.

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

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

При проектировании сооружений обезвоживания нефти для конкретных производственных условий необходимо иметь экспериментальные данные об обводненности, качественном и количественном составе примесей, ожидаемом состоянии эмульсии. Одновременно с обезвоживанием нефти происхо­дит и ее обессоливание, поскольку вода отделяется от нефти вместе с растворенными в ней минеральными примесями. При необходимости, для более полного обессоливания, мож­но дополнительно в нефть подавать пресную воду, которая растворяет кристаллы минеральных солей, и при последую­щем отделении минерализованной воды происходит углуб­ленное обессоливание нефти.