Лекционный курс

«Производственные водонефтяные

эмульсии»

Часть 1.Часть 1. Классификация эмульсий. Основные Классификация эмульсий. Основные

типы структур дисперсной фазы. типы структур дисперсной фазы.

ТемаТема 1-2 1-2

Дисперсии и эмульсии в смесях воды и нефти. Дисперсии и эмульсии в смесях воды и нефти.

Смеси воды и нефти –

дисперсные системы

Дисперсные системыДисперсные системы — это — это микрогетерогенные системы с сильно микрогетерогенные системы с сильно развитой внутренней поверхностью раздела развитой внутренней поверхностью раздела между фазами. между фазами.

Дисперсная система

Дисперсионная среда

Дисперсная фаза

Дисперсионная средаДисперсионная среда - - непрерывная непрерывная фаза (тело), в объёме которой распределена фаза (тело), в объёме которой распределена другая (дисперсная) фаза в виде мелких другая (дисперсная) фаза в виде мелких твёрдых частиц, капелек жидкости или твёрдых частиц, капелек жидкости или пузырьков газапузырьков газа..

Дисперсная фазаДисперсная фаза - - совокупность мелких совокупность мелких однородных твёрдых частиц, капелек однородных твёрдых частиц, капелек жидкости или пузырьков газа, равномерно жидкости или пузырьков газа, равномерно распределённых в окружающей распределённых в окружающей (дисперсионной) среде(дисперсионной) среде..

Дисперсная система двух жидкостей

Любая полярная жидкость – «вода» (В)Любая неполярная жидкость – «масло» (М)

«Обратная» система – В/М «Прямая» система – М/В

Объемная доля дисперсной фазы

=Объем дисперсной фазыПолный объем системы

Эмульсии и дисперсии

Некоторые типичные структуры потоков воды и нефти в горизонтальных трубах

Распределения капель по размерам в потоке со структуройстатически неустойчивой однородной В/Н дисперсии и в промысловой водонефтяной эмульсии. В обоих случаях объемная доля дисперсной фазы (воды) близка к 0,4

мм мкм

МЕЖФАЗНОЕ НАТЯЖЕНИЕЭНЕРГИЯ МЕЖФАЗНОЙ ГРАНИЦЫ

Емф = S

- коэффициентмежфазногонатяжения

При одном и том же объеме дисперсной фазы

уменьшение размеров дисперсных капельведет к увеличениюплощади межфазнойповерхности и ростумежфазной энергии

В соответствии с принципом минимума энергии,в состоянии равновесия происходит уменьшениемежфазной поверхности путем укрупнения (слияния)капель дисперсной фазы.

Поэтому все дисперсные системы жидкостей являются термодинамически нестабильными и отличаются лишьпо времени разрушения дисперсной фазы в состояниипокоя (времени полного слияния капель).

Так, дисперсные системы двух простых жидкостей (дисперсии) являются абсолютно нестабильными.Отдельные капли дисперсной фазы наблюдаются лишьв потоке, при непрерывном подводе механическойэнергии.

Относительно стабильные дисперсные системы(эмульсии) формируются при снижении межфазногонатяжения за счет дополнительного присутствия в системе веществ - «эмульгаторов» (поверхностно активных веществ).

ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕВЕЩЕСТВА (ПАВ)

- Накапливаются на межфазной границе- Накапливаются на межфазной границе

- Изменяют межфазное натяжение- Изменяют межфазное натяжение

Простейшие амфифильные (дифильные) молекулы ПАВ

phosphatidyl choline lyso- phosphatidyl choline

dodecylsulphate

Полярнаягруппа

Неполярнаягруппа

Диблочные сополимеры

AB

Триблочные сополимеры

ABC=(A)x(B)y(C)z

ABA=(A)x(B)Y(A)z

ABC=(A)x(B)y(C)z Амфифильные макромолекулы, состоящие из двух (и более) различных

мономеров (блоков). (AB, ABA, ABC...)

БЛОК - СОПОЛИМЕРЫ

В соответствии с правилом Банкрофта ( 1913), при эмульгировании дисперсионной средой становится та жидкость, в которой молекулы ПАВ лучше растворимы.

СОРТ ПАВ ОПРЕДЕЛЯЕТ ТИП ЭМУЛЬСИИ

Маслорастворимые ПАВ стабилизируют обратные (В/М) эмульсии

Водорастворимые ПАВ являются стабилизаторами прямых (М/В) эмульсий,

В добываемых водонефтяных смесях«природные эмульгаторы» (ПАВ) входят в состав нефти.поэтому ВСЕ естественныепромысловые эмульсиипринадлежат к типу вода-в-нефти (В/Н)

Эмульсии типа нефть-в-воде (Н/В) могут образовыватьсялишь при дополнительном искусственномвведении в систему водорастворимых ПАВ.- химическое заводнение,- первичная подготовка нефти, - нефтепереработка,- устранение разливов и т.п.

«ПРИРОДНЫЕ ЭМУЛЬГАТОРЫ»в добываемых нефтях

- Индивидуальные молекулы

- Коллоидные частицы

SARA - анализ нефти

разбавление н-алканами

раствор

осадок Мальтены

разделение в хроматографе с помощью растворителей :

НасыщенныеУВ

Смолы Асфальтены

НЕФТЬ

С5 , С7 , С9 ….

Насыщенные УВ

Ароматические УВ

СмолыАсфальтены

Основные углеводородные и гетероатомные компоненты нефти

ПАРАФИНЫ

CnH2n+2

(АлкаV ны) (насыщенные углеводороды)

Коллоидные частицы парафинов,взвешенные в объеме нефти

Микрофотографии осадков коллоидов парафинов на стенках оборудования

Нафтеновые кислоты и их производные (нафтенаты)

Молекулы нафтеновых кислот

Закономерности самоорганизации все еще плохо изучены

Отложения коллоидов нафтенатов в системах промыслового сбора иподготовки нефти

M.-H. Ese, P.K. Kilpatrick (2004)JOURNAL OF DISPERSION SCIENCE AND TECHNOLOGY, 25(3): 253–261)

Формирование жидкокристаллическихструктур при агрегированиинафтеновых кислотна поверхности капельводонефтяной эмульсии

АСФАЛЬТЕНЫ( смолоасфальтены )

SARA - анализ нефти

разбавление н-алканами

раствор

осадок Мальтены

разделение в хроматографе с помощью растворителей :

НасыщенныеУВ

Смолы Асфальтены

НЕФТЬ

С5 , С7 , С9 ….

Насыщенные УВ

Ароматические УВ

СмолыАсфальтены

Одна мощная периконденсированная система, включающая до 10 ароматических колец

Модель строения молекулы асфальтеновМодель строения молекулы асфальтенов

2000 microns

Time = 8 min

6000 microns

Time = 20 min

Коллоидные частицы асфальтеновв нефти

Фотография ПЭМ и картина дифракции электронов для наноколлоидных механических примесей битума Атабаски. (Zai-Feng.et al., 2004)

200 нм

Наноколлоидные частицы механических примесей в нефти

Модель поверхности наноразмерной частицымеханических примесей. (Zai-Feng.et al., 2004)

Частицы мех. примесей взаимодействуют с наночастицами других компонентов нефти

Стабилизация водонефтяных эмульсийнаноколлоидными частицами.

Стабилизация В/Н эмульсий частицами механических примесей, смачиваемыми нефтью.

Предотвращение коалесценции капель воды межфазными слоями коллоидных частиц в эмульсиях Пикеринга

Эмульсии, стабилизированные коллоиднымичастицами – эмульсии Пикеринга

Микрофотографии «бронирующего слоя» на поверхности капли воды в нефти, демонстрирующие: слева – его упругие свойства, справа – его значительную толщину

Демонстрация высокого уровня стабилизации капель воды «бронирующими слоями» в модельной нефти. Прослойка, разделяющая капли, не разрушается даже при сильном сжатии капель с помощью двух микропипеток

Жидкокристаллическая структура стабилизирующей фазы в В/Н эмульсии (изображение в оптическом поляризационном микроскопе)

M.-H. Ese, P.K. Kilpatrick (2004)JOURNAL OF DISPERSION SCIENCE AND TECHNOLOGY, 25(3): 253–261)

Улучшение стабильности В/Н эмульсий при увеличении размеров коллоидных частиц асфальтенов в нефти

КОНЕЦ

ЛЕКЦИИ