Вопрос № 2. Обезвоживание и обессоливание нефти

а) Водонефтяные эмульсии, их основные свойства и классификация.

В подавляющем большинстве случаев добыча нефти сопровождается извлечением на поверхность пла­стовой воды, содержание которой колеблется в очень широком диапазоне (от долей % до 99 % мас.и более). Пла­стовая вода, как правило, в значительной степени минерализована хлоридами Na, Mg и Са (до 2500 мг/л смеси со­лей даже при наличии в нефти всего 1 % воды), а так же сульфатами и гидрокарбонатами и содержит механиче­ские примеси. Кроме того, в самой нефти может содержаться (в виде коллоидного порошка) немалое количество идентичных солей и механических примесей.

В пластовых условиях нефть и вода представляют собой двухфазную непрерывную систему, компоненты которой хотя и граничат друг с другом, но совершенно не подвержены взаимопроникновению с образованием дисперсного состояния (разумеется, за исключением ничтожной взаимной растворимости).

В то же время, любой из известных способов добычи нефти сопровождается интенсивным перемешива­нием в скважине водонефтяной смеси, в результате чего происходит диспергирование, приводящее к образованию, так называемых, водонефтяных эмульсий, под которыми понимают уже дисперсную систему, состоящую из двух взаиморастворимых жидкостей, одна из которых (дисперсная фаза) распределена в другой (дисперсионная среда) в виде капель.

Разумеется, подобное диспергирование требует определенных энергетических затрат, которые тем выше, чем глубже диспергирование. Работа, затраченная на диспергирование, преобразуется в так называемую свобод­ную поверхностную энергию, которая концентрируется на поверхности раздела фаз (принцип сохранения энергии) и более известна под названием поверхностного натяжения с размерностью н/м или Дж/м². Понятно, что работа, затраченная на диспергирование, существенно выше поверхностного натяжения, т.к. подавляющая часть использо­ванной энергии расходуется на побочные процессы и рассеивается в окружающем пространстве.

Поскольку любая система согласно -2-го начала термодинамики всегда стремится к минимуму свободной энергии, водонефтяные эмульсии представляют собой термодинамически неустойчивые образования, стремя­щиеся к саморазрушению. Причём, с ростом температуры поверхностное натяжение всегда уменьшается, вследствие ослабления сил молекулярного притяжения. Обусловленного увеличением среднего расстояния между моле­кулами. Известно так же, что чем больше взаиморастворимы жидкости, образующие эмульсию, тем меньше по­верхностное натяжение.

Различают седиментационную и агрегативную устойчивость водонефтяных эмульсий.

Под седиментационной устойчивостью понимают способность системы противостоять оседанию или всплытию частиц дисперсной фазы под действием стоксовых сил. Эта устойчивость прямо пропорциональна вяз­костным характеристикам дисперсионной среды и обратно пропорциональна разности плотностей нефти и воды, а также квадрату радиуса частиц дисперсной фазы.

Под агрегативной устойчивостью эмульсий понимают способность частиц дисперсной фазы сохранять свои исходные размеры при взаимном столкновении, или столкновениями с границами-раздела фаз, кии стенками сосуда. Причём, потеря седиментационной устойчивости, приводящая к полному разрушению водонефтяных эмульсий, как правило, начинается с коалесцении частиц дисперсной фазы, т.е. с их слияния в агрегаты, состоя­щие из 2 и более глобул.

Особо подчеркнём, что наблюдающаяся на практике устойчивость водонефтяных эмульсий вовсе не противоречит 2 началу термодинамики, ибо даже в самой устойчивой эмульсии непрерывно идут процессы само­разрушения, но их кинетические характеристики могут быть настолько малыми, что человек воспринимает подоб­ную систему как стабильную.

Современные теоретические представления о устойчивости водонефтяных эмульсий сконцентрирова­ны в теории Дерягина - Ландау - Фервея - Овербека (так называемая теория ДЛФО), согласно которой относи­тельная стабильность водонефтяных эмульсий обеспечивается, во - первых, электростатическим отталкиванием диффузных частей двойного электрического слоя, который образуется при адсорбции ионов на поверхности час­тиц; во - вторых, образованием на поверхности глобул дисперсной фазы мощной сольватной оболочки из молекул дисперсной среды, удерживаемой двойным электрическим слоем за счет поляризации; в - третьих, образованием на межфазных границах структурно - механических защитных слоев, способных сопротивляться деформациям и разрушению, а так же способных «залечивать» дефекты защитного слоя, возникающие при соприкосновении час-

твц дисперсной фазы (расклинивающий эффект Ребиндера); в четвертых, гидродинамическим сопротивлением вытеснению жидкой дисперсной среды из прослойки между сближающимися частицами. Вклад всех перечисленных факторов в устойчивость водонефтяных эмульсий далеко не одинаков. Решающее значение принадлежит образованию структурно-механических защитных слоив.