Определение устойчивости эмульсий

Устойчивость дисперсных систем является одним из важных показателей, характеризующих их свойства. Для оценки агрегативной устойчивости эмульсионных систем П.А. Ребиндером был предложен такой показатель как время существования эмульсии.

Методика проведения эксперимента сводится к визуальной оценке изменения состояния смеси с течением времени. После перемешивания часть приготовленной эмульсии переливалась в мерный цилиндр, изготовленный в соответствии с ГОСТ 1770-74 «Посуда мерная лабораторная стеклянная. Цилиндры, мензурки, колбы, пробирки. Общие технические условия»

Затем, визуально, в течение 3 суток при комнатной температуре отслеживалось разделение приготовленной смеси на нефть и воду.

Для более точного определения процесс фиксировался на фотокамеру каждый час. Если по истечении трех суток не наблюдалось видимое разделение, то эмульсия считалась стабильной (агрегативно устойчивой). Результаты

определения стабильности эмульсий Илишевского месторожденияметодом визуального контроля представлены в таблице 2.8.

Таблица 2.8 - Стабильность водонефтяных эмульсий с течением времени

 

 

 

№ п/п	Содержание в эмульсии воды, %	Время, через которое производилась визуальная оценка, ч.
		Сразу после приготовления	24	48	72
1.	50	стабильна	стабильна	Не стабильна, произошло разделение на водную и нефтяную фазы	Полное разделение на водную и нефтяную фазы
2.	60	стабильна	стабильна	Не стабильна, произошло разделение на водную и нефтяную фазы	Полное разделение на водную и нефтяную фазы
3.	70	стабильна	стабильна	стабильна	Не стабильна, произошло разделение на водную и нефтяную фазы
4.	80	стабильна	стабильна	стабильна	стабильна
5.	90	Не стабильна, произошло разделение на водную и нефтяную фазы	Полное разделение на водную и нефтяную фазы	-	-

Как видно из таблицы 2.8, только через сутки начинается процесс разрушения эмульсий при содержании водной фазы до 80%. В случае получения эмульсии прямого типа (после точки инверсии фаз), смесь не стабильна и разрушается после приготовления. Визуальные исследования стабильности показали, что наиболее стабильная эмульсия образуется при содержании водной фазы 70... 80%.

Данный метод оценки дает лишь качественную характеристику устойчивости. Для определения параметров устойчивости водонефтяных эмульсий были проведены исследования по определению электростабильности водонефтяных смесей.

После диспергирования дисперсной фазы при прохождении через насосное оборудование, в частности установки ЭЦН, природные эмульгаторы переходят из нефти на границу раздела фаз, обволакивают глобулы дисперсной фазы, образуя вокруг каждой устойчивый граничный слой, препятствуя их слиянию.

В дальнейшем к данным пленкам прилипают мельчайшие твердые частицы -механические примеси, глина и т.п., которые повышают толщину и прочность пленок, что приводит к повышению устойчивости эмульсий к разрушению.

Содержащая соли пластовая вода является проводником электричества, а нефть - диэлектриком. Поэтому, агрегативную устойчивость водонефтяных эмульсий можно косвенно оценить по вольтамперным характеристикам, снимаемым тестером электростабильности ТЭЭ-01. Технические характеристики тестера представлены в таблице 2.9.

Существует закономерность: чем выше напряжение пробоя, тем выше агрегативная устойчивость эмульсии. Однако при исследовании водонефтяных эмульсий необходимо учитывать пробой именно пленочной части, поскольку на ней адсорбируются природные стабилизаторы, препятствующие коалесценции капель дисперсной фазы.

 

Таблица 2.9 - Технические характеристики тестера электростабильности ТЭЭ-01

 

№ п/п	Наименование характеристики	Значение
1	Напряжение на измерительных электродах (род тока постоянный), В	0...650
2	Диапазон установления скорости автоматического приращения напряжения на измерительных электродах, В/сек.	5...55
3	Диапазон установления срабатывания тока "пробоя", мА	0,01...9,99
4	Диаметр измерительных электродов, мм	10
5	Величина зазора между измерительными электродами, мм	3
6	Погрешность измерения напряжения, характеризующего электрическую стабильность, %	1
7	Питающее напряжение, В	220
8	Частота питающего напряжения, Гц	50
9	Допускаемая погрешность питающего напряжения, %	15
10	Потребляемая мощность, Вт	не более 15
11	Габаритные размеры, мм	200x100x470
12.	Масса, кг	5

Результаты исследований электростабильности эмульсии при стандартных условиях представлены в таблице 2.10 и на рисунке 2.7.

Таблица 2.10- Электростабильность водонефтяных эмульсий Илишевского месторождения при различной обводненности

 

№ п.п.	Обводненность, %	Начальное напряжение проводимости Uo, В	Напряжение начала пробоя ипп,в	Ток начала пробоя 1пп, мА
1	50	21	54	2Д
2	60	72	92	1Д
3	70	51	67	1,5
4	80	22	30	2,4
5	90	12	16	1,4

Результаты определения электростабильности эмульсий для условий Сергеевского месторождения показывают, что с увеличением обводненности до критических значений значительно увеличивается электростабильность. Для Сергеевского месторождения критическое содержание водной фазы, при которой достигается максимальная электростабильность, составляет 60 %.

В работе Рамазанова А.Р. для интерпретации вольтамперной характеристики водонефтяной эмульсии была разработана методика, по которой предлагается разделять весь интервал замера на четыре участка (рисунок 2.8):

1) интервал отсутствия проводимости;

2) интервал проводимости дисперсионной среды (линейная зависимость);

3) интервал проводимости граничного слоя;

4) интервал объемной проводимости дисперсной фазы (линейная зависимость.

 

Рисунок 2.7 - Результаты определения электростабильности водонефтяных эмульсий Илишевского месторождения в зависимости от содержания водной

фазы

 

Если образование водонефтяных эмульсий происходит в отсутствии дополнительно введенных структурообразователей граничного слоя, исследуемых в работе Рамазанова А.Р. (рисунок 2.8), то в полученных зависимостях вольтампернои характеристики отсутствует участок интервала граничного слоя с добавкой структурообразователя. Поэтому интерпретацию зависимостей электростабильности произвели по параметрам трех участков (рисунок 2.9).

 

 

Рисунок 2.8 - Схема вольтамперной характеристики водонефтяной эмульсии с добавкой структурообразователя в поверхностный слой глобул дисперсной фазы

 

При подаче напряжения, в начале проводимости электрического поля - Uo, электрические силы, действующие на отдельные глобулы воды, преодолевают сопротивление слоя нефти - Rn. Зона характеризуется линейной зависимостью с предельными значениями - Un и In. При дальнейшем увеличении напряжения электрический ток преодолевает сопротивление границы раздела фаз и, проходя через бронирующий слой, проходит дисперсную фазу. На третьем участке при достижении потенциалом критического значения (Unn), когда основная структура бронирующей пленки преодолена - происходит пробой. Данный участок объемной проводимости дисперсной фазы характеризуется линейностью, т.к. сопротивление разрушенной структуры остается постоянным - Rnn -

 

 

Рисунок 2.9 - Схема вольтамперной характеристики водонефтяной эмульсии в отсутствии структрообразователя в граничном слое Характеризующее дисперсионную среду на втором участке электрическое сопротивление сохраняется постоянным, где зависимость линейна, рассчитывается по закону Ома:

 

                                                                              (2.2)

После разрушения молекулярного граничного слоя на участке пробоя, образуется сплошной канал проводимости, обуславливающий возникновение второго наклонно-прямолинейного участка, что позволяет аналогичным образом рассчитать электрическое сопротивление дисперсной фазы:

 

                                         (2.3)

                    

Результаты      интерпретации       вольтамперной      зависимости

электростабильности и параметры эмульсий Илишевского месторождения при содержании водной фазы 50, 60, 70, 80, 90 % приведены в таблице 2.11 и на рисунках 2.10... 2.16.

 

Таблица 2.11- Результаты определения параметров, полученных по вольтамперным характеристикам для эмульсий

Илишевского месторождения

 

Обвод­ненность, %	Начальное напряжение проводи­мости Uo, В	Начальное напряжение проводимости поверхности раздела фаз Un, В	Напря­жение начала пробоя Unn,B	Напряжение при максимально м токе пробоя Uio,B	Начальный ток проводи­мости поверх­ности раздела фаз In, мА	Ток начала пробоя Inn, мА	Максималь­ное значение тока пробоя , мА	Электросоп­ротивление дисперсион­ной среды Rn, МОм	Электро­сопротив­ление дисперс­ной фазы Rnn, МОм
50	18	25	39	52	0,5	4,3	9,9	14,0	2,3
60	25	32	48	58	0,4	5,2	9,9	17,5	2Д
70	25	38	78	98	0,4	5,1	9,8	32,5	4,3
80	83	97	113	127	0,7	4,0	9,8	20,0	2,4
90	7	11	38	52	0,2	5,2	9,9	20,0	3,0

 

Рисунок 2.10 - Результаты интерпретации вольтамперной зависимости электростабильности эмульсии, приготовленной из нефти Илишевского

месторождения (50% водной фазы)

 

 

Рисунок 2.11 - Результаты интерпретации вольтамперной зависимости электростабильности эмульсии, приготовленной из нефти Илишевского

месторождения (60% водной фазы)

 

Рисунок 2.12 - Результаты интерпретации вольтамперной зависимости электростабильности эмульсии, приготовленной из нефти Илишевского месторождения (70% водной фазы)

 

 

Рисунок 2.13 - Результаты интерпретации вольтамперной зависимости электростабильности эмульсии, приготовленной из нефти Илишевского

месторождения (80% водной фазы)

 

 

 

Рисунок 2.14 - Результаты интерпретации вольтамперной зависимости электростабильности эмульсии, приготовленной из нефти Илишевского

месторождения (90% водной фазы)

 

 

Рисунок 2.15 - Результаты определения параметров электростабильности водонефтяных эмульсий Илишевского месторождения при различной обводненности

 

 

Рисунок 2.16 - Результаты определения электросопротивления по зонам водонефтяных эмульсий Илишевского месторождения при различной обводненности

 

Анализ результатов показал, что параметры электростабильности, полученные для эмульсий Илишевского месторождения, отличаются от параметров, полученных для Сергеевского месторождения. Эти отличия связаны с влиянием количества структурообразующих поверхностные слои эмульгаторов на границе раздела фаз. Эмульсии, образованные нефтью Илишевского месторождения более устойчивые и содержат более прочные бронирующие оболочки на глобулах дисперсной фазы. Так величина максимального значения напряжения пробоя для нефти Илишевского месторождения в 1,2 раза больше, чем для Сергеевского. В тоже время содержание водной фазы при этих значениях напряжения начала пробоя смещается в сторону увеличения. Для Сергеевской нефти она составляет 60 %, а для Илишевской 80 %.

Анализ значений электросопротивлений по участкам для эмульсий Илишевского месторождения показал, что максимальное сопротивление току

происходит при содержании водной фазы 70 %. Причем для этой обводненности возрастает разница сопротивлений току, проходящему через дисперсионную среду и дисперсную фазу. При 50 % водной фазы разница эта составляла 11,7 МОм, а при 70 % 28,2, что в 2,4 раза больше.

Таким образом, исследования электростабильности эмульсий показали, что устойчивость эмульсий зависит от состояния и количественного содержания естественных эмульгаторов в составе бронирующего слоя на границе раздела фаз нефть-вода.

В зависимости от содержания водной фазы и количества высокомолекулярных компонентов в нефти максимальное значение электростабильности эмульсий наблюдается со смещением. Из Сергеевской нефти, имеющей меньшее содержание природных ПАВ, образуются эмульсии агрегативно менее устойчивые.

Проведенные исследования электростабильности подтверждают визуальную оценку агрегативной устойчивости. Для нефти Илишевского месторождения наиболее устойчивые эмульсии образуются при содержании водной фазы 80 %.