Инверсия фаз и снижение вязкости дисперсных систем

Во всех случаях при увеличении обводненности вязкость, в конце концов,  снижается.  Критическое значение коэффициента обводненности W, при котором вязкость эмульсии начинает снижаться, для чистых веществ называется точкой инверсии   (И).

В точке инверсии И происходит обращение фаз, в результате чего дисперсная фаза (вода) становится дисперсионной средой (внешней, сплошной), а дисперсионная среда (нефть) - дисперсной фазой (ра­зобщенной), т.е. В/М — > М/В. Для эмульсий воды в нефти это понятие не вполне корректно.

Кажущаяся инверсия нефтяных эмульсий происходит обычно при введении в эмульсию в процессе ее транспортирования поверх­ностно-активных веществ (ПАВ), являющихся стабилизаторами эмульсий противоположного типа. На самом деле речь идет о разру­шении эмульсий и появлении свободной воды.

Считалось, что инверсия нефтяных эмульсий может происхо­дить и без введения в них ПАВ, а только вследствие увеличения про­центного содержания воды в эмульсии. Но как быть со случаем, когда под пятном нефти разбившегося танкера существует целый океан во­ды, а нефть постепенно превращается в эмульсию и никакого обра­щения фаз не происходит.

«Обращение фаз» нефтяных эмульсий имеет исключительно большое практическое значение. Эмульсия типа М/В, имеющая внешней фазой воду, транспортируется при меньших энергетических затратах, чем эмульсия типа В/М, имеющая внешней фазой нефть. Вот почему при транспортировании эмульсий всегда нужно стремиться к тому, чтобы внешней фазой являлась вода, а не нефть (при условии, конечно, что трубопроводы защищены от коррозии).

Критическое значение коэффициента обводненности W    для нефтей разных месторождений может колебаться в пределах 0,5-0,9, но  в  большинстве  случаев   оно  равно  0,71.   Такое  разнообразие значений  W_υ    объясняется различием физико-химических свойств компонентов эмульсии и в первую очередь концентрацией водной фазы и присутствием в этой эмульсии различных эмульгаторов.

Результаты теоретического анализа для ламинарного потока, представленные на рис. 4, позволяют сделать выводы о том, что с ростом вязкости диспергированной фазы растет эффективная вязкость двухфазной системы µ*; причем максимальную эффективную вязкость имеет суспензия типа жидкость - твердые частицы. Так, при 50%-ном содержании диспергированной фазы вязкость суспензии в 12 раз выше вязкости самой жидкости. С уменьшением вязкости диспергированной фазы эффективная вязкость эмульсии уменьшается, но  не  переходит  нижнего  предела,  равного µ.* = 3µ _с .

Следовательно, снижение гидравлических потерь возможно и в условиях потока, характеризующегося высокими числами Рейнольдса. Однако удаление бронирующих оболочек при таких пара­метрах может значительно нейтрализоваться путем увеличения сте­пени дисперсности эмульсии за счет эффектов дробления, что и было подтверждено экспериментально.

Степень влияния  на вязкость эмульсий бронирующих оболочек капель пластовой воды, и способности  капель к дроблению при их устранении  установлена институтом ТатНИПИнефть.

С целью гарантированного исключения образования прочных бронирующих оболочек на каплях воды в воду был заранее введен деэмульгатор, после чего при помощи лабораторной мешалки была приготовлена эмульсия воды с нефтью (табл. 3).

Таблица 3.

Отсутствие бронирующих оболочек на каплях эмульсии каза­лось бы должно снизить общую вязкость системы. Однако вязкость обычной эмульсии (табл. 4) оказалась практически такой же. Сле­довательно, эффект диспергирования (интенсивная турбулизация по­тока) больше влияет на повышение вязкости системы, чем отсутствие бронирующих оболочек на ее снижение.

Такой вывод справедлив для систем, в которых укрупнение капель и расслаивание потока по усло­виям гидродинамического режима движения системы невозможны. Эмульсии, выделяющие воду, одновременно снижают и вязкость сис­темы. На вязкость эмульсий при смешении воды с нефтью влияет не только наличие бронирующих оболочек. Весьма существенна в этом отношении роль температурного фактора, абсолютного содержания воды в нефти и степени дисперсности (см. рис. 4). Весьма показа­тельно, что при перемешивании нагретых эмульсий при высокой сте­пени турбулентности потока конечная вязкость системы может ока­заться выше, чем при осуществлении этой же операции при относи­тельно низких температурах.                                                                                            

Таблица 4.

Снижение гидравлических сопротивлений за счет водного подслоя в связи с кажущейся инверсией объясняется следующим об­разом.

                                                                                                                     U, см/с

Рис. 5. Профили скоростей воды и нефти при совместном движении (ламинарный режим).

1 - нефть без подстилающего слоя; 2-9 - верхняя кривая для нефти и нижняя для воды при высоте водного слоя соответственно 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9 общей высоты потока; 10 - вода.

Из графиков, приведенных на рис. 5, видно, что скорость движения нефти в присутствии подстилающего слоя воды и (в долях от общей высоты потока) в определенных пределах резко возрастает. Физический смысл этого явления становится понятным, если учесть, что с ростом толщины водного подслоя h до определенного предела возрастает и скорость движения границы раздела фаз и_г (рис. 6).

Таким образом, введение ПАВ  в поток транспортируемой обводненной нефти сопровождается сложным комплексом различных явлении, связанных в основном с изменением качественного состояния  капель воды. Появившаяся водная фаза не только снижает давление в трубопроводах  и повышает  их производительность, но и позволяет решить такие сложные проблемы, как деэмульсацию  нефти (включая обессоливание) и борьбу с отложением парафина. Решение последней задачи объясняется возникновением водной пленки на стенке труб (модификация  поверхности стали в гидрофильную)   и   работой трубопроводов, режиме самоочищения в   результате   резкого снижения  сил  сцепления  между   возникающими  отложениями   и материалом  труб. Поэтому рассматривать  воду  лишь как  вредный балласт,     на   перекачку     которого    напрасно  затрачивается  дополнительная энергия, нельзя.

 Рис. 6. Функциональная связь между параметрами h, Q_н, u_г.

а – изменение скорости движения границы раздела фаз от высоты водного подслоя, б – изменение расхода нефти в функции от    u_г.

На рис. 7 представлены зависимости безразмерного расхо­да более вязкой фазы жидкости от соотношения радиуса трубы и ра­диуса поверхности раздела фаз при различных значениях параметра Е=К/(1-ε) 

где ε - эксцентриситет поверхности раздела. При Е = 0 поверхность раздела концентрична с окружностью трубы, при Е = 1 - максималь­но эксцентрична, т.е. величина К + ε = 1 (окружности касаются друг друга в верхней точке); К= R1/R₂. На рисунке видно, что увеличение расхода q₂ по отношению к q₀ возможно от 32% при Е = 1 до 54% при оптимальном соотношении расхода фаз. Если соотношение фаз не оптимально, то эффект под­стилающего слоя будет проявляться в меньшей степени. При простом расчете по графику может быть показано следующее. При радиусе ядра нефтяного потока 40% радиуса трубы (16% площади проходного сечения) и при Е = 0,95 расход нефти равен примерно 1,15 расхода той же нефти, движущейся в трубопроводе без воды по всему сече­нию. Таким образом, в этих условиях остальные 84% проходного се­чения могут быть заняты водой, движение которой практически не влияет на перепад давления и расход нефти. С этой точки зрения вода  не должна рассматриваться в качестве балласта, перекачка которого нежелательна. Скорее будет более правильным признать, что вода в данном случае выполняет полезные технологические функции.

Рис.  7. Изменение расходов нефти (q₂) и воды (q₀)  при  совместном  движении по трубопроводу в зависимости от ряда параметров.