О САЙТЕ
Добро пожаловать!

Теперь вы можете поделиться своей работой!

Просто нажмите на значок
O2 Design Template

ФНГ / БНГС / Инверсия фаз и снижение вязкости дисперсных систем

(автор - student, добавлено - 12-04-2014, 12:17)

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  Wυ    объясняется различием физико-химических свойств компонентов эмульсии и в первую очередь концентрацией водной фазы и присутствием в этой эмульсии различных эмульгаторов.

 

Инверсия фаз и снижение вязкости дисперсных систем

Рис. 4. Изменение вязкости эмульсии  в зависимости от вязкости дисперсной фазы и дисперсионной среды; µ* - вязкость эмульсии; µс - вязкость дисперсионной среды; µд - вязкость дисперсной фазы; цифры на линиях - соотношения λ =µс/ µд; С -  концентрация дисперсной фазы.

 

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.

 

 

Содержание воды, %

 

 

 

            ρ20н

Вязкость (в сПз) при температуре, °С

10

20

30

5

   0,885

44

28

19

10

   0,886

54

32

26

20

   0,905

78

47

32

30

   0,922

11.5

74

48

40

   0,935

142

78

61

50

   0,938

230

160

94

 

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.

 

Содержание воды, %

 ρ20н

Вязкость (в сПз) при температуре, °С

10

20

30

5

0,883

40

24

16

10

0,887

53

32

22

20

0,905

68

43

28

30

0,916

93

52

30

40

0,932

137

95

60

50

0,936

184

121

83

 

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

 

Инверсия фаз и снижение вязкости дисперсных систем

                                                                                                                     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 иг (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.

 

 

Инверсия фаз и снижение вязкости дисперсных систем

 Рис. 6. Функциональная связь между параметрами h, Qн, uг.

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

 

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.

 

 

Инверсия фаз и снижение вязкости дисперсных систем

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

I - вода; II - нефть


Однако следует заметить, что экспериментально были полу­чены несколько меньшие, по сравнению с теоретическими, значения расходов для более вязкой жидкости. Это частично объясняется вол­новым движением поверхности раздела жидкостей, а также тем, что в условиях совместного движения воды и нефти вода обычно движется в турбулентном режиме. Увеличение сдвиговых напряжений у по­верхности раздела и частичное смешение нефти с водой повышает вязкость, а также уменьшает градиент давления.

Однако все эти явления не снимают рассмотренного выше эффекта подстилающего слоя и, по крайней мере, наличие воды в нижней части трубопровода не уменьшает расхода нефти. Поэтому в ряде случаев торопиться со сбросом на промежуточных сборных пунктах и других узлах выделившейся из нефти воды, технологиче­ски нецелесообразно. Нужно лишь создать необходимые условия для того, чтобы добываемая вместе с нефтью вода не только не создавала  дополнительные трудности при перекачке, но и выполняла полезную  работу по транспортированию. Такие условия создаются при осуществлении трубной деэмульсации нефти при содержании воды в ней вплоть до 80-90%.


Ключевые слова -


ФНГ ФИМ ФЭА ФЭУ
Copyright 2018. Для правильного отображения сайта рекомендуем обновить Ваш браузер до последней версии!