книги из ГПНТБ / Бабалян, Г. А. Физико-химические процессы в добыче нефти

для любой формы частиц, если только степень гидратации не изменяется с температурой. На рис. 30 представлена зависимость коэффициента диффузии 2%-ного раствора ОП-10 в воде от темпе­ ратуры. Вначале с повышением температуры коэффициент диф­ фузии возрастает согласно зависимости (31). Однако при темпе-

D, с н г/г.ут

77,смг/сут

снижается. Поскольку при температуре 83°С для раствора ОП-Ю наступает точка помутнения, по-видимому, уменьшение коэффици­ ента диффузии связано с дегидратацией и резким снижением рас­ творимости.

Для 2%-ного раствора в воде ОП-20 этого не наблюдается. Кривая зависимости D = cp(T) (рис. 31) хорошо согласуется с за­ висимостью (31). По-видимому, с увеличением числа оксиэтиленовых групп интервал аномалии диффузии смещается в сторону более высоких температур.

Для дисолвана (4411) интервал аномалии диффузии находится около 55—60° С.

6. ДИФФУЗИЯ в ТОНКОЙ ВОДНОЙ ПРОСЛОЙКЕ

Исследования проводились на установке, основной частью которой является капилляр 1 радиусом 690 мк (рис. 32) с двумя краниками 2 и 3. Измерительная линейка 4, жестко скрепленная с капилляром, может устанавливаться строго горизонтально или вертикально.

Через краник 3 в капилляр, заполненный 10%-ным раствором NaCl в дистиллированной воде, вводили каплю углеводородной жидкости и фиксировали в определенном положении при помощи краников 2 и 3. Между введенной каплей жидкости и стенкой

S0

капилляра образуется прослойка электролита, которая утончается со временем и, достигнув определенной толщины, стабилизируется, т. е. приобретает равновесное значение. После этого краник 2 открывают и раствор ПАВ соприкасается с электролитом. Моле­ кулы ПАВ диффундируют в электролит и по истечении некоторого времени доходят до тонкой прослойки под каплей. При проникно­ вении молекул ПАВ в прослойку толщина ее начинает меняться.

равновесной толщине прослойки электролита до начала ввода ПАВ в капилляр, точка А' — началу ввода ПАВ в капилляр, участок А'В —■прохождению молекулами ПАВ расстояния до капли угле­ водородной жидкости. Малая величина этого участка указывает на то, что в горизонтально расположенном капилляре «происходит конвективная диффузия, хотя плотность раствора ПАВ больше плотности электролита.

Было установлено, что при вертикальном положении капил­ ляра, исключающем конвективную диффузию, равновесная тол­ щина прослойки устанавливается за такое же время, как и при

горизонтальном положении, т. е. конвективная диффузия суще­ ственной роли в проникновении ПАВ в прослойку не играет. Толщина прослойки в начале диффузии в нее ПАВ уменьшается, доходит до минимума, затем увеличивается и приобретает равно­ весное значение. Причем, чем выше концентрация раствора ПАВ, тем больше величина спада и подъема кривой h=f(i) и меньше время, за которое устанавливается равновесная толщина прослой-

иА,см/сут

Од от концентрации ПАВ в растворе будет иметь вид, представ­ ленный на рис. 34, из которого видно, что значение од с повыше­ нием температуры увеличивается.

На рис. 35 показано изменение равновесной толщины про­ слойки электролита в зависимости от концентрации ПАВ ОП-Ю в растворе. Аналогичные исследования с нефтями показали, что величина h зависит и от состава углеводородной жидкости.

Кинетику изменения толщины водной прослойки в процессе диффузного проникновения в нее молекул ПАВ можно объяснить следующим образом. Если капля непосредственно прилипает к стенкам капилляра (рис. 36), то равновесное состояние ее возмож­ но при равенстве действующих на периметр смачивания сил по­ верхностного натяжения со стороны раствора и воды.

Со стороны раствора действуют силы:

82

Исходя из этого, можно сделать вывод, что в самый начальный момент проникновения молекул ПАВ в прослойку Ѳ уменьшается и растет толщина прослойки. Однако в последующий момент при проникновении молекул в прослойку, вплоть до их появления со стороны воды, значения аТВ'р и оПВ'р убывают вследствие адсорб­ ции ПАВ; так как значения сгтвриавпр со стороны раствора и зна­ чения сттв и огви со стороны воды остаются постоянными, то в со­ ответствии с уравнениями (35) и (36) убывают и значения С?Вир COS Ѳр И (JßH cos Ѳв.

С момента появления молекул ПАВ со стороны воды значения Отв и сгш начинают убывать и при завершении процесса диффу­ зии доходят до значений оТВр и оВНр. С уменьшением сгтв и сгВІГ величина cos Ѳ растет, 0 уменьшается. Толщина же прослойки увеличивается и при выравнивании концентрации ПАВ в капил­ ляре стабилизируется.

При повышении температуры до 35° С толщина прослойки под каплей уменьшается, но при этом в связи с увеличением подвиж­ ности молекул ПАВ значение ид увеличивается. С повышением температуры до 50° С растворимость неионогенных ПАВ пони­ жается, раствор мутнеет в результате образования гидратов полиэтиленгликолевых эфиров. В опытах при повышени температуры до 50° С водная прослойка разрывалась, как только раствор ПАВ подходил к капле углеводородной жидкости. Этому способство­ вали нерастворимые осадки, осевшие на стенках капилляра.

Следует отметить, что хотя раствор ПАВ и теряет при этом наименее растворимые компоненты, нефтеотмывающне свойства его не ухудшаются, так как в нем остаются наиболее активные компоненты.

84

Г л а в а IV

ДИСПЕРГИРОВАНИЕ И КОАЛЕСЦЕНЦИЯ

1. ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ СОВМЕСТНОМ ДВИЖЕНИИ ГАЗА, ВОДЫ И НЕФТИ

Впервые электрокинетические явления в скважине при дви­ жении газонефтяной смеси были обнаружены Н. П. Непримеровым и А. Г. Шарагиным [73]. В настоящее время общепринятым яв­ ляется мнение [39, 116], что образование зарядов статического электричества связано с движением жидкости относительно сте­ нок трубы.

Поскольку пластовая углеводородная жидкость первоначально электрически нейтральна, в ней должны присутствовать два типа ионов, несущие заряды с противоположными знаками. Вследствие избыточной адсорбции ионов одного знака из жидкости на стенке трубы образуется слой, несущий заряд одного знака. Ионы про­ тивоположного знака образуют подвижный слой в жидкости в непосредственной близости к первому. Разделение этих слоев с противоположными знаками ведет к возникновению разности на­ пряжений: на поверхности раздела возникает так называемый g-потенциал [64, 95].

Ионы, находящиеся в подвижном слое, образуют так называе­ мую ионную атмосферу, которая при относительном перемещении фаз может претерпевать изменения: часть слабо связанных (наи­ более удаленных от стенки трубы) ионов отстает от слоя вместе с жидкостью, в результате чего на поверхности раздела появляется нескомпенсированный электрический заряд или разность потен­ циалов между фазами. Вследствие проводимости жидкости вели­ чина заряда снижается.

Установлено, что углеводороды, электропроводность которых находится в пределах примерно ІО-15—ІО-11 ом-1-см-1, электри­ зуются наиболее активно. Углеводороды, имеющие электропровод­ ность больше или меньше указанных пределов, электризуются значительно хуже. Углеводородные жидкости с низкой электро­ проводностью хуже электризуются в присутствии даже малых количеств механических примесей в них. В случае же значитель­ ной концентрации примесей электропроводность жидкости увели­ чивается настолько, что скорость рассеивания зарядов начинает превышать скорость их образования.

Электропроводность светлых нефтепродуктов обычно находится в пределах ІО-15—ІО-13 ом-1-см-1. Нефти же имеют электропро­ водность от ІО-11 до ІО-9 ом-1-см-1.

Заряды могут также образоваться в системе, включающей движущиеся примеси или другой взвешенный материал в углево­ дородах. В этих случаях взвешенные частицы выполняют те же функции, что и стенки труб.

85

Исследование электрокйнетйческих явлений в скважинах осложняется тем, что в подъемных трубах движется газонефтяная смесь с постоянно меняющимися параметрами потока (скоростью, давлением, температурой и газонасыщенностыо). Большое влия­ ние на степень электризации потока оказывают его структура, шероховатость стенки трубы, наличие в потоке частиц парафина, воды и других механических примесей и их дисперсность. Но, главным образом, электризация в потоке зависит от скорости дви­ жения и проводимости потока, которая, в свою очередь, зависит от проводимости жидкости и структуры потока.

Можно выделить следующие благоприятные условия для воз­

2)граница раздела нефть—труба; стержневой режим потока;

3)граница раздела нефть — глобулы воды или нефть — частицы парафина.

Механизм возникновения электрических зарядов в первом слу­ чае в принципе может быть аналогичен явлениям, возникающим при движении гомогенной жидкости в трубах, хотя функциональ­ ные зависимости между параметрами потока и электрическими параметрами будут, несомненно, иными.

Во втором случае процесс образования электрических зарядов сложнее вследствие наличия двух движущихся фаз, граница между которыми непостоянна относительно стенок трубы.

Знак и величина заряда для глобул воды и частиц парафина зависят от типа и количества активных компонентов, находящихся

внефти.

Исследование явления электризации газонефтяного потока в трубе (манифольде фонтанной скважины) [104] проводилось с помощью измерительной системы, состоящей из измерительного электрода, кабеля и вольтметра. Как показали эти исследования, в момент прохождения газа, накопленного в трубах перед замером, электрод заряжался отрицательно. Потенциал составлял несколько тысяч вольт. Необходимо отметить, что величина замеряемых потенциалов при прочих равных условиях зависит от конструкции электрода, его электрической емкости, сопротивления изоляции, находящейся между электродом и трубой, на стенках трубы или между ее стенками и землей. При последующем же движении газонефтяной смеси заряд электрода менялся на положительный. Величина потенциала снижалась до нескольких десятков вольт.

Известно [37], что возникновение зарядов статического электри-' чества исключается при прохождении чистого газа. Наличие за­ ряда свидетельствует о том, что в потоке газа в виде дисперсной фазы содержались капли нефти. Механизм возникновения заряда на электроде в момент прохождения газа для рассматриваемого

86

случая можно объяснить, основываясь на баллоэлектрическом эффекте, возникающем при движении смеси через штуцер. Баллоэлектрические явления возникают, как известно, при распылении твердых и жидких тел, в особенности диэлектриков. Механизм

Исследования электризации газонефтяного потока на устье фон­ танных скважин, оборудованных остеклованными насосно-ком­ прессорными трубами, проводились в б. ТатНИИ [25]. Эти работы показали, что при движении потока в таких трубах создается потенциал 10—13 в, тогда как в заземленных неостеклованных •трубах потенциал составляет 2—3 в. Сравнительно слабая электри­ зация потока в остеклованных трубах объясняется низкой изоли­ рующей способностью стеклянного покрытия, а также гладкостью поверхности.

Исследованиями, проведенными на манифольдах обводненных скважин, установлено, что с увеличением содержания воды (в опытах до 57%) в добываемой жидкости наблюдается некоторое повышение потенциала электризации, объясняемое возрастанием объемного электрического сопротивления эмульсии. Увеличение объемного сопротивления эмульсии по сравнению с безводной нефтью может происходить за счет адсорбции на границе нефть — вода активных компонентов нефти — асфальтенов и смол, кото­ рые в основном определяют электропроводность нефти.

Работами б. ТатНИИ показано, что при измерениях на по­ стоянном токе сопротивление тонкодисперсных нефтяных эмуль­ сий несколько повышается по сравнению с сопротивлением без­ водной нефти или остается практически без изменений при уве­ личении содержания воды до 30% для легких нефтей и до 60% для тяжелых.

2 . ДИСПЕРГИРОВАНИЕ

Диспергирование [11, 12] нефти в воде и воды в нефти наблю­ дается при контакте нефти с водой и совместном их движении в трубах, каналах, пористой среде и т. д. Диспергирование воз­ можно не только в объеме, но и на твердой поверхности, напри­ мер при разрыве на ней пленки нефти водой и образовании вследствие этого вместо пленки капель нефти, а также при раз­ рыве пленки воды нефтью. Наиболее часто с процессом дисперги­ рования в практике встречаются при подъеме в скважинах нефти

иводы на поверхность и перекачке их по трубам.

Втабл. 19 приводятся данные по исследованию проб эмульсии на устье фонтанных скважин до и после штуцера. Из каждой сква­ жины отбирали по нескольку проб, поэтому в табл. 19 приведены

пределы изменения содержания воды, вязкости эмульсии и ее дисперсности.

88

странстве отличаются от свойств ее в свободном объеме. У стенок пор она приобретает большую вязкость и упругость формы.

Вода, проникая в поровое пространство, выталкивает в пер­ вую очередь слабо связанные с твердой поверхностью слои нефти из больших пор, обходя малые. В результате нефть в поровом пространстве за фронтом воды диспергируется', т. е. оказывается разделенной на линзы и капли. Часть нефти застревает в местах,, где она наиболее прочно связана с твердой поверхностью, в виде пленки, прилипших линз или капель, другая часть — движется.

По пути линзы и капли нефти принимают различные конфи­ гурации. Непрерывное изменение формы их объясняется тем, что' по пути они обволакивают смоченные водой агрегаты зерен раз­ личной пористости и смачиваемости, в результате чего силы, дейст­ вующие на внешний контур линз, меняются.

На процесс диспергирования влияет ряд факторов: величина поверхностного натяжения, краевого угла смачивания, скорости коалесценции капель и линз нефти и их движения, насыщенность нефтью порового пространства и т. д.

Содержание дисперсной нефти в поровом пространстве может изменяться в широких пределах. Когда концентрация дисперсной фазы мала, то глобулы находятся друг от друга на значительном отдалении. По мере увеличения содержания нефти в поровом пространстве расстояния между ними убывают и при больших концентрациях, как и вне порового пространства, глобулы сопри­ касаются своими защитными оболочками и интенсивно коалес­ цируют, если защитная оболочка обладает малой устойчивостью к коалесценции. Если же она обладает малой устойчивостью, то образуется связанная (сплошная) структура. Такая структура мо­ жет образоваться как в единичной поре, так и во всем поровом пространстве. Такая образовавшаяся в поровом пространствеэмульсия приобретает «твердообразные» свойства, т. е. высокую упругость формы, начинает обнаруживаться значительное пре­ дельное напряжение сдвига.

При еще более высоких концентрациях линзы и капли, сдав­ ливая друг друга, деформируются, превращаясь в полиэдрическиеячейки, разделенные пленками воды. Это хорошо видно в отдель­ ных порах при микросъемках процесса вытеснения воды нефтью и нефти водой. Однако и при сравнительно малом содержании дисперсной подвижной нефти могут образоваться пространствен­ ные структуры в результате коагуляции капелек в цепочке (без коалесценции). Возможность образования таких структур умень­ шается с применением ПАВ, улучшающих вытеснение.

При движении диспергированной массы нефти происходит непрерывное изменение фильтрационных ходов в поровом прост­ ранстве. Крупные поры временами закрываются недеформирую­ щимися каплями. С ними сталкиваются более мелкие капли, кото­ рые до этого беспрепятственно проносились водой. Если прочность

8а