Исследование влияния солевого состава пластовых вод и малых добавок неэлектролитов на дисперсность водо-нефтяных эмульсий

Исследование влияния солевого состава пластовых вод и малых добавок неэлектролитов на дисперсность водо-нефтяных эмульсий

Ергин Ю.В., Кострова Л.И., Кузнецова Н.В.

Добываемая на промыслах нефть практически всегда представляет собой водо-нефтяную (в/н) эмульсию, содержание воды в которой определяется в первую очередь продолжительностью эксплуатации данного месторождения. В значительной степени это связано с тем, что для поддержания в нефтяной залежи пластового давления используются различные методы заводнения продуктивных пластов. Для заводнения применяют как воды поверхностных водоемов, так и воды глубинных горизонтов, химический состав которых может значительно отличаться от пластовой воды, добываемой с нефтью. Для повышения нефтеотдачи пластов широко используют различные методы воздействия на залежь специальными химическими реагентами (полимеры, поверхностно-активные вещества, мицеллярные растворы и др.).

В то время, как действие природных и искусственных деэмульгаторов на свойства в/н эмульсий и процессы вытеснения нефти из пласта изучены достаточно подробно [1-3], исследованию влияния солевого состава пластовых вод, различных химических реагентов, хорошо растворимых в воде, на свойства эмульсий, образующихся в процессе вытеснения нефти закачиваемыми в пласт водами, внимания практически не уделялось. Цель настоящей работы состоит хотя бы в частичном восполнении этого пробела.

С помощью автоматических магнитных весов [4, 5] методом седиментационного анализа исследовались кривые g(r) распределения глобул воды в 5% в/н эмульсиях, приготовленных механическим перемешиванием безводной нефти Сергиевского месторождения РБ, поверхностно-активного вещества (дисольван 4411 из расчета 0,02 кг/т нефти), пресной и пластовой вод, в которых растворялись различные соли и неэлектролиты.

Сравнение вида кривых g(r) и величин средних размеров глобул воды в эмульсиях, приготовленных на основе 1N-водных растворов электролитов с соответствующей кривой и средними размерами глобул в эмульсии с пресной водой (табл. 1, рис. 1) показывает, что их можно разделить на две группы. К первой относятся эмульсии, образованные водными растворами хлоридов щелочно-земельных металлов, хлоридом натрия, а также сульфатами аммония, магния и гидрокарбоната натрия. Средние размеры глобул воды в них меньше, чем в эмульсиях на основе пресной воды (rпресн=15,5 нм). 

Таблица 1. Средние размеры глобул воды в 5% в/н эмульсиях в зависимости от электролита.

Электролит

MgCl2

CаCl2

SrCl2

BaCl2

NaCl

KCl

KBr

r, мкм

10,0

9,5

13,0

15,0

12,0

15,3

21,0

 

Электролит

KJ

(NH4)2SO4

MgSO4

NaHCO3

NaNO3

KNO3

r, мкм

25,0

4,3

10,5

10,5

16,5

21,0



Рис 1. Кривые распределения g(r) глобул воды в 5% в/н эмульсиях, приготовленных на основе IN-растворов электролитов: 1 - NaCl, 2 - KCl, 3 - KBr, 4 - Kl, 5 - MgCl2, 6 - CaCl2, 7 - SrCL2, 8 - BaCl2 , 9 - (NH4)2SO4, 10 - MgSO4, 11 - NaHCO3, 12 - NaNO3, 13 - KNO3, а также пресной (14) и пластовой (15) воды.

Ко второй группе относятся эмульсии, образованные водными растворами галогенидов калия, а также азотнокислым натрием и калием. Средние размеры глобул воды в них больше, чем в эмульсии, приготовленной на основе пресной воды. К этой же группе относится эмульсия на основе пластовой воды, причем средние размеры глобул воды (rпласт=30,0 мкм) в этом случае максимальны.

Полученные результаты находятся в соответствии с представлениями о структурных изменениях, происходящих в воде при растворении в ней электролитов. Электролиты, образующие эмульсии первой группы, по знаку интегральных теплот растворения относятся к типу электролитов, растворяющихся с выделением тепла, а электролиты, образующие эмульсии второй группы, растворяются с поглощением тепла [6, 7].

Более тонкое проявление изменений состояния воды в эмульсиях становится понятным при рассмотрении не суммарного действия электролита, а аниона и катиона в отдельности. По О.Я.Самойлову [8, 9] следует различать случаи положительно и отрицательно гидратирующихся ионов. Первый из них соответствует эффективному связыванию ионами ближайших к ним молекул воды раствора (из исследуемых нами это ионы Na+, Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+, HCO3-, SO42-). Во втором случае (из исследуемых нами это ионы Cl-, Br-, J-, NH4-, NO3-) ближайшие к иону молекулы воды раствора более подвижны, чем в свободной воде. Суммарно структурное действие электролита определяется знаками и величинами энергий ближней гидратации соответствующей пары аниона и катиона [5, 9], что полностью объясняет обнаруженный нами характер изменения кривых g(r) и величин средних размеров глобул воды в эмульсиях на основе всех исследованных электролитов.

В качества добавок (4,66 % мол.) неэлектролитов (“стабилизирующих” и “разрушающих” структуру воды) мы использовали гексаметилфосфортриамид (ГМФТ), карбамид (мочевину) и ацетамид. Введение двух первых из них приводит к некоторому уменьшению средних размеров глобул воды в эмульсии по сравнению с размерами глобул воды в эмульсиях на основе как пресной, так и пластовой воды. Ацетамид, наоборот, влияет на размеры глобул воды в эмульсиях в противоположную сторону (рис. 2, 3).



Рис. 2. Кривые распределения g(r) глобул воды в 5% в/н эмульсиях, приготовленных на основе пресной воды (1) и с добавлением (4,66 % мол.) неэлектролитов: 2 - ацетамида, 3 - ГМФТ, 4 - карбамида.

 



Рис. 3. Кривые распределения g(r) глобул воды в 5% в/н эмульсиях, приготовленных на основе пластовой воды (1) и с добавлением (4,66 % мол.) неэлектролитов: 2 - ацетамида, 3 - ГМФТ, 4 - карбамида.

Введение в пресную воду полиакриламида (ПАА) показывает, что размеры глобул воды по сравнению с контрольным опытом сначала уменьшаются (при концентрациях 0,01-0,04 % весового ПАА в пересчете на чистый полиакриламид), а затем увеличиваются и становятся больше, чем в пресной воде. Максимальные размеры глобул достигаются при концентрации в воде ~0,08 % вес. ПАА. При дальнейшем увеличении концентрации полиакриламида размеры глобул воды в эмульсиях практически не изменяются. Эта концентрация ПАА, кстати, соответствует промысловой концентрации, характерной наиболее эффективному вытеснению нефти из пласта.

Список литературы

Бабалян Г.А. Физико-химические процессы в добыче нефти. М.: Недра, 1974. 

Шерман Ф. (ред.). Эмульсии. Л.: Химия, 1972. 

Григоращенко Г.И., Зайцев Ю.В., Кукин В.В. и др. Применение полимеров в добыче нефти. М.: Недра, 1973. 

Ергин Ю.В., Яруллин К.С. Магнитные свойства нефтей. М.: Наука, 1979. 

Ергин Ю.В. Магнитные свойства и структура растворов электролитов. М.: Наука, 1983. 

Мищенко К.П., Полторацкий Г.М. Вопросы термодинамики и строения водных и неводных растворов электролитов. Л.: Химия, 1968. 

Крестов Г.А. Термодинамика ионных процессов в растворах. Л.: Химия, 1973. 

Самойлов О.Я. Структура водных растворов электролитов и гидратация ионов. М.: Изд. АН СССР, 1957. 

Samoilow O.Ya. In: Water and Aqueons Solutions / Ed. Horne R.A. N-Y: I.Willey and Sons, Inc., 1972. P. 597-610.