Исследование воздействия ультразвука на вязкость нефтяной эмульсии

УДК 665.622.43.0666

А. А. Верховых, А. А. Елпидинский ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ УЛЬТРАЗВУКА НА ВЯЗКОСТЬ НЕФТЯНОЙ ЭМУЛЬСИИ

Ключевые слова: нефть, транспортировка, ультразвук, вязкость, охлаждение, парафин.

В статье рассмотрено влияние ультразвука на реологические свойства водонефтяной системы при пониженных температурах. Отмечено существенное уменьшение размеров глобул дисперсной фазы, снижение вязкости водонефтяной системы и длительное время ее релаксации.

Keywords: oil, transportation, ultrasound, viscosity, cooling, wax.

This article describes the effect of ultrasound on the rheological properties of the oil-water system at low temperatures. A substantial reduction in the size of the globules of the dispersed phase, reduced viscosity water-system and its long relaxation are noted.

Введение

Оборудование, отвечающее за транспортировку нефти, находится под наибольшей нагрузкой на этапе движения пластовой жидкости от скважины до установок подготовки нефти (УПН). Именно на этом этапе перекачивают высокообводненные нефтяные эмульсии, которые обладают повышенной вязкостью. Кроме того, вязкость увеличивается, если нефть имеет в своем составе высокое содержание высокомолекулярных компонентов, таких, как ас-фальтены и парафины. К тому же, если перекачка осуществляется в холодное время года, это также в свою очередь негативным образом влияет на подвижность перекачиваемой среды и, соответственно, увеличивает объем необходимых энергозатрат. Фактически, после дожимной насосной станции (ДНС) и УПН, где разрушается водонефтяная эмульсия, нефть имеет относительно небольшую вязкость и, поэтому, проблема перекачивания высоковязких нефтяных систем наиболее актуальна именно до этих установок.

Известно, что после скважин в нефтяную эмульсию дозируется реагенты различных функциональных действий:

- деэмульгаторы;

- ингибиторы коррозии;

- понизители вязкости.

Деэмульгаторы используются для разрушения нефтяных эмульсий за счет снижения поверхностного натяжения на границе раздела фаз нефть-вода, ингибиторы необходимы для эффективной защиты нефтепромыслового оборудования от коррозии, а понизители вязкости облегчают перемещение даже самых структурированных нефтяных систем.

Однако эти реагенты имеют довольно большую стоимость, их необходимо подавать в поток на постоянной основе и, следовательно, необходимо обеспечивать их регулярную поставку на промысла. Это, в свою очередь, может вызывать определенные сложности на морских платформах добычи нефти, особенностью которых являются: а) большая периодичность поставок материалов с материка; б) ограниченность доступной для оборудования площади [1]. Последнее затрудняет использование реагентов, так как для них требуются дополнительные объемные емкости хранения.

Перспективной альтернативой реагентам является применение специальных аппаратов, реализующих волновые физические воздействия. Среди них: микроволновые аппараты, магнитные установки, ультразвуковые диспергаторы и системы, сочетающие воздействия различной природы.

В отличие от микроволнового и магнитного излучений, которые влияют на лишь некоторые компоненты водонефтяных систем, ультразвуковые колебания дают более широкий спектр воздействия [2]. В основном, излучатели ультразвука используются для создания разнообразных растворов и эмульсий, обладающих высокой степенью гомогенности. Но их применимость к нефтяным системам также является предметом многих исследований, наиболее характерные из которых рассмотрены в работе [3].

При обработке нефтяных систем ультразвуком наблюдается явление, называемое кавитацией. Фактически, это образование и схлопывание в жидкой среде пузырьков газа. Результатом этого, при обработке высокой степени интенсивности, является разложение высокомолекулярных парафинов, вследствие чего изменяются физико-химические свойства нефти и нефтепродуктов. Также кавитаци-онные эффекты, возникающие при воздействии ультразвука на нефть, препятствуют объединению поляризованных ассоциатов в крупные структуры, диспергируя их на более мелкие группы молекул.

Вместе с тем, большая часть работ рассматривает акустическое воздействие исключительно на безводные нефтяные системы, тогда как изучение волновых методов в рамках промысловой тематики требует учитывать целый комплекс немаловажных факторов. Следует принимать во внимание степень обводненности эмульсии, размер глобул воды, агре-гативную и кинематическую устойчивость эмульсии, влияние деэмульгатора, температуру эмульсии, время физического воздействия, стоимость минуты обработки и так далее.

Предлагаемая статья является частью серии работ, рассматривающих влияние отдельных и комплексных физических воздействий на свойства во-донефтяных систем, находящихся в условиях пониженных температур. В данной работе рассматривается влияние ультразвукового излучения на реологические свойства малопарафинистой нефтяной

эмульсии. Цель - оценить влияние ультразвуковой обработки на процесс перекачки водонефтяной системы на этапе внутритрубной деэмульсации.

Обсуждение результатов

В качестве объекта исследования использовалась 30%-ная нефтяная эмульсия. Для ее получения использовалась безводная нефть с плотностью р=880 кг/м3. Нефть перемешивали с водой в миксере с числом оборотов 2500 об-1 в течение 5 минут.

При оценке деэмульгирующей активности реагентов в условиях внутритрубной деэмульсации обезвоживание нефтяной эмульсии ведут при температуре 7°С. В соответствии с этим, все последующие эксперименты - замер вязкости, обработка в ультразвуковом диспергаторе (УЗД) - были подведены под эту температуру.

Результаты измерения вязкости исходной нефти и приготовленной на ее основе «свежей» и «застарелой» эмульсии приведены в таблице 1. Измерение динамической вязкости производилось на реотесте «ВгоокАеИ».

Таблица 1 - Результаты изменения вязкости нефтяных систем от скорости вращения шпинделя

Скорость вращения шпинделя, об/мин Динамическая вязкость, сПз:

Исход-нойнефти «Свежей» эмульсии Эмульсии после 3-х дней выдержки

1 261 2160 2490

5 188,4 1110 1374

10 176,7 894 1125

15 175 802 982

20 174 744 898,5

25 176,4 703,2 828

30 176 669 774

35 176 641,1 736,3

40 176 615 705,8

Также перед обработкой в УЗД-аппарате было проведено микроскопирование и фотографирование исходной эмульсии при 400-кратном увеличении (рис. 1). Здесь достаточно отчетливо видны глобулы различного размера.

Далее проводили обработку эмульсии в УЗД с частотой излучателя 22 кГц. Ультразвуковой дис-пергатор выполнен в виде настольной установки и конструктивно представляет собой стойку, в которой размещен транзисторный генератор и соединенным с ним блоком излучателей с конической насадкой в кожухе. Непосредственно генератором, подключенным к сети переменного тока напряжения в 220В, производится настройка на рабочую частоту излучателя и регулируется выходная мощность. Для охлаждения излучателя в его кожух подается вода. Излучатель при настройке генератора должен работать в диспергируемую жидкость. Обработке ультразвуком подвергали нефтяную эмульсию в объеме 100 мл. Время облучения составляло 3 минуты.

Рис. 1 - Фотография 30%-ной водонефтяной эмульсии

После обработки в УЗД образец эмульсии был помещен в микроскоп. В соответствии с рисунком 2 видно, что система находится в сильно диспергированном состоянии. Глобулы воды имеют очень малый диаметр и они с трудом просматриваются как при 400-кратном, так и при 800-кратном увеличении. Можно сказать, что система существенным образом гомогенизирована.

В качестве отступления следует сказать, что хотя уменьшение диаметра частиц дисперсной фазы должно приводить к большей стабильности эмульсионной системы, дополнительным экспресс-экспериментом показано, что обработка эмульсии ультразвуковым излучением несколько интенсифицирует дальнейшее её термохимическое обезвоживание, а не наоборот - ухудшает.

шц

ЩШм

• . 3

Рис. 2 - Фотография водонефтяной эмульсии, выполненная сразу после обработки в УЗД-22

Следующим шагом было изучено влияние ультразвука на реологические свойства трехдневной эмульсии, а также время их восстановления. На рисунке 3 представлены зависимости вязкостей от скорости вращения шпинделя для таких исследуемых объектов, как:

- исходная трехдневная эмульсия;

- эмульсия после УЗД-22;

- эмульсии спустя одни, трое и десять суток после обработки в УЗД.

При измерении динамической вязкости до и после обработки ультразвуком можно отметить, что вязкость обработанной среды при малых скоростях

сдвига уменьшилась, по сравнению с вязкостью исходной эмульсии, в 5 раз. К тому же линии вязкости приобрели пологий вид: заметно, что изменение скорости сдвига эмульсии стало значительно меньше влиять на вязкость. Также важно отметить, что хотя с течением времени и происходит релаксация системы, однако ее время достаточно продолжительно и измеряется сутками. То есть эффект от УЗД сохраняется надолго.

ко значителен в этих условиях процесс разрушения-восстановления высокомолекулярных компонентов, возможно, к примеру, несколько прояснить фракционной разгонкой нефти на разных временных этапах ее релаксации.

Рис. 4 - Фотография водонефтяной эмульсии, выполненная через две недели после обработки в УЗД-22

Заключение

В заключении отметим следующее. Мощное ультразвуковое воздействие приводит к значительному снижению вязкости водо-нефтяных систем. Изменяется не только вязкость, но и сам характер зависимости вязкости от приложенного напряжения. Одной из причин этого является сильное диспергирование водной фазы. Показано, что с течением времени склонность к восстановлению собственной структуры имеют не только нефтяные компоненты -асфальтены и парафины, что указано в различных статьях, но и глобулы воды. Вероятно, что их укрупнение обусловлено временной деструкцией природных стабилизаторов эмульсии, которые в обычных условиях этому укрупнению препятствуют.

1 5 10 15 20 25 ЗО 35 Скорость вращения шпинделя, об/мин

Эмульсия (30%, • ji'niii

- * Эмульсия

- Эмульсия

---Эмульсия

.....- Эмульсия

Рис. 3 - Зависимости вязкостей от скорости вращения шпинделя для исследуемых объектов

Говоря о причинах восстановления вязкости, следует учитывать, что в данном случае эксперимент ведется не с "чистой" нефтью, а с водонефтяной эмульсией. И принимая во внимание то, что во время кавитации разрушаются высокомолекулярные вязкостно-образующие компоненты, которые потом же и восстанавливаются, не следует пренебрегать фактором влияния на вязкость состояния дисперсной фазы, которая, как видно из вышеприведенных фотографий, подвергается существенным изменениям.

Спустя две недели после облучения ультразвуком эмульсия была помещена под микроскоп и сфотографирована (рис. 4).

Можно видеть, что с течением времени происходит восстановление исходных свойств системы, и глобулы воды снова укрупняются. Фактически, восстанавливается исходная дисперсность водо-нефтяной системы и даже несколько больше становится глобул условно "среднего" размера. Насколь-

© А. А. Верховых - магистр каф. химической технологии переработки нефти и газа КНИТУ, stasechka-best@mail.ru; А. А. Елпидинский - доцент той же кафедры, sinant@yandex.ru.

© A. A. Verkhovykh - Master of the Department of Chemical Engineering of Oil and Gas KNRTU, stasechka-best@mail.ru; A. A. Elpidinsky - Associate Professor of the same department, sinant@yandex.ru.

Литература

1. Косяк Д.В., Маркин А.Н. Опыт борьбы с отложениями АСПО в подводных трубопроводах проекта "Сахалин-2" // «Территория нефтегаз», 2011, №6 - С. 78-86

2. Верховых А.А., Ермеев А.М., Елпидинский А.А. Облагораживание реологических свойств нефти физическими методами // Вестник технол. ун-та. 2015. Т 18. №15 - С.64

Солодова Н.Л., Фахрутдинов Р.З., Ганиева Т.Ф. Волновые технологии в нефтедобыче и нефтепереработке. -К.: Уч.пособие, 2012.- 81 с.

3