Анализ действия торсионных полей на характеристики нефтей методом ЯМР

УДК 678:541.64:543.42

В. С. Минкин, Б. Н. Иванов, Р. Н. Костромин,

А. Х. Сулейманов, В. Н. Вавилова

АНАЛИЗ ДЕЙСТВИЯ ТОРСИОННЫХ ПОЛЕЙ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕФТЕЙ МЕТОДОМ ЯМР

Ключевые слова: метод ядерного магнитного резонанса, ядерная магнитная релаксация, торсионное поле,

надмолекулярные структуры (ассоциаты).

Приведены результаты исследований влияния торсионных полей на такие важные характеристики природных и промышленных нефтей как вязкость и плотность и их связь с временем ядерной релаксации. Установлено, что метод ЯМР-релаксометрии позволяет оценить изменение межмолекулярных вкладов при различных видах обработки нефтесодержащих систем.

Keywords: nuclear magnetic resonance method, nuclear magnetic relaxation, torsional field, permolecular structures

(associates).

The article contains the results of researches of influence of torsional fields on such significant natural and industrial oils features as viscosity and density and their connection with nuclear relaxation times. The NMR relaxometer gives an opportunity to estimate the changes of intermolecular contribution in different oil-refining processes.

В последнее время для оценки тех или иных характеристик нефтесодержащих и полимерных систем нашел широкое применение метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) [1-3]. Методы ЯМР, включая ЯМР-низкого разрешения, ЯМР-релаксацию (импульсный метод) наиболее эффективны, на наш взгляд, для оценки обобщенных характеристик с учетом надмолекулярной структуры сложных жидкофазных систем и, в первую очередь, нефтесодержащих систем [2].

Известно[4], что процесс релаксации отвечает за возврат спинового ансамбля к равновесию, т. е. за восстановление нормального для данных условий распределения количества спинов (например, ядер водорода) между различными уровнями квантовой спин-системы. В первом приближении скорость ядерной магнитной релаксации, в механизме которой преобладают диполь-дипольные взаимодействия, определяется распределением ядерных спинов «данного сорта» по объему образца, расстояниями их относительно друг друга, интенсивностью молекулярных движений различных по подвижности фазовых структур образцов, которые приводят к наличию спектра времен корреляции, зависящем от времени.

На скорость ядерной магнитной релаксации влияет также наличие парамагнитных или иных примесей в нефтесодержащих системах.

Поэтому, на времена ядерной релаксации Т1 и Т2 оказывает влияние надмолекулярные структуры, образующиеся в жидкофазных или коллоидных системах при их обработке силовыми полями [5]. От интенсивности движения и количества образующихся новых структур (ассоциатов) или степени их разрушения будет осуществляться вклад и в спин-решеточную (время Т1) и в спин-спиновую релаксацию (время Т2), величина которого в каждом конкретном случае будет зависеть от фазовой структуры исследуемых систем. Нами исследовано влияние торсионных полей на такие важные характеристики природных и промышленных нефтей как вязкость и плотность и их связь с временем ядерной релаксации.

В работе использовались образцы скомпаундированных нефтей Волго-Уральской нефтегазоносной провинции (региона).

Обработка образцов проводилась в статическом генераторе торсионного поля (СГТП) и динамическом (ДГТП).

Использовались «малый» (М) и «большой» (Б) генераторы торсионных полей. СГТП-М имел внутренний диаметр ~ 60 мм, СГТП-Б - 200 мм (объем емкости ~ 250 см3). Под ДГТП-М понимался генератор с объемом рабочей емкости ~ 300 см3, под ДГТП-Б ~ 2000 см3.

Условия и результаты обработки представлены в таблицах № 1 и 2.

Таблица 1 - Действие статического генератора торсионного поля

№ образца Тип генератора Время обработки, сутки Тіа, сек П, сПз р, кг/м3

1 2 3 4 5 6

1 (исходный образец) - - 0,165 8,5 884

2 (31) СГТП-М 1 0,160 8,3 884

3 (3) 3 0,150 8,0

4 (9) 5 0,140 7,5

5 (25) 7 0,143 7,5

6 (32) 1 0,155 8,0

7 (4) СГТП-Б 3 0,150 7,9

8 (10) 5 0,140 7,3

9 (26) 7 0,140 7,3

Таблица 2 - Действие динамического генератора торсионного поля

№ образца Условия обработки Тіа, сек ц, сПз р, кг/м3

Мощность, Вт об/мин Время обработки, мин

Действие ДГТП-М

1 (исходный образец) 0,165 8,5 884

2 (5) 100 600 5 0,154 8,1 884

3 (6) 10 0,150 8,0

4 (7) 20 0,150 7,9

5* (8) - - -

6 (11) 120 1200 5 0,154 8,0 884

7 (12) 10 0,150 (0,145) 7,5

8 (13) 20 0,150 (0,145) 7,3

9 (14) 40 0,150 (0,145) 7,3

10 (15) 200 2000 3 0,150 7,9 884

11 (16) 6 0,152 7,9

12 (17) 12 0,150 8,0

13 (8) 14 0,150 7,9

Действие ДГТП-Б

14 (20) 200 2000 2 0,154 8,00 884

15 (21) 6 0,150 7,90

16 (22) 14 0,146 7,90

17 (23) 30 0,146 7,90

18 (24) 70 0,146 7,84

* № 5 вода.

Как видно из данных табл. 1 максимальные изменения в образцах наблюдались до 5 суток обработки в СГТП независимо от диаметра последнего. Причем, вязкость уменьшается для всех диаметров в указанном диапазоне.

Значение времени релаксации Т1а изменяется не очень значительно, что указывает на малое влияние обработки и небольшое изменение при этом межмолекулярных вкладов в Т1.

Данные табл. 2 свидетельствуют о том, что потребляемая мощность и число оборотов до 1200 об/мин. мало влияют на физические параметры, хотя общая тенденция понижения вязкости сохраняется. Видимо, при определенных условиях наблюдается более эффективное действие полей (~ 1200 и более об/мин.), т.к. убыстрение оборотов до 2000 и более, а так же увеличение потребляемой мощности мало влияет на изменение Т1а и п. Увеличение объемов генератора оказывает небольшое влияние. Данный факт может быть связан с изменением межмолекулярного вклада, а не с режимом обработки. Следует отметить то обстоятельство, что время обработки оказывает влияние (максимум эффекта обработки при 10-15 мин.).

Т.о., метод ЯМР-релаксометрии позволяет оценить изменение межмолекулярных вкладов при различных видах обработки нефтесодержащих систем.

Литература

1. Иванов, Б.Н. Волновые процессы и технологии добычи и подготовки нефти Б.Н. Иванов А.Н. Гурьянов, А.М. Гумеров. - Казань: ФЭН АН РТ, 2009. - 393 с.

2. Суханов, П.П. Исследование процессов структурирования олигомерных композиций методами радиоспектроскопии / П.П. Суханов, В.С. Минкин. - Казань: КГТУ, 2011. 223 с.

3. Кашаев, Р.С. Изучение динамики структурного упорядочения в нефтяных дисперсных системах методом ЯМР / Р.С. Кашаев // Нефтехимия . - 2003. - т. 43. - № 2, С. 143-150.

4. Слоним, И.Я. ЯМР в полимерах / И.Я. Слоним, А.Н. Любимов. - М., Химия, 1966. - 339 с.

5. Иванов, Б.Н. Супрамолекулярная структура нефтегазосодержащих систем Волго-Уральской газоносной провинции / Б.Н. Иванов, В.С. Минкин, Д.Л. Семенов // Вестник Казан. технол. ун-та. -2010. - № 5. - С. 37-41.

© В. С. Минкин - д-р хим. наук, проф. каф. физики КНИТУ, yerus@yandex.ru; Б. Н. Иванов - д-р техн. наук, проф. каф. общей химической технологии КНИТУ, ivanovbn@rambler.ru; Р. Н. Костромин -канд. техн. наук, доц. каф. химической технологии переработки нефти и газа КНИТУ, kostromin-rn@rambler.ru; А. Х. Сулейманов - вед. инженер проекта НИИХП; В. Н. Вавилова - асс. каф. физики КНИТУ.