СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА В ЭМУЛЬСИЯХ ТИПА "ВОДА В УГЛЕВОДОРОДЕ" И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DETERMINING DISPERSION COMPOSITION IN "WATER IN HYDROCARBON" TYPE EMULSIONS AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к измерительной технике, предназначенной для определения дисперсного состава жидкостных эмульсий и может быть использовано в нефтяной, нефтеперерабатывающей и химической промышленности для контроля качества разделения или приготовления жидкостных эмульсий.
Известен седиментационный анализ определения распределения частиц дисперсной фазы эмульсии по размерам (с.150 в книге: Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. - М.: изд-во МГУ, 1982). Суть его состоит в следующем: берется тарированная емкость (например, цилиндр или лабораторный отстойник), в которой на высоте Н помещают чашечку весов Фигуровского. Затем в емкость аккуратно наливается навеска исследуемой дисперсии (суспензия, эмульсия). После чего регистрируют во времени t изменение веса Р осадка, накапливающегося на чашечке весов Фигуровского при оседании частиц дисперсной фазы, которые первоначально были равномерно распределены по высоте. Распределение частиц по размерам f(r) находят с помощью формулы (1):
где r - радиус частиц;
ρ - плотность дисперсной фазы;
0
ρ - плотность дисперсионной фазы;
g - ускорение свободного падения;
η - вязкость дисперсионной среды;
Н - высота заполнения тарированной емкости;
max
Р - максимальный вес осадка.
Недостатками седиментометрического анализа являются ограниченность его применения разбавленными эмульсиями и сложность измерения.
Известны кондуктометрический способ и устройство (счетчик Коултер) для определения распределения частиц дисперсной фазы эмульсии по размерам (с.62 в книге: Беляков В.Л. Автоматический контроль параметров нефтяных эмульсий. М.: Недра, 1992). Счетчик состоит из двух электродов, один из которых размещен внутри ампулы, заполненной чистой дисперсной средой. Ампула имеет микроотверстие, сообщающее ее с сосудом с контролируемой жидкостью, в которой размещен другой электрод. На электроды подается постоянное напряжение. При прохождении частицы через микроотверстие увеличивается сопротивление между электродами. При этом ток уменьшается и с сопротивления нагрузки снимается импульс напряжения, амплитуда которого пропорциональна объему проходящей через микроотверстие частицы. Импульсы усиливаются, сортируются дискриминатором и считываются счетчиком. Дискриминатор пропускает импульсы только в том случае, если их амплитуда превышает пороговое значение. Вводя несколько циклов счета при разных порогах дискриминации, получают интегральную кривую распределения частиц по размерам.
Метод неприменим к эмульсиям, сплошная фаза которых является непроводящей средой. Кроме того, для получения качественных результатов замеров требуется высокая степень разбавления эмульсии.
В последнее время для определения распределения частиц дисперсной фазы эмульсии по размерам применяют цифровые микроскопы, оснащенные соответствующим программным обеспечением, например марки «KRUSS MBL 2100» с программным обеспечением фирмы «Видео-Тест», С.Петербург. Но практика показала, что программа не в состоянии правильно распознать микрообъекты с нечеткими границами и выдает ошибочные распределения капель по размерам.
Наиболее близкими по технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемым являются способ и устройство, описанные в книге: Тронов В.П. Промысловая подготовка нефти. - М.: Недра. - 1977, см. с.153-154. Способ осуществляют следующим образом. Отбирают пробы эмульсии, которая отстаивается в условиях, моделирующих производственные, и затем строят графики в координатах количество выделившейся воды (W) - время (Т). Определение размеров капель и оценка на основе кривых осаждения скорости расслоения эмульсии в отстойной аппаратуре на нефть и воду осуществляют с помощью формул (2) и (3):
где φ - плотность распределения объема дисперсной фазы по радиусам капель;
W - объем выделившейся дисперсной фазы к моменту времени t;
а и b - коэффициенты, определяемые методом наименьших квадратов;
Главным недостатком способа и устройства является то, что процесс отстоя фиксируется визуально, что при наличии промежуточного слоя обуславливает большую погрешность определения величины (W) и низкую точность расчета распределения капель по размерам. В промысловых эмульсиях, капли дисперсной фазы которой защищены оболочками, толщина промежуточного слоя может быть значительной и не учет промежуточного слоя не позволяет получить достоверные результаты. Кроме того, нечеткость границы «эмульсия - выделившаяся вода» усиливает роль субъективного фактора в замере объема выделившейся воды.
Технической задачей предлагаемого способа и устройства являются повышение точности определения распределения капель по размерам с уменьшением субъективного фактора с использованием доступных, не дорогостоящих компонентов.
Поставленная задача решается описываемым способом определения дисперсного состава в эмульсиях типа «вода в углеводороде», включающим замер объема в тарированной емкости выделившейся на определенный момент времени воды с последующей обработкой результатов в зависимости от времени определения распределения капель воды по размерам в эмульсин.
Новым является то, что замер объема выделившейся на определенный момент времени воды производят регистрацией напряжения на эталонном сопротивлении установленным параллельно находящимся в выделившейся воде электродом и вертикальным электродом в диэлектрическом покрытии, спущенным на всю толщину эмульсии и предварительно тарированным для подобного состава выделяемой воды на частоте, на которой производят замеры, дающей зависимость напряжения на эталонном сопротивлении от высоты смачивания этой водой диэлектрического покрытия.
Поставленная задача решается описываемым устройством для реализации способа, включающим тарированную емкость и измерительный модуль для определения объема в этой емкости выделившейся на определенный момент времени воды.
Новым является то, что измерительный модуль выполнен состоящим из генератора переменной частоты, эталонного сопротивления с вольтметром, подключенными параллельно расположенным в тарированной емкости и находящимся в выделившейся воде электроду и вертикальному электроду в диэлектрическом покрытии, спущенному на всю толщину эмульсии и предварительно тарированным для подобного состава выделяемой воды на частоте, на которой производят замеры, дающей зависимость напряжения на эталонном сопротивлении от высоты смоченной части этой водой диэлектрического покрытия.
На фиг.1 изображена схема устройства для реализации способа.
На фиг.2 даны калибровочные кривые.
На фиг.3 даны кривые отстоя.
На фиг.4 дана плотность распределения капель по размерам.
Устройство определения дисперсного состава в эмульсиях 1 (см. фиг.1) типа «вода в углеводороде» (далее эмульсия), включающее тарированную емкость 2 и измерительный модуль. Измерительный модуль состоит из генератора переменной частоты 3, эталонного сопротивления 4 с вольтметром 5, подключенными параллельно расположенным в тарированной емкости 2 и находящимся в выделившейся из эмульсии 1 воде 6 электроду 7 и вертикальному электроду 8 в диэлектрическом покрытии 9, спущенному на всю толщину эмульсии 1 и предварительно тарированным для подобного состава выделяемой воды 6 на частоте, на которой производят замеры, дающей зависимость напряжения, измеряемом вольтметром 5, на эталонном сопротивлении 4 от высоты смоченной части этой водой 6 диэлектрического покрытия 9.
Находящийся в выделившейся воде 6 электрод 7 может быть выполнен любым способом, например: во-первых, в виде проводника герметично введенного в нижнюю часть тарированной емкости 2 через ее стенку (на фиг.1 не показан); во-вторых, в виде проводника 7, спущенного сверху емкости 1, изолированного снаружи, например, вертикальным электродом 8 (см. фиг.1). При первом варианте изготовление электродов 7 и 8 проще, но требуется специально подготовленная тарированная емкость 2, а во втором случае можно использовать любую тарированную емкость 8, например лабораторный градуированный отстойник. При этом роль вертикального электрода 8 (см. фиг.1) может играть: в первом случае тонкий проводник (на фиг.1 не показан) в герметичной оплетке, являющейся диэлектрическим покрытием 9 (см. фиг.1); а во втором случае водный раствор NaCl, помещенный в герметичную камеру (например, полипропиленовый капилляр диаметром 2 мм), являющийся диэлектрическим покрытием 9 расположенного снаружи изолятора 10 электрода 7.
Способ осуществляют в следующей последовательности.
Наливают в тарированную емкость 8 (например, лабораторный градуированный отстойник) эмульсию типа «вода в углеводороде», состоящую из выделяющихся при отстое недистиллированной воды 6 выделившейся нефти 11 и промежуточного слоя 12. Вертикально по оси тарированной емкости 2 устанавливают электрод 8 с диэлектрическим покрытием 9. Затем собирают электрическую схему измерительного модуля, состоящего из генератора переменной частоты 3 (например, звукового) и подключенных параллельно к электродам 7 и 8 эталонного сопротивления 4, цифрового вольтметра 5, осциллографа 13 (для контроля над частотой генератора 3 и возникающими помехами) и заземление 14 (для минимизации наводимых помех). После чего выполняется калибровка устройства при определенной частоте подаваемого генератором переменной частоты 3 сигнала. Частота выбирается исходя из максимального приближения к линейной калибровочных кривых (см. фиг.2) [зависимости объема воды 6 в тарированной емкости 2 (см. фиг.1) к снимаемым показаниям (напряжению) с эталонного сопротивления 10]. Для чего в тарированную емкость 2 при заданной частоте последовательно наливают отмеренный водный раствор NaCl с плотностью, близкой к выделяемой из эмульсии 1 пластовой воды 6, и строят калибровочные кривые 1 и 2 (см. фиг.2) на разных частотах, подаваемых с генератора переменной частоты 3, с последовательным снятием показаний (напряжения) с эталонного сопротивления 10, изменяющихся в зависимости от высоты смачивания водой 6 диэлектрического покрытия 9 вертикального электрода 8. Выбирают частоту для снижения погрешностей измерения, на которой калибровочная кривая 1 (см. фиг.2) наиболее близка к линейной зависимости. Эту частоту сигнала фиксируют, производят замеры и строят для данной частоты подробную калибровочную кривую 1 (см. фиг.2). В ходе испытаний применялся сигнал с генератора переменной частоты 3 (см. фиг.1) частотой n=3-16 кГц. Затем лабораторный отстойник 2 заполняют исследуемой эмульсией 1 и через выбранные интервалы времени фиксируют показания цифрового вольтметра 5. Пользуясь калибровочной кривой 1 (см. фиг.2), составленной при тарировке измерительного модуля, переводят показания вольтметра 5 (см. фиг.1) в объем выделившейся воды 6. В процессе измерения контролируется выходной сигнал с помощью осциллографа 13. Если исходная форма сигнала (синусоида) меняется, то измерения прекращают. Ищут причину искажения сигнала и устраняют ее. Затем заполняют лабораторный отстойник 2 новым образцом исследуемой эмульсии и повторяют аналогичные измерения. По окончании измерений выполняют расчет плотности распределения дисперсной фазы (капель углерода в воде) по размерам, используя для этого формулы (1), (2).
Пример экспериментального выполнения. Собирается электрическая схема измерительного модуля. Устанавливаются электроды 7 и 8 по оси лабораторного отстойника 2. Проводится калибровка измерительного модуля и строится калибровочная кривая (см. фиг.2). Результаты измерений представлены на фиг.2, где 1, 2 - калибровочные кривые для объема и напряжения на разных частотах (соответственно 5 и 10 кГц) выдаваемых генератором переменной частоты 3 (см. фиг.1) (по оси Х (см. фиг.2) отложены истинные значения объема, мл; по оси Y - показания цифрового вольтметра 5 (см. фиг.1), снимаемые с эталонного сопротивления 4, мВ). Выбрали и зафиксировали частоту генератора переменной частоты 3, равную 5 кГц и соответствующую калибровочной кривой 1 (см. фиг.2).
Затем готовится искусственная эмульсия 1 типа «вода в углеводороде», где в качестве углеводорода применялось трансформаторное масло. Выбор трансформаторного масла в составе эмульсии 1 обусловлен близостью его свойств к свойствам нефти и отличием от последней в оптических свойствах, а именно, эмульсия 1 воды 6 в трансформаторном масле оптически менее плотная, чем эмульсия 1 воды 6 в нефти 11, что позволяет более точно визуально фиксировать наличие промежуточного слоя 12 в процессе отстоя, уменьшая тем самым субъективный фактор. Образец эмульсии заливают в тарированную емкость 2 и проводят измерения описанным выше способом на частоте 5 кГц. Результаты приведены на фиг.3, где 1, 2 - значения, найденные по границе промежуточного слоя 12 (см. фиг.1) с водой 6 и трансформаторным маслом 11 соответственно, определенные визуальным способом; 3 (см. фиг.3) - по показаниям датчика. + и - - это разброс для кривой 1, обусловленный отсутствием четкой границы раздела фаз, определяемой разными наблюдателями. Данный разброс доходил до 20% от усредненного показания. На графике, изображенном на фиг.3, по оси Х отложено время, мин, а по оси Y - объем, мл. Предлагаемый способ в отличие визуального начал контролировать разделение эмульсии с среднем на 2 минуты раньше, показания, особенно на начальном этапе, отличались до 300% и давал показания более соответствующие действительности с разбросом не более 10%. При этом предлагаемое устройство для осуществления способа можно подключить к системам автоматизации, в том числе в состав которых входят компьютеры, что практически полностью исключает человека из системы осуществления способа, в том числе и для расчетов, что практически полностью исключает субъективный фактор.
3
После чего выполняют расчет плотности распределения капель по размерам по формулам (1) и (2). В расчете приняты плотность и динамическая вязкость трансформаторного масла при 20°С, равные 885 кг/м и 19,5 МПа·с соответственно. Результаты приведены на фиг.4, где по оси Х отложена величина радиуса капель в сантиметрах, а по оси Y - распределение объема по размерам.
Из графиков на фиг.3 видно, что предлагаемый способ в отличие визуального начал контролировать разделение эмульсии в среднем на 2 минуты раньше, показания, особенно на начальном этапе, отличались до 500% и давали их более соответствующими действительности с разбросом не более 10%. При этом предлагаемое устройство для осуществления способа можно подключить к системам автоматизации, в состав которых могут входить и компьютеры, что практически полностью исключает человека из системы осуществления способа, в том числе и для расчетов, что практически полностью исключает субъективный фактор. Для осуществления способа не требуется применения дорогостоящих компонентов и специализированного оборудования.
Эффективность способа еще больше при исследовании эмульсии, где в качестве «углеводорода» использовалась нефть. Точность предлагаемого способа от визуального на начальном этапе была выше до 700%.
Использование предлагаемого способа и устройства измерения дисперсного состава нефтяных эмульсий позволяет обеспечить достоверной информацией проекты обустройства новых месторождений и повысить эффективность эксплуатации существующих.
Способ позволит использовать аппаратный метод измерения с последующей обработкой данных с использованием доступных, не дорогостоящих компонентов и без участия человека, обеспечивая точность измерения, в 2-3 раза превосходящую точность визуального способа измерений.