ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ХИМИЧЕСКИХ ДЕЭМУЛЬГАТОРОВ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ВЯЗКОСТИ ВОДОНЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ ПРИ ТРУБОПРОВОДНОМ ТРАНСПОРТЕ

Введение

Водонефтяные эмульсии формируются в процессе добычи и транспорта нефти под действием гидродинамических, химических и температурных факторов. Стабильность таких эмульсий определяется наличием природных ПАВ — асфальтенов, смол, нафтеновых кислот и парафинов. Устойчивые эмульсии характеризуются высокой вязкостью, что повышает гидравлическое сопротивление и энергозатраты на перекачку. Химические деэмульгаторы применяются для разрушения этих структур, ускорения коалесценции воды и снижения вязкости. В настоящее время проблема контроля эмульсий в нефтяной промышленности остаётся актуальной [1], особенно при разработке высокопарафинистых и асфальтеносодержащих месторождений.

Обозначения и сокращения

ПАВ — поверхностно-активные вещества.

HLB — гидрофильно-липофильный баланс.

BS&W — содержание механических примесей и воды.

μ — динамическая вязкость.

ρ — плотность.

Q — расход.

P — давление.

W/O — эмульсия вода в масле.

O/W — эмульсия масло в воде.

ppm — parts per million (миллионные доли).

1. Теоретические основы

Разрушение водонефтяных эмульсий требует анализа физико-химической природы стабилизации. Основу устойчивости составляют асфальтены, образующие жесткие плёнки на границе раздела. Смолы и нафтеновые кислоты усиливают их действие. Деэмульгаторы воздействуют на эту систему, нарушая межфазное взаимодействие [2]. Долгие годы исследований показали, что механизм стабилизации эмульсий намного сложнее, чем казалось на первый взгляд, и зависит от многих факторов, включая полиморфизм кристаллических структур парафинов и их влияние на прочность адсорбционной оболочки.

1.1. Механизмы действия деэмульгаторов

Механизм действия включает три ключевых направления:

Вытеснение природных стабилизаторов с межфазной поверхности. Деэмульгатор имеет более высокую поверхностную активность и конкурирует с асфальтенами за место на границе раздела фаз. Этот процесс происходит в течение нескольких минут в зависимости от характеристик деэмульгатора и условий среды.

Ослабление вязкоэластичной плёнки вокруг капель воды, что облегчает разрыв и слияние капель. Молекулы деэмульгатора нарушают прочность упругих структур, образованных адсорбированными асфальтенами и смолами, снижая их способность сопротивляться деформациям.

Снижение поверхностного натяжения, что ускоряет процесс коалесценции и образование крупных капель. Эта тройная атака на эмульсию обеспечивает её разрушение в течение относительно короткого времени.

Оптимальный деэмульгатор снижает поверхностное натяжение с 16 мН/м до 1.8–3 мН/м [3]. При этом скорость коалесценции увеличивается экспоненциально, особенно при температурах выше 40 °C.

1.2. Роль HLB

HLB определяет полярность молекулы и её распределение между водной и нефтяной фазами. Для W/O эмульсий эффективны деэмульгаторы с HLB = 5–13. При низком HLB молекула уходит в нефть и не работает на границе; при высоком — уходит в воду. Оптимум обеспечивает максимальную адсорбцию на границе масло–вода.

Эксперименты показывают, что за пределами оптимального диапазона HLB эффективность деэмульгатора падает на 50–70% [4]. Синергетические эффекты могут быть достигнуты при использовании смесей деэмульгаторов с разными значениями HLB, что позволяет охватить более широкий спектр эмульсий с различным групповым составом.

1.3. Влияние концентрации

Концентрация — один из ключевых факторов. При дозировке 10 ppm эффективность разрушения составляет 8%, при 40 ppm — 99.17% за 30 минут. Однако при превышении критической концентрации деэмульгатор начинает стабилизировать эмульсию вместо разрушения. Это явление связано с формированием микромицелл на границе раздела, которые восстанавливают целостность адсорбционной оболочки. Полевые данные показывают необходимость 20–50 ppm, иногда до 850 ppm.

Оптимальная концентрация зависит от типа нефти, содержания воды, температуры и давления [5]. Установлено, что существует квадратичная зависимость между дозировкой и степенью разделения в диапазоне 10–100 ppm, после чего эффективность начинает снижаться.

1.4. Влияние температуры

Температура существенно влияет на вязкость и скорость массопереноса. При 10 °C разделение = 15%, при 50 °C — 50%, при 70 °C — 57%. При 70 °C деэмульгатор работает за 3 минуты для концентраций 30–50 ppm.

Температурная зависимость объясняется несколькими факторами: снижением вязкости, увеличением диффузионных процессов, усилением молекулярного движения адсорбированных молекул и изменением конформации молекул деэмульгатора. Однако при температурах выше 80 °C происходит деградация молекул ПАВ, что приводит к снижению их активности.

1.5. Влияние времени осаждения

Процесс разделения включает флокуляцию, коалесценцию и седиментацию. При 40 ppm: 23% за 5 мин и 99% за 30 мин при 25 °C. Современные реагенты достигают полного разделения за 32 минуты при 731 ppm и 80 °C.

Кинетические исследования показывают, что скорость разделения подчиняется логарифмической функции времени [6] в начальный период (первые 10 минут), а затем замедляется. Это связано с истощением наиболее неустойчивых капель воды и возрастанием сложности разрыва оставшихся, более прочных капель.

1.6. Эффективность по типу стабилизирующих компонентов эмульсии

Асфальтены являются ключевым стабилизатором. При высоком их содержании время разделения увеличивается. Для лёгких эмульсий полное разделение требуется < 10 минут при 50 °C, для тяжелых — до 15 минут.

Классификация эмульсий по типу стабилизирующих компонентов позволяет выбрать наиболее подходящий деэмульгатор. Нефти с высоким содержанием парафинов требуют деэмульгаторов с иной структурой, чем нефти, стабилизированные асфальтенами. Например, для парафинистых нефтей эффективны фенольные и аминные деэмульгаторы, а для асфальтеносодержащих — полиоксиэтиленовые эфиры [7].

2. Методы исследования

Использованы методы: вискозиметрия, термостатирование, оценка скорости коалесценции, определение остаточной воды. Температуры: 20–60 °C. Дозировки 50–200 г/т. Потери давления определяются зависимостью:

Экспериментальные методики включают стандартные ASTM и API, а также авторские методы. Используется ротационная вискозиметрия при сдвиговых напряжениях 100–1000 с⁻¹. Реология изучается на приборах типа Brookfield [8] DV-III и более современных микрореологических установках, позволяющих изучить поведение эмульсий в условиях, приближённых к промышленным.

2.1. Экспериментальное оборудование и техники

Электромикроскопия эмульсий проводится на микроскопах с увеличением 600–2000×. Размеры капель определяются с помощью лазерной дифрактометрии (приборы типа Malvern Mastersizer). Микроэмульсии изучаются методом динамического рассеяния света (DLS). Определение поверхностного натяжения проводится на приборах типа Krüss DSA 30 с точностью ±0.1 мН/м.

3. Результаты и анализ

Испытания показали: ПАВ снижают вязкость на 40–50%. Наибольший эффект достигается при 50 °C. Фенольные деэмульгаторы эффективны при низких температурах. Наблюдается пропорциональная зависимость между уменьшением поверхностного натяжения и степенью разделения.

Анализ экспериментальных данных выявил следующие закономерности: синергетический эффект при комбинировании нескольких типов деэмульгаторов позволяет снизить общую дозировку на 30–40%, не теряя эффективности. Микроанализ состава нефтей показал, что содержание нафтеновых кислот прямо коррелирует с требуемой дозировкой деэмульгатора.

3.1. Сравнительный анализ различных деэмульгаторов

Проведено сравнение поведения 15 коммерческих деэмульгаторов на моделях эмульсий, приготовленных из нефтей различных месторождений. Результаты показали следующее:

Демтрол 1015 демонстрирует стабильную эффективность в диапазоне 40–60 °C с дозировкой 75–150 ppm.

ПЭГ-600 монолеат более эффективен при повышенных температурах (60–80 °C) с концентрацией 50–100 ppm.

Фенольные деэмульгаторы работают лучше при низких температурах, особенно для парафинистых нефтей.

Полиаминовые композиции показали наиболее универсальное действие, охватывая более широкий диапазон температур.

4. Инновационные подходы

Современные разработки в области деэмульгаторов включают:

Магнитные наночастицы Fe₃O₄@C-F [9]: эффективность 96.68%, многократное использование. Парамагнитные свойства позволяют легко удалить деэмульгатор из нефтяного потока с помощью магнитного поля, что снижает потери реагента на 70–80%.

Гиперразветвленные полимеры h-PAMAM: 92% удаления за < 30 мин. Древовидная структура обеспечивает многочисленные активные центры, взаимодействующие с молекулами асфальтенов и смол.

Акустически активируемые деэмульгаторы NID [10]: до 99% при 60 °C. Комбинация ультразвуковой обработки с химическим воздействием деэмульгатора обеспечивает синергетический эффект.

4.1. Нанотехнологические решения

Применение наноколлоидов в качестве деэмульгаторов открывает новые возможности. Наночастицы SiO₂ и Al₂O₃, покрытые органическими слоями, могут проникать в адсорбционный слой асфальтенов и разрушать его изнутри. Экспериментальные образцы показывают эффективность до 98% при дозировке всего 5–10 ppm.

Применение графена и его производных (оксид графена, восстановленный оксид графена) также показывает перспективные результаты. Двумерная структура графена обеспечивает огромную удельную площадь поверхности, позволяя адсорбировать молекулы асфальтенов и смол в больших количествах.