Файл: Бабалян, Г. А. Физико-химические процессы в добыче нефти.pdf

странстве отличаются от свойств ее в свободном объеме. У стенок пор она приобретает большую вязкость и упругость формы.

Вода, проникая в поровое пространство, выталкивает в пер­ вую очередь слабо связанные с твердой поверхностью слои нефти из больших пор, обходя малые. В результате нефть в поровом пространстве за фронтом воды диспергируется', т. е. оказывается разделенной на линзы и капли. Часть нефти застревает в местах,, где она наиболее прочно связана с твердой поверхностью, в виде пленки, прилипших линз или капель, другая часть — движется.

По пути линзы и капли нефти принимают различные конфи­ гурации. Непрерывное изменение формы их объясняется тем, что' по пути они обволакивают смоченные водой агрегаты зерен раз­ личной пористости и смачиваемости, в результате чего силы, дейст­ вующие на внешний контур линз, меняются.

На процесс диспергирования влияет ряд факторов: величина поверхностного натяжения, краевого угла смачивания, скорости коалесценции капель и линз нефти и их движения, насыщенность нефтью порового пространства и т. д.

Содержание дисперсной нефти в поровом пространстве может изменяться в широких пределах. Когда концентрация дисперсной фазы мала, то глобулы находятся друг от друга на значительном отдалении. По мере увеличения содержания нефти в поровом пространстве расстояния между ними убывают и при больших концентрациях, как и вне порового пространства, глобулы сопри­ касаются своими защитными оболочками и интенсивно коалес­ цируют, если защитная оболочка обладает малой устойчивостью к коалесценции. Если же она обладает малой устойчивостью, то образуется связанная (сплошная) структура. Такая структура мо­ жет образоваться как в единичной поре, так и во всем поровом пространстве. Такая образовавшаяся в поровом пространствеэмульсия приобретает «твердообразные» свойства, т. е. высокую упругость формы, начинает обнаруживаться значительное пре­ дельное напряжение сдвига.

При еще более высоких концентрациях линзы и капли, сдав­ ливая друг друга, деформируются, превращаясь в полиэдрическиеячейки, разделенные пленками воды. Это хорошо видно в отдель­ ных порах при микросъемках процесса вытеснения воды нефтью и нефти водой. Однако и при сравнительно малом содержании дисперсной подвижной нефти могут образоваться пространствен­ ные структуры в результате коагуляции капелек в цепочке (без коалесценции). Возможность образования таких структур умень­ шается с применением ПАВ, улучшающих вытеснение.

При движении диспергированной массы нефти происходит непрерывное изменение фильтрационных ходов в поровом прост­ ранстве. Крупные поры временами закрываются недеформирую­ щимися каплями. С ними сталкиваются более мелкие капли, кото­ рые до этого беспрепятственно проносились водой. Если прочность

8а

защитного слоя капель большая, то слияние не успевает произойти, фильтрационный поток их снова разобщает.

В поровом пространстве могут быть капли, размеры которых значительно меньше размеров пор. Такие капли движутся в поро­ вом пространстве цо законам, близким к законам движения сво­ бодных твердых частиц, а поэтому вязкость нефти, состоящей из таких капель, существенного влияния на вытеснение ее водой не ■оказывает. Чем больше доля нефти в поровом пространстве с ука­ занными размерами капель, тем меньше влияние вязкости нефти на вытеснение.

Явление диспергирования нефти наблюдается в течение всего времени вытеснения ее водой. В начальный период вытеснения, когда в поровом пространстве имеется еще большая масса нефти, дисперсность нефти мала, так как наряду с диспергированием интенсивно протекает коалесценция.

По мере вытеснения нефти и уменьшения ее содержания в поро­ вом пространстве возможность столкновения глобул и их коалес­ ценция уменьшаются, в результате чего дисперсность подвижной ■части нефти в поровом пространстве возрастает. Как указывалось выше, капли очень малых размеров могут вести себя почти как твердые частицы, если величина поверхностного натяжения боль­ шая, а защитный слой обладает достаточной механической проч­ ностью. При застревании этих капель в сужениях пор необходимы большие усилия для их деформации и проталкивания. Чем больше поверхностное натяжение и механическая прочность адсорбцион­ ного слоя, тем при больших размерах капля становится мало деформируемой. Вместе с тем, чем меньше поверхностное натяже­ ние, тем интенсивнее процесс диспергирования и выше конечная ■степень дисперсности вытесняемой нефти. С увеличением краевых учлов смачивания, наоборот, дисперсность уменьшается. Более благоприятными становятся условия укрупнения капель и образо­ вания линз.

С уменьшением дисперсности нефти в поровом пространстве замедляется процесс вытеснения. Объясняется это тем, что давле­ ние, приходящееся на единицу массы нефти в линзе, с увеличением ■ее размера уменьшается, так как масса линзы увеличивается при шарообразной форме в кубе, а поверхность в квадрате. Если лииза или капля движутся по смоченной водой поверхности и не прили­ пают к ней, то движению их препятствуют капиллярное давление и механическая прочность адсорбционного слоя. Чем больше ско­ рость движения, меньше поверхностное натяжение и краевой угол ■смачивания, тем меньше возможность прилипания капель и линз подвижной части нефти к твердой поверхности.

Явление диспергирования нефти при вытеснении ее водой наблюдали как в капилляре, так и в пористой среде. Дробление капли в процессе движения в капилляре наблюдается и при про­ хождении через участки, гидрофобизированные ранее активными компонентами нефти.

■SO

При движении столбика нефти в цилиндрическом капилляре, заполненном стеклянными шариками, столбик по мере прохожде­ ния между шариками постепенно дробится на отдельные капли.

Вытеснение нефти проводилось со скоростями, близкими к пластовым. При увеличении скорости вытеснения дисперсность нефти возрастает.

Диспергирование нефти наблюдается и при вытеснении ее водой из неточного капилляра, заполненного стеклянными шари­ ками. Образовавшиеся капли нефти хорошо видны при прохожде­ нии ими узкой части капилляра.

Перемещение капель нефти в поровых каналах может быть свободным, когда диаметр капель намного меньше диаметра пор, и стесненным, когда капли, будучи по размерам больше диаметра пор, деформируются и вытягиваются в виде цилиндриков (четок). Между каплями и стенками пор сохраняются прослойки электро­ лита той или иной толщины.

Если для простоты рассуждений исключить возможность при­ липания капель, то в первом случае ни поверхностное натяжение, ни вязкость нефти не оказывают существенного влияния на пока­ затели процесса вытеснения, и чем меньше диаметр капли, тем с большей скоростью она движется в поровом пространстве и меньше оказывается скорость проскальзывания воды относитель-. но капли.

Во втором случае возможность перемещения капли и скорость ее движения существенно зависят от поверхностного натяжения. Капли нефти плохо коалесцируют по пути как между собой, так и с нефтью, покрывающей твердую поверхность.

Наряду с диспергированием нефти в воде в процессе вытес­

адсорбционным слоем.

Образование эмульсии типа вода в нефти подтверждается появлением относительно стойкой эмульсии за водный период вы­ теснения нефти.

Явление диспергирования наблюдалось и при вытеснении воз­ духа водой из однослойной пористой среды, составленной из зерен кварца фракции 0,4—0,5 мм. В одной поре можно было увидеть отдельные пузырьки, прилипшие к стенкам пор, несколько пузырь­ ков, тесно прижатых друг к другу, длительно не коалесцирующих.

3. КОАЛЕСЦЕНЦИЯ

Общие понятия

Все эмульсии в принципе термодинамически неустойчивы, так как характеризуются большой величиной свободной поверхностной энергии. Поэтому все самопроизвольные процессы могут быть направлены только в сторону уменьшения дисперсности, т. е.

91

уменьшения свободной поверхностной энергии. Устойчивой система может быть лишь в случае полного слияния глобул, т. е. полного разделения нефти и воды. При подъеме нефти и воды по трубам и перекачке мы имеем дело с образованием гидрофобной эмуль­ сии. Гидрофильная эмульсия, если н образуется, то быстро раз­ рушается. Это объясняется отсутствием в пластовых водах, осо­ бенно жестких, таких поверхностно-активных веществ, которые могли бы сильно препятствовать коалесценции. Последняя подчи­ няется в основном действию поверхностного натяжения, стремя­ щегося уменьшить величину поверхности раздела. Поэтому коалесценция при столкновении капель нефти в воде происходит очень быстро, в течение нескольких секунд. В щелочных водах содер­ жатся поверхностно-активные вещества в виде солей нафтеновых кислот, которые увеличивают время коалесценции капель до не­ скольких десятков секунд. Сильно повышают время коалесценции (до нескольких десятков часов и более) коллоидные и полу­ коллоидные вещества [117]. Этим, в частности, пользуются для создания высокодисперсных гидрофильных эмульсий.

Время же коалесценции глобул воды в нефти во многом за­ висит от вязкости нефти. Большое противодействие коалесценции в этом случае оказывает наличие в нефти веществ, образующих на поверхности глобул адсорбционные слои, обладающие струк­ турно-механическими свойствами. Эти вещества носят название эмульгаторов. Те из них, которые молекулярно растворены в угле­ водородах нефти, например смолы, образуют молекулярные слои на границе раздела фаз. Но обычно вместе с ними бывают раство­ рены и другие кислородсодержащие вещества: асфальтены, орга­ нические кислоты и т. д., придающие нефти свойства коллоидного раствора. Эти вещества более активны, чем смолы. Они подавляют адсорбцию последних и адсорбируются сами на границе раздела фаз нефть — вода, образуя коллоидно-адсорбционные слои, обла­ дающие высокими структурно-механическими свойствами. Осо­ бенно прочные структуры образуют асфальтены.

Помимо того, поверхность глобул воды может бронироваться твердыми частицами, находящимися в нефти. К ним относятся кристаллы парафина, минеральные и углистые частицы, хорошо смачиваемые нефтью. Попадая в поверхностный слой, они удер­ живаются на нем, так как в определенной мере смачиваются во­ дой. При большом содержании их на границе раздела они связы­ ваются между собой коллоидно-адсорбционным слоем асфальтенов, образованным на поверхности, не занятой твердыми частицами. Асфальтены хорошо адсорбируются на поверхности этих частиц, сильно препятствуют смачиванию их водой и способствуют обра­ зованию на поверхности глобул воды прочной брони из этих частиц. При образовании ее время коалесценции может быть чрез­ вычайно длительным.

С повышением температуры уменьшается прочность защитного слоя, так как увеличивается растворимость асфальтенов и, следо­

92