Процессы агрегирования и коагуляции частиц асфальтенов в нефти и нефтяной эмульсии (стр. 1 )

УДК 622.276

  ПРОЦЕССЫ АГРЕГИРОВАНИЯ И КОАГУЛЯЦИИ ЧАСТИЦ

  АСФАЛЬТЕНОВ В НЕФТИ И НЕФТЯНОЙ ЭМУЛЬСИИ

  , Аб. Г. Рзаев*, **, ,

  Л. В.  Гусейнова**

  Институт катализа и неорганический химии НАНА, Баку 

  *Институт систем управления НАНА, Баку

  **Азербайджанская государственная нефтяная академия, Баку

*****@***com

Поступила в редакцию

Рассматриваются проблемы моделирования явлений коагуляции и дробления частиц асфальтенов в объеме нефти и нефтяной эмульсии, в частности, определение частоты столкновения и построение функции распределения с использованием уравнения Фоккера–Планка. Предложена модель течения  и фильтрации структурированной нефти в пористой среде  с  высоким содержанием асфальтенов, смол и парафинов. Приведены модели адсорбции асфальтенов на поверхности капель воды в процессе разделения нефтяной эмульсии.

  ВВЕДЕНИЕ 

  Агрегативно–неустойчивые нефтяные системы характеризуются непостоянством состояния среды, обусловленной непрерывным структурообразованием частиц асфальтенов как между собой, так и стенкой пористой среды и изменением их физических свойств, т. е. изменением объема и размера частиц в результате их взаимодействия, столкновения, коагуляции и дробления при определенной концентрации частиц в замкнутом объеме. Связь между структурой и вязкостью нефтяных дисперсных систем, а также особенности их неньютоновского течения объясняются изменением структуры в результате  возникновения (коагуляции) и разрушения агрегатов частиц асфальтенов. Нефтяные  структурированные  системы, содержащие  кристаллы  высокомолекулярного  парафина, смол  и  частиц  асфальтенов и при весьма малых скоростях ламинарного течения или при отсутствии течения образуют цепочку или в предельном случае сплошную сетку (каркас) между собой и структурой пористой среды. Влияние содержания парафинов на структуру нефти значимо лишь при температурах их кристаллизации. Нефти, характеризующиеся неньютоновскими свойствами (бингамовские жидкости),  приобретают способность к течению в пористой среде только после разрушения этой сетки при (где предел текучести), причем малые внешние напряжения производят упругую деформацию сетка или каркаса . Взаимодействие частиц асфальтенов сопровождается  созданием, благодаря броуновскому диффузионному движению отдельных частиц,  достаточно прочных агрегатов коагуляционной природы, и прежде всего дублетов, триплетов. При высоких скоростях течения образование агрегатов из частиц асфальтенов осуществляется за счет турбулентной диффузии и турбулентного переноса. Эти структуры неустойчивы и могут распадаться на отдельные частицы в результате дробления агрегатов под действием сдвигового течения, причем, равновесие смещается в сторону образования отдельных частиц по мере увеличения скорости сдвига. Следовательно, скорость изменения числа и размеров частиц в единице объема определяется скоростями коагуляции, дробления и разрушения

    (1)

где текущее число частиц в объеме, скорость коагуляции, скорость дробления. В зависимости от условий течения нефтяной среды (температура, давление, скорость, напряжение сдвига, поверхностное натяжение, вязкость и плотность асфальтенов и нефти) и числа частиц, процессы коагуляции и дробления агрегатов являются обратимыми, т. е. одновременно в системе наблюдается как образование агрегатов, так и их деформация и  разрушение. В предельном случае бесконечной скорости сдвига   или возможно полное разрушение агрегатов вплоть до отдельной частицы и течение структурированных нефтей или нефтяных эмульсий приближается к течению обычных ньютоновских жидкостей.  В частности, частоту столкновений двух частиц асфальтенов в объеме при ламинарном течении в результате броуновской диффузии можно  определить следующим выражением

 

где частота столкновения двух частиц с размерами и и с коэффициентами диффузии и , –  начальное содержание частиц асфальтенов в единице объема нефти. В результате столкновения и фиксирования двух частиц  с размерами и  образуется межфазная пленка круглого сечения, радиус которой можно определить в виде 

 

где радиус межфазной пленки, максимальное сжимающее давление, коэффициенты упругости каждой частицы, средний размер частиц. В работе выражение для гидродинамического давления сжатия двух частиц в турбулентном потоке определено как

 

где среднеквадратичная флуктационная скорость турбулентного потока. Важно отметить, что лишь при разрушении межфазной пленки могут образовываться  единичные частицы размера .

  Образование агрегатов в результате коагуляции из частиц асфальтенов происходит также в трубопроводах при интенсивном турбулентном течении нефти, на поверхности капель воды в нефтяных эмульсиях, образуя адсорбционный слой определенной толщины, в пористом нефтяном пласте и т. д. Частота столкновений частиц при изотропном турбулентном потоке нефти в трубах определяется параметрами турбулентности, коэффициентом турбулентной диффузии, диссипацией энергии в турбулентном потоке и  физико–химическими свойствами нефти и асфальтенов. Проблемам коагуляции асфальтенов  с учетом влияния температуры и высокого давления посвящены работы  .

  Целью данного исследования является анализ и моделирование явлений коагуляции и дробления частиц асфальтенов в структурированной нефтяной среде. В связи с этим в исследовании рассматриваются следующие важные проблемы, связанные с влиянием содержания асфальтенов на: а) коагуляцию частиц асфальтенов; б) течение структурированных нефтей в пористой среде; в) разделение нефтяной эмульсии от капель воды при малых скоростях течения.

  КОАГУЛЯЦИЯ ЧАСТИЦ АСФАЛЬТЕНОВ И ЭВОЛЮЦИЯ ИХ

  ФУНКЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ

  Следует отметить, что размеры частиц асфальтенов и их содержание в объеме нефти различных месторождений слишком разбросаны. Наличие явления коагуляции, агрегирования и дробления частиц асфальтенов существенно меняют дисперсность и спектр размеров частиц в нефтяных системах, что характеризуется эволюцией функции распределения вероятности  по времени и  размерам и по содержанию асфальтенов. Механизм коагуляции определяется следующими этапами: а) взаимное столкновение частиц с определенной частотой в турбулентном потоке; б) образование межфазной пленки между двумя частицами  и ее утончение; в) разрыв межфазной пленки, слияние и образование новой капли. Взаимные столкновения частиц в объеме потока происходят по различным причинам: а) за счет конвективной броуновской диффузии мелкодисперсной составляющей частиц  к поверхности более крупной частицы, характерной в основном для ламинарного течения при малых числах Рейнольдса; б)  за счет турбулентного переноса и турбулентной диффузии при больших скоростях потока; в) за счет наличия дополнительных внешних полей (гравитационного, электрического, электромагнитного и т. д.) г) за счет эффекта зацепления в результате конвективного переноса мелких частиц к окрестности падающей крупной частицы (гравитационная коагуляция); д) за счет неоднородности полей температуры и давления, способствующих появлению сил, пропорциональных градиентам температуры (термофорез) и давления (барофорез) и действующих в направлении уменьшения этих параметров.

  В работах показано, что в условиях изотропной турбулентности, если масштаб турбулентности или , (где Колмогоров масштаб турбулентности) при условии увлечения капель пульсирующей средой частота столкновения капель пропорциональна