Явление сверхвязкости в водомасляных эмульсиях

Термомеханически стабильные эмульсии применяют в технологиях увеличения нефтеотдачи пластов, например при обработке высокообводнённых коллекторов, нагнетательных и добывающих скважин, гидравлического разрыва малопроницаемых газо- и нефтенесущих пластов, временной изоляции фильтруемости в призабойной зоне пластов и в процессах бурения скважин [1, 2]. Структурная и термодинамическая устойчивость эмульсий обеспечивается содержанием в их составе дорогостоящих эмульгаторов и стабилизаторов [3]. Основным критерием оценки стабильности эмульсий является их динамическая вязкость. Вопрос об обращении фаз в эмульсиях и характере дисперсности капелек в них при изменении объёмного содержания масла в воде или воды в масле достаточно изучен [4, 5]. Однако влияние многих других факторов на условия образования и устойчивость эмульсий остаётся неясным.

В процессе исследования влияния соотношения масс (объёмов) воды и масла на механизм образования эмульсий, их деформационные и вязкостные свойства нами обнаружен неизвестный ранее эффект (явление) значительного увеличения динамической вязкости и термической стабильности водомасляных эмульсий, полученных в присутствии сверхкритического (избыточного) содержания воды, в сравнении с тем же составом эмульсий, приготовленных в условии расчётного (равновесного) количества воды.

Критическое количество воды предварительно определяли постепенным увеличением малыми дозами (0.1 – 0.3%) воды в масле в процессе эмульсации. Контактирование фаз осуществляли с помощью механического смесителя при 2500 об/мин в течение 40-50 минут до достижения устойчивого фазового состояния и состава эмульсии, соответствующего максимальному значению динамической вязкости. В условии сверхкритического содержания воды эмульсии получали при тех же параметрах смешения масла с 10 – 25 % избытком воды по отношению к критическому (равновесному) количеству воды, экспериментально определённому для каждого типа исследуемого масла (табл.). Неэмульгированную (не вошедшую в состав эмульсии) воду удаляли из реактора сифоном или декантацией и замеряли её объём.

Динамическая вязкость эмульсии на основе масла 10W30 в зависимости от способа её получения

Наблюдается закономерность в изменении состава эмульсий по принципу, – чем больше сверхкритического количества (избытка) воды задаётся экспериментом в процессе эмульсации, тем меньше её эмульгируется с маслом.

Механическую стабильность эмульсий определяли в условии центробежного ускорения. Например, эмульсии 5 и 18 (см. табл.) разделяли на две равные части и каждую часть центрифугировали при 12000 об/мин (Р = 1 МН). Первую часть эмульсий центрифугировали в течение 10 минут, вторую часть в течение 15 минут. После центрифугирования эмульсии из кювет переносили в стеклянные делительные пробирки одинакового объёма и оставляли в покое на 7 суток. По количеству выделенного масла в верхнем слое оценивали стабильность эмульсии в относительных процентах. Стабильность двух частей эмульсии 5, полученной в присутствии сверхкритического объёма воды, после центрифугирования составляла соответственно 100 и 97 %, а стабильность двух частей эмульсии 18. приготовленной в условии равновесного (расчётного) количества воды, соответствовала 79 и 70 %.

Рис. 1. Изменение динамической вязкости эмульсии воды в масле 5W40 в зависимости от способа её получения и содержания воды: 1 – сверхкритическое количество воды, 2 – равновесное количество воды.

Термическую стабильность эмульсий оценивали по изменению их динамической вязкости в зависимости от температуры. Динамическую вязкость, например эмульсий 8 и 12, 21 и 25 (см. табл.) измеряли на ротационном вискозиметре Реотест -2 при напряжении сдвига 80 – 250 Па и температурах 20, 50 и 70 °С. В этих условиях вязкость эмульсии-8 и эмульсии-12 (сверхкритическое содержание воды) изменяется: 340.0 и 548.5 Па-с (20 °С); 342.4 и 549.7 Па-с (50°С); 330.2 и 526.0 Па-с (70 ПС). С повышением сдвигового напряжения до 250 Па эти эмульсии текут почти без изменения вязкости. Значения вязкости эмульсии 21 и эмульсии 25 (равновесное количество воды) в этих же условиях воздействия сдвигового напряжения и температуры составляет: 105.2 и 451.0 Па-с (20 °С); 80.3 и 391.7 Па-с (50 °С); 49.5 и 278.0 Па-с (70 °С). Под воздействием деформационного сдвигового напряжения динамическая вязкость эмульсий 21 и 25, полученных в присутствии расчётного объёма воды, уменьшается на 30 – 45 %.

Найдена аналогичная закономерность в увеличении вязкости и термомеханической стабильности водомасляных эмульсий, полученных на основе использованных и стандартных смазочных масел типа «Камаз», «Автол», М8В. И-12 – И-40. «Rimula D» Shell и смолистой нефти, при эмульсации их с водой в присутствии сверхкритического её количества.

Природа обнаруженного синергетического эффекта значительного увеличения динамической вязкости и термомеханической стабильности водомасляных и водонефтяных эмульсий, приготовленных в присутствии сверхкритического содержания воды (рис., зависимость 1), в сравнении с эмульсиями, полученными в равновесных условиях (расчётное количество воды, зависимость 2), заключается очевидно в образовании очень малого размера частиц (капелек) и более широкой их полидисперсности. Это подтверждается, кроме увеличения уже названных вязкоупругих параметров, и сравнительным повышением плотности эмульсий. Так, плотность эмульсии 1 и эмульсии 14, приготовленных соответственно в присутствии избыточного и расчётного количества воды (см. табл.), с одинаковым содержанием в них эмульгированной воды (62.3 %) при 20 С составляет 0.9575 и 0.9513 г/см3. Более плотная межфазовая упаковка в эмульсии 1 в сравнении с эмульсией 14 обусловлена уменьшением размера частиц, большей степенью их полидисперсности и соответствующим характером распределения частиц. Сверхкритическое содержание воды в процессе эмульсации её с маслом, подобно механическому воздействию на твёрдое тело, производит дробление макроскопической фазы, по-видимому, до наноразмерных образований, что приводит к резкому снижению эмульгированного количества воды, увеличению структурной вязкости, плотности и переводу межфазовой структуры эмульсии в термодинамически устойчивое равновесное состояние. На основании этих экспериментальных фактов можно сказать, что чем меньше частицы эмульсии, тем большую относительную роль играют в ней поверхностные явления, – поверхностное натяжение и свободная поверхностная энергия частицы.

Если всплеск динамической вязкости эмульсий связан в большей степени с уменьшением размера частиц, то с увеличением сверхкритического содержания воды наноразмерный эффект многократно возрастает, а с приближением к критическому количеству воды он плавно затухает (рис., зависимость 1). В составах эмульсий с соотношением «вода: масло» равным от 63 : 37 до 78 : 22 % этот эффект максимальный.

Знание и понимание обнаруженного явления многократного повышения вязкости при образовании водомасляных эмульсий в присутствии сверхкритического содержания воды полезно не только для практических технологий добычи нефти, но и с точки зрения возможного его отрицательного воздействия, например при закачке в пласт нефтевытесняющих растворов.

Литература:

1. Дмитриева З.Т. Матер. 8-й науч.-практ. конф. «Добыча, подготовка, транспорт нефти и газа», 1-3 окт. 2019. Томск, Россия. Томск: Изд-во СО РАН, 2019. С. 686.

2. Collins Ian Ralph, Vervoort Isabelle. Water-in-oil microemulsion useful for oil field or gas field applications and methods for using the same. Patent EP 1198536 //ИСМ. 2003. № 4.

3. Космодемьянский Л.В., Паутов П.Г., Бугров В.П. Способ получения эмульсии воды в нефтяном масле. Патент РФ 2121495 // БИ. 1998. № 31. С. 266.

4. Клейтон В. Эмульсии. Их теория и технические применения. – М.: «Иностранная Литература», 1950. 679 с.

5. Левченко Д.Н. Эмульсии нефти с водой и методы их разрушения / Д.Н. Левченко, Н.В. Бергштейн, А.Д. Худякова, Н.М. Николаева – М.: «Химия», 1967. 200 с.

Keywords: thermomechanically stable emulsions, enhanced oil recovery, high-water reservoirs, well drilling, emulsifiers and stabilizers