CC BY
59
УДК 622.276
ИЗМЕНЕНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НЕФТИ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ
В.М. ШАМИЛОВ, к.т.н., начальник департамента нанотехнологий Государственная нефтяная компания Азербайджанской Республики (SOCAR) (Азербайджанская Республика, AZ 1029, г. Баку, пр. Гейдара Алиева, д. 121). Э.Р. БАБАЕВ, к.х.н., в.н.с.
Институт химии присадок им. акад. А.М. Кулиева НАН Азербайджана (Азербайджанская Республика, AZ 1029, г. Баку, Беюкшорское шоссе, квартал 2062). E-mail: elbeibabaev@yahoo.de
Н.Ф. АЛИЕВА, ст. инженер департамента нанотехнологий Государственная нефтяная компания Азербайджанской Республики (SOCAR) (Азербайджанская Республика, AZ 1029, г. Баку, пр. Гейдара Алиева, д. 121). Ф.В. ШАМИЛОВ, преподаватель кафедры ВВА и МВА Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности (Азербайджанская Республика, AZ 1010, г. Баку, пр. Азадлыг, д. 34). Ф.Ф. ВЕЛИЕВ, ст. инженер
НИПИ «Нефтегаз». Государственная нефтяная компания Азербайджанской Республики (SOCAR) (Азербайджанская Республика, AZ 1012, г. Баку, пр. Зардаби, д. 88а).
В работе изучено влияние полимерных нанокомпозитов на основе карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) и наночастиц Al и Cu размерностью 40-60 нм и их составляющих компонентов на некоторые реологические свойства нефти (вязкость, поверхностное натяжение и краевой угол смачивания). Установлено, что полимерные нанокомпозиты и их составляющие компоненты уменьшают вязкость, поверхностное натяжение и краевой угол смачивания, что способствует увеличению нефтедобычи и облегчает транспортировку нефти. Полимерные нанокомпозиты на основе КМЦ и Al эффективнее полимерных композитов на основе КМЦ и Cu.
Ключевые слова: увеличение нефтедобычи, увеличение пропускной способности трубопровода, нанотехнологии, полимерное заводнение, реологические свойства нефти, полимерные нанокомпозиты.
Увеличение количества извлекаемой нефти при добыче нефти возможно путем открытия и освоения новых месторождений, а также увеличения коэффициента извлечения на старых месторождениях. С учетом того что первый путь связан с очень большими затратами, увеличение нефтеотдачи существующих месторождений является одной из самых актуальных проблем, стоящих перед нефтяными компаниями [1]. Так, на месторождениях Азербайджана на суше было добыто около 1 млрд т нефти, что составляет примерно 40% их балансовых запасов и, в свою очередь, свидетельствует о том, что более половины нефтяных запасов остались недобытыми. По мнению специалистов, увеличение нефтеотдачи на 10-20% равносильно открытию нового месторождения [2]. Одним из многих методов увеличения нефтеотдачи, которым пользуются нефтяные компании на протяжении многих лет, является полимерное заводнение. Суть этого метода заключается в закачивании в пласт воды повышенной вязкости (для улучшения соотношения подвижности воды и нефти). Применяемые при добыче полимеры постоянно модифицируются и совершенствуются. Специалисты департамента нанотехнологий Государственной нефтяной компании Азербайджанской Республики (SOCAR), используя наночастицы алюминия и меди, улучшили свойства карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ), применяемой для вытеснения нефти [3]. Относительно высокая вязкость извлекаемых остаточных нефтей приводит к дополнительным осложнениям при транспортировке и хранении этих нефтей. Целью данной работы было изучение влияния разработанного на основе КМЦ и наночастиц
А1 и Си полимерного нанокомпозита на изменение реологических характеристик нефти (вязкость, поверхностное натяжение и краевой угол смачиваемости).
Результаты и обсуждение
В качестве исследуемой нефти использовали нефть месторождения Гала Апшеронского полуострова. В экспериментах использовали водорастворимый полимер КМЦ. Водные растворы полимеров готовили при комнатной температуре с применением магнитной мешалки до получения однородной массы. Использованные для получения полимерного нанокомпозита нанопорошки А1 и Си размерностью 40-60 нм произведены по ТУ 1791-003-362803402008. Определение поверхностного натяжения проводили на приборе DSA30 (Кгиээ, Германия) методом РепСапЙгор (PD). Вязкость исследуемых проб определяли на вискозиметре фирмы Вгоок^е1С, краевой угол смачиваемости - на приборе DSA30 (Кгиээ, Германия) методом SessileCrop (PD). Для определения воздействия различных компонентов приготовленных наносистем на реологические свойства нефти изучили влияние составляющих этой наносистемы (водный раствор полимера и металлические наночастицы (НЧ) А1 и Си) по отдельности.
Как видно из табл. 1 и рис. 1, все составляющие предложенных полимерных нанокомпозитов способствуют уменьшению вязкости нефти. Из результатов исследований следует, что хоть наночастицы А1 и Си и уменьшают вязкость сырой нефти, но в составе наносистемы с КМЦ значение вязкости нефти уменьшается больше. Этот факт
Таблица 1
Значения вязкости исследуемых образцов
Компонентный состав
Образец Нефть, мл КМЦ, водный раствор,% Си (40-60нм) НЧ, г А1 (40-60нм) НЧ, г Вязкость, спз
1. Нефть 150 - - - 6,03
2. Нефть + КМЦ 150 7,5 5,8
3. Нефть + Си НЧ 150 - 0,075 - 6
4. Нефть +КМЦ + Си НЧ 150 7,5 0,075 - 5,72
5. Нефть + А1 НЧ 150 - - 0,075 5,86
6. Нефть + КМЦ + А1 НЧ 150 7,5 - 0,075 5,64
Таблица 2
Поверхностное натяжение исследуемых образцов
Образец Компонентный состав Поверхностное
Нефть, мл КМЦ, водный раствор, % Си (40-60нм) НЧ, г А1 (40-60нм) НЧ, г натяжение, а (мН/м)
1. Нефть 150 - - - 25.9
2. Нефть + КМЦ 150 7,5 24.37
3. Нефть + Си НЧ 150 - 0,075 - 24.16
4. Нефть + КМЦ + Си НЧ 150 7,5 0,075 - 23.24
5. Нефть + А1 НЧ 150 - - 0,075 23.01
6. Нефть + КМЦ + А1 НЧ 150 7,5 - 0,075 22.03
можно объяснить тем, что в составе полимерного нано-композита наночастицы распределены равномерно и их влияние на нефть сильнее благодаря большей площади взаимодействия. С другой стороны, можно предположить, что в полимерном нанокомпозите наночастицы в определенной степени стабилизированы полимером, что предотвращает процесс агломерации, а это, в свою очередь, увеличивает общую площадь наночастиц. Если сравнивать наночастицы А1 и Си, то полученные данные свидетельствуют о том, что наночастицы А1 и нанокомпозиты на их основе в большей степени уменьшают коэффициент вязкости по сравнению с наночастицами Си и полимерным нанокомпозитом на их основе. Это можно объяснить тем, что наночастицы А1 в нашем эксперименте более
Рис. 1. Изменение вязкости образцов
реакционноспособны, чем Си. Уменьшение значения коэффициента вязкости нефти позволяет сделать нефть более подвижной, что позитивно сказывается на процессе добычи и транспортировки нефти.
Одним из факторов, влияющих на поверхностное натяжение нефти, является ее химический состав. Ароматические углеводороды обладают наибольшим поверхностным натяжением, парафиновые - наименьшим, нафтеновые лежат между этими классами соединений при одинаковом числе углеводородных атомов [4, 5]. Как мы видим из полученных экспериментальных данных (рис. 2, табл. 2), исследуемые полимерные нанокомпозиты и их компоненты снижают поверхностное натяжение нефти. Это можно объяснить тем, что КМЦ проявляет свойства поверхностно-активного
I
Рис. 2. Изменение поверхностного натяжения
а %
а«
25
Поверхностное натяжение, о
I I I I I
Нефть Нефть 4- КМЦ Нефть* Си НЧ Нефть » КМЦ Нефти» А1НЧ Нефть I КМЦ
» Си НЧ + АЖЧ
Таблица 3
Краевой угол смачивания
Компонентный состав Угол смачиваемости, 6, градусы
Образец Нефть, мл КМЦ, водный раствор, % Cu(40-60нм) НЧ, г Al (40-60нм) НЧ, г
1. Нефть 150 - - - 20,9
2. Нефть + КМЦ 150 7,5 17,1
3. Нефть + Cu НЧ 150 - 0,075 - 20
4. Нефть +КМЦ + Cu НЧ 150 7,5 0,075 - 16,3
5. Нефть + Al НЧ 150 - - 0,075 18,9
6. Нефть + КМЦ + Al НЧ 150 7,5 - 0,075 15
отметить, что, как и для других параметров, полимерные нанокомпозиты более эффективны, чем просто наноча-стицы. По мере уменьшения краевого угла смачивания поверхность становится гидрофильной, что способствует увеличению нефтеотдачи.
Выводы
1. Изменения реологических характеристик нефти (вязкость, поверхностное натяжение и краевой угол смачивания), достигнутые под влиянием полимерных нанокомпо-зитов, полученных на основе. КМЦ и наночастиц А1 и Си и их составляющих компонентов, способствуют увеличению коэффициента нефтеотдачи.
2. Полученное изменение реологических свойств позитивно сказывается на текучести нефти, что позволяет увеличить пропускную способность трубопровода.
3. Наночастицы А1 и Си в составе полимерного наноком-позита оказывают большее влияние на изменение реологических свойств нефти, чем при воздействии этих частиц на нефть вне полимерного нанокомпозита.
4. Полимерные нанокомпозиты на основе наночастиц А1 имеют большее влияние на изменение реологических свойств нефти, чем полимерные нанокомпозиты на основе наночастиц Си.
5. Предложенные составы полимерных нанокомпозитов целесообразно использовать в качестве реагентов для увеличения добычи высоковязких нефтей, а также при транспортировке нефти в системе магистральных трубопроводов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Рузин Л.М., Морозюк О.А. Методы повышения нефтеотдачи пластов (теория и практика): учеб. пособ. Ухта: УГТУ, 2014. 127 с.
2. Yusifzadeh K.B. The current state of oil and gas industry and future perspectives // Azerbaijan Oil Industry journal.
2016. № 1. С. 10-15.
3. Шамилов В.М., Бабаев Э.Р., Алиева Н.Ф. Полимерные нанокомпозиты на основе карбоксиметилцеллюлозы и наночастиц Al и Cu для увеличения добычи нефти // Территория «Нефтегаз». 2017. № 3. С. 34-38.
4. Рудин М.Г., Сомов В.Е., Фомин А.С. Карманный справочник нефтепереработчика. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 2004. 336 с.
5. Сыркин А.М., Мовсумзаде Э.М. Поверхностные явления и дисперсные системы в нефтепромысловом деле: учеб. пособ. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2005. 136 с.
6. Шахбазов Э.Г., Бабаев Ф.Р, Бабаев Э.Р. и др. Влияние металлических наночастиц на переработку нефти // Мат. II Междунар. конф. «Наноявления при разработке месторождений углеводородного сырья: от наномине-ралогии и нанохимии к нанотехнологиям». М., 21-22 октября 2010. С. 362-365.
7. Хамидуллин Р.Ф., Мингазов Р.Х., Киямов И.К. Изучение явления смачивания в нефтяных дисперсных системах при промысловой подготовке // Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т. 16. Вып. 22.
Рис. 3. Изменение краевого угла смачивания
вещества. Нефти под влиянием наночастиц А1 и Си подвержены химическому окислению [6]; благодаря этому факту уменьшается общее количество ароматических углеводородов и одновременно увеличивается число парафиновых и нафтеновых углеводородов, что приводит к снижению поверхностного натяжения.
Значения угла смачивания (рис. 3, табл. 3) также подверглись изменению под воздействием полимерного нанокомпо-зита и его компонентов. Влияние наночастиц А1 на уменьшение угла смачивания по сравнению с влиянием наноча-стицами Си сильнее. Этот факт наблюдается как при изучении влияния индивидуальных наночастиц, так и при изучении влияния полимерного нанокомпозита. Здесь стоит
THE RHEOLOGICAL PROPERTIES CHANGES OF OIL UNDER THE INFLUENCE OF POLYMER NANOCOMPOSITES
SHAMILOV V.M., Cand. Sci. (Tech.), Head of Department of Nanotechnologies
The State Oil Company of the Azerbaijan Republic (SOCAR) (121, Haydar Aliyev Avenue, Baku, AZ 1029, Azerbaijan Republic).
BABAYEV E.R., Cand. Sci. (Chem.), Senior Researcher
Institute of Chemistry of Additives after Academician A.M. Guliyev (Block 2062, Beyukshor Highway, AZ 1029, Baku,
Azerbaijan Republic). E-mail: elbeibabaev@yahoo.de
ALIYEVA N.F., Senior Engineer of Department of Nanotechnologies
The State Oil Company of the Azerbaijan Republic (SOCAR) (121, Haydar Aliyev Avenue, Baku, AZ 1029, Azerbaijan Republic).
SHAMILOV F.V., Lecturer of Department of BBA and MBA
Azerbaijan State University of Oil and Industry (34, Azadlyg Ave., AZ 1010, Baku, Azerbaijan Republic). VELIEV F.F., Senior Engineer
NIPI «Neftegaz». The State Oil Company of the Azerbaijan Republic (SOCAR) (88 A, Zardabi Avenue, Baku, AZ 1012, Azerbaijan Republic).
ABSTRACT
The influence of polymer nanocomposites based on carboxymethylcellulose (CMC) and Al and Cu nanoparticles 40-60 nm in size and their constituent components on some rheological properties of oil (viscosity, surface tension and wetting contact angle) is studied in this work. It has been established that polymeric nanocomposites and their constituent components reduce viscosity, surface tension and wetting contact angle, which positively affects the increase in oil productionand oil transportation. Polymeric nanocomposites based on CMC and Al are more effective than polymer composites based on CMC and Cu.
Keywords: enhanced oil recovery, nanotechnology, increase in pipeline capacity, polymer flooding, rheological properties of oil, polymer nanocomposites.
REFERENCES
1. Ruzin L.M., Morozyuk O.A. Metody povysheniya nefteotdachi plastov (teoriya i praktika) [Methods of enhanced oil recovery (theory and practice)]. Ukhta, UGTU Publ., 2014. 127 p.
2. Yusifzadeh K.B. The current state of oil and gas industry and future perspectives. Azerbaijan Oil Industry journal, 2016, no. 1, pp. 10-15.
3. Shamilov V.M., Babayev E.R., Aliyeva N.F. Polymeric nanocomposites based on carboxymethylcellulose and Al and Cu nanoparticles for increasing oil production. Territoriya «Neftegaz», 2017, no. 3, pp. 34-38 (In Russian).
4. Rudin M.G., Somov V.Ye. , Fomin A.S. Karmannyyspravochnikneftepererabotchika [Pocket reference book of the oil refiner]. Moscow, TSNIITEneftekhim Publ., 2004. 336 p.
5. Syrkin A.M., Movsumzade E.M. Poverkhnostnyye yavleniya i dispersnyye sistemy v neftepromyslovom dele [Surface phenomena and disperse systems in the oil field]. Ufa, UGNTU Publ., 2005. 136 p.
6. Shakhbazov E.G., Babayev F.R, Babayev E.R. i dr. Vliyaniye metallicheskikh nanochastits na pererabotku nefti [Influence of metal nanoparticles on oil processing]. Trudy II Mezhdunarodnoy konferentsii «Nanoyavleniya pri razrabotke mestorozhdeniy uglevodorodnogo syr'ya: ot nanomineralogii i nanokhimii k na-notekhnologiyam» [Proc. 2nd International Conference «Nano-phenomena in the development of hydrocarbon feedstocks: from nanomineralogy and nanochemistry to nanotechnologies»]. Moscow, 2010, pp. 362-365.
7. Khamidullin R.F., Mingazov R.KH., Kiyamov I.K. The study of the wetting phenomenon in oil dispersed systems during field preparation. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta, 2013, vol. 16, no. 22 (In Russian).
