CC BY
18
УДК 544.773.3
Романова Ю.Н., Юртов Е.В., Марютина Т.А., Мусина Н.С.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ ДОБАВОК СОВМЕСТНО С УЛЬТРАЗВУКОВЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ ГЕЛЬ-СОДЕРЖАЩЕЙ ВОДОНЕФТЯНОЙ ЭМУЛЬСИИ
Романова Юлия Николаевна, аспирант кафедры наноматериалов и нанотехнологии, e-mail: romanova-u@mail.ru; Юртов Евгений Васильевич, д.х.н., член-корр. РАН, профессор, заведующий кафедрой наноматериалов и нанотехнологии;
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Марютина Татьяна Анатольевна, д.х.н., главный научный сотрудник, заведующий лабораторией концентрирования;
Мусина Наталья Сергеевна, к.х.н., научный сотрудник лаборатории концентрирования; Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Ленина и Ордена Октябрьской Революции Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук (ГЕОХИ РАН), Москва, Россия
Исследована эффективность применения наноразмерных добавок совместно с ультразвуковым воздействием для разрушения гель-содержащей водонефтяной эмульсии. Приведены экспериментальные данные, показывающие перспективность применения ультразвука и наноразмерных добавок для разрушения гель-содержащих водонефтяных эмульсий. Содержание воды в выделенной из эмульсии нефтяной фазе составляет менее 1 % масс.
Ключевые слова: водонефтяная эмульсия, ультразвук, нанопорошок
STUDY OF EFFICIENCY APPLICATION OF NANOSCALE ADDITIVES WITH ULTRASONIC ACTION FOR DESTRUCTION OF GEL-CONTAINING WATER-IN-OIL EMULSION
Romanova Yu.N., Yurtov E.V., Maryutina T.A.*, Musina N.S.* D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
* V.I. Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry of Russian Academy of Sciences (GEOKHI RAS), Moscow, Russia
The efficiency of application of nanoscale additives together with ultrasonic action for destruction of gel-containing water-in-oil emulsion is investigated. Experimental data showing the prospects of using ultrasound and nanoscale additives for the destruction of gel-containing water-in-oil emulsions are presented. The water content of the oil phase recovered from the emulsion is less than 1% by weight.
Keywords: water-in-oil emulsion, ultrasound, nanopowder
Гель-содержащие водонефтяные эмульсии образуются в результате процессов интенсификации добычи тяжелых высоковязких нефтей при использовании различных водных растворов поверхностно-активных веществ, стабилизаторов, растворов полимеров и других химических реагентов.
Для разрушения водонефтяных эмульсий применяют различные химические, физические и биологические методы. В химических способах разрушение водонефтяных эмульсий достигается за счет добавления деэмульгаторов (полимеры, ПАВ, коммерческие деэмульгаторы). Также для улучшения эффективности разрушения эмульсий активно развивается разработка деэмульгаторов на основе различных наночастиц [1-3]. Для разрушения эмульсий с помощью биологических методов применяют разные микроорганизмы [4]. Известны термические способы разрушения эмульсий (нагревание, последовательное замораживание-оттаивание эмульсий), методы мембранной фильтрации, в ходе реализации которых возможно
образование более мелкодисперсной вторичной эмульсии, требующей разрушения. Известно, что разрушение эмульсий происходит также за счет волнового воздействия: микроволнового и ультразвукового, а также комбинации существующих методов [5]. В последние годы получают развитие методы разрушения водонефтяных эмульсий с применением электромагнитной энергии высокочастотного и сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазонов. Для повышения эффективности разрушения
водонефтяных эмульсий необходимо подбирать оптимальные параметры действия СВЧ электромагнитного излучения [6]. Методы, основанные на ультразвуковом воздействии, также представляются перспективными [7] и нуждаются в подборе оптимальных параметров, особенно в отношении разрушения стойких гель-содержащих эмульсий [8]. Также широко распространены комбинированные методы разрушения
водонефтяных эмульсий, сочетающие в себе методы физического и химического воздействия в
различных сочетаниях. На сегодняшний день стойкие гель-содержащие эмульсии практически невозможно разрушить известными методами.
В настоящее время актуальной остается задача разрушения стойких гель-содержащие эмульсии, образующихся при добыче и промысловой подготовке нефти вследствие закачки в пласт стабилизаторов, наличия большого числа механических примесей и т.д. Поэтому в данной работе исследовалось применение нескольких видов наноразмерных добавок совместно с ультразвуковой обработкой.
Объектом исследования являлся образец водонефтяной эмульсии с содержанием воды -53,0 % масс, «геля» - 25,0 % масс, сульфида железа -9865 мг/дм3 и механических примесей - 2,8 % масс (рис. 1). Также в составе данного образца эмульсии присутствуют асфальтены, смолы и парафины, являющиеся природными эмульгаторами, за счет которых формируется структура бронирующих оболочек. Водонефтяные эмульсии, содержащие в своем составе «гель», образуются в результате применения при добычи тяжелых нефтей большого количества реагентов-деэмульгаторов, которые содержат гидрофобные высокомолекулярные поверхностно-активные вещества - блоксополимеры окисей этилена и пропилена. Они являются самыми устойчивыми к разрушению.
"я0 а. жР;
ОН&йУрр
ШшктмГ
Рисунок 1. Образец гель-содержащей водонефтяной эмульсии
В качестве наноразмерных добавок использовали три вида суспензий, приготовленных из нанопорошков в органическом растворителе ацетонитриле. Ацетонитрил был выбран по результатам предварительных исследований по изучению влияния органических растворителей на разрушение гелеобразной фазы в гель-содержащих водонефтяных эмульсиях. Для приготовления
суспензий использовали нанопорошок нитрида алюминия АШ (< 100 нм), оксида алюминия А1203 (< 100 нм), оксида алюминия церия А1Се03 (< 50 нм). Нанопорошок нитрида алюминия АШ обладает гидрофильно-гидрофобной природой поверхности, а нанопорошки оксида алюминия А1203 и оксида алюминия церия А1Се03 - гидрофильной природой поверхности.
Для проведения исследований по разрушению гель-содержащей водонефтяной эмульсии использовали ультразвуковую ванну УЗВ-2/150-ТН-РЭЛТЕК с рабочей частотой 22 кГц, мощностью 285 Вт и нагревом до температуры 60 0С. Ультразвук должен поспособствовать интенсификации процесса отделения воды, за счет инициации процесса разрушения бронирующих оболочек, состоящих из природных эмульгаторов и последующей коагуляции капель водной фазы.
Эксперимент проводили следующим образом:
1. Образец гель-содержащей водонефтяной эмульсии 35-40 мл помещали в пластиковую пробирку объемом 50 мл;
2. В пробирку с образцом добавляли не более 10 % от объема образца суспензии нанопорошка и тщательно перемешивали;
3. Помещали пробирку с получившейся смесью в ультразвуковую ванну;
4. В течение 50 мин проводили обработку ультразвуком в ультразвуковой ванне;
5. После эксперимента образец подвергали центрифугированию для ускорения процесса разделения и определения объема отделившейся воды.
Во всех экспериментах образец водонефтяной эмульсии, подвергнутый обработке и центрифугированию, разделялся на четыре фазы: осадок (механические примеси), вода, гель и жидкая нефть. Для проведения контроля содержания воды в отделившейся нефтяной фазе использовали титратор Фишера «ЭКСПЕРТ-007М» с
бипотенциометрической индикацией.
Экспериментальные данные, полученные в результате исследования эффективности
применения наноразмерных добавок совместно с ультразвуковым воздействием на разрушение гель-содержащей водонефтяной эмульсии, представлены в таблице 1.
Таблица 1. Влияние наноразмерных добавок совместно с ультразвуковым воздействием на отделение воды из образца гель-содержащей водонефтяной эмульсии____
Содержание воды в образце, % масс Добавка, применяемая совместно с ультразвуковым воздействием Отделившаяся вода, % масс Содержание воды в гелеобразной фазе*, % масс Содержание воды в нефтяной фазе, % масс
53,0 Нанопорошок нитрида алюминия АШ 30,6 21,66 0,74
Нанопорошок оксида алюминия А1203 35,0 17,31 0,69
Нанопорошок оксида алюминия церия А1Се03 25,0 27,18 0,82
* - Значение определялось как разность между исходным содержанием воды в образце и содержанием воды в нефтяной фазе и отделившейся воды
Как видно из таблицы 1 в результате применения суспензии нанопорошка оксида алюминия в ацетонитриле совместно с ультразвуковой обработкой удалось достигнуть наибольшей степени отделения воды - 66 %. При использовании суспензии нанопорошка нитрида алюминия степень отделения воды составила 58 %, а при использовании оксида алюминия церия - 47 %. Однако полностью разрушить «гель» и отделить воду не удалось - не отделившаяся часть воды осталась в гелеобразной фазе. Предполагалось, что органический растворитель поспособствует расщеплению высокомолекулярных соединений и частично разрушит гелеобразную фазу, при этом за счет ультразвукового воздействия произойдет разрушение «геля» и бронирующих оболочек и нанопорошок начнет взаимодействовать с водной фазой, что приведет к отделению водной и нефтяной фаз. В ходе экспериментов наблюдалось частичное разрушение «геля» - образец становился менее вязким и более текучим. Поэтому можно предположить, что ультразвуковая обработка с использованием ультразвуковой ванны из-за недостаточной мощности не дала ожидаемого результата - полного разрушения «геля». Целесообразно провести дополнительные исследования по разрушению гель-содержащих водонефтяных эмульсий с применением более мощного ультразвукового оборудования.
Таким образом, в результате исследования эффективности применения наноразмерных добавок совместно с ультразвуковым воздействием для разрушения гель-содержащей водонефтяной эмульсии показано, что при использовании нанопорошка оксида алюминия и нитрида алюминия отделяется большая часть воды - 35,0 % масс и 30,6 % масс соответственно, оставшаяся часть воды находится в гелеобразной фазе, при этом в нефтяной фазе остаточное содержание воды менее 1 % масс. При использовании в качестве добавки нанопорошка оксида алюминия церия отделяется наименьшая часть воды - 25,0 % масс, а наибольшая часть остается в гелеобразной фазе. Для полного выделения из гель-содержащей водонефтяной эмульсии водной и нефтяной фаз необходимо разрушить «гель» за счет применения более
мощного ультразвукового оборудования, что будет являться предметом дальнейших исследований.
Список литературы
1. Mohammad Nikkhah, Tahere Tohidian, Mohammad Reza Rahimpour, Abdolhossein Jahanmiri. Efficient demulsification of water-in-oil emulsion by a novel nano-titania modified chemical demulsifier. Chemical Engineering Research and Design 94 (2015), 164-172
2. A. Jozefczak and R. Wlazlo. Ultrasonic Studies of Emulsion Stability in the Presence of Magnetic Nanoparticles. Hindawi Publishing Corporation Advances in Condensed Matter Physics Volume 2015, Article ID 398219, 9 pages
3. A. Pajouhandeh, A. Kavousi, M. Schaffie and M. Ranjbar. Towards a Mechanistic Understanding of Rheological Behaviour of Water-in-Oil Emulsion: Roles of Nanoparticles, Water Volume Fraction and Aging Time. S. Afr. J. Chem., 2016, 69, 113-123
4. Reza Zolfaghari, Ahmadun Fakhru'l-Razi, Luqman C. Abdullah, Said S.E.H. Elnashaie, Alireza Pendashteh. Review: Demulsification techniques of water-in-oil and oil-in-water emulsions in petroleum industry. Separation and Purification Technology 170 (2016), 377-407
5. Souleyman A Issaka, Abdurahman H Nour and Rosli Mohd Yunus. Review on the Fundamental Aspects of Petroleum Oil Emulsions and Techniques of Demulsification. J Pet Environ Biotechnol 2015, 6:2
6. Ковалева Л.А., Миннигалимов Р.З., Зиннатуллин Р.Р., Благочиннов В.Н., Муллаянов А.И. Исследование интегрированного воздействия сверхвысокочастотного электромагнитного излучения в поле центробежных сил на водонефтяные эмульсии // Нефтяное хозяйство. -2017. - № 2. - С. 100-102.
7. Antes F.G., Diehl L.O., Pereira J.S.F., Guimaraes R.C.L., Guarnieri R.A., Ferreira B.M.S., Flores E.M.M. Effect of ultrasonic frequency on separation of water from heavy crude oil emulsion using ultrasonic baths // Ultrason. Sonochem. - 2017. - V. 35. - P. 541-546
8. Тюгаева Е.С., Доломатов М.Ю. Причины образования устойчивых нефтяных эмульсий и способы их разрушения // Universum: Технические науки: электрон. научн. журн. 2017. № 4(37)
