К важнейшим свойствам, определяющим устойчивость нефтяных эмульсий к разрушению, относится дисперсность – размер глобул вещества дисперсной фазы.
Дисперсность выражается либо через диаметр частиц, либо через удельную поверхность дисперсной фазы (отношением общей поверхности фазы к ее объему, м2/м3).
S уд = 6 / d в , (5.5)
где d в – средний диаметр глобул воды, м.
В зависимости от величины dв эмульсии делят на коллоидные
(d в < 0,1 мкм); мелкодисперсные (d в = 0,1–20 мкм); среднедисперсные
(d в = 20–50 мкм) и грубодисперсные (d в > 50 мкм).
После промысловой подготовки нефтяные эмульсии можно отнести к мелкодисперсным (d в = 0,1–20 мкм). Чем меньше диаметр глобул, тем медленнее будет глобула оседать, и тем устойчивее будет эмульсия. Скорость оседания глобул в статических условиях (значения критерия Rе менее 1), может быть выражена уравнением:
, (5.6)
где d в – диаметр глобул воды, м;
rв и rн – плотность воды и нефти, кг/м3;
hн – динамическая вязкость нефти, Па×с.
Образованию стойкой эмульсии предшествуют понижение поверхностного натяжения на границе раздела фаз и создание вокруг частиц дисперсной фазы прочного адсорбционного слоя. Такие слои образуют вещества – природные эмульгаторы. Для эмульсий вода-нефть такими веществами являются асфальтены (А), смолы (С), высокоплавкие
парафины (П), а также твердые частицы – механические примеси. Все они формируют бронирующую оболочку вокруг глобул воды и мешают их слиянию (коалесценции). Стабилизаторы нефтяных эмульсий (эмульгаторы) условно могут быть разделены на следующие три типа:
Смолисто-асфальтеновый (С + А) / П ≥ 0;
Парафиновый (С + А) / П ≤ 0;
Смешанный (С + А) / П ≈ 1,0 (0,8–1,2).
Глобулы воды имеют сферическую форму, так как сфера при данном объеме обладает наименьшей поверхностью. Бронирующий слой представляет собой совокупность природных эмульгаторов, которые, находясь в ассоциированном состоянии в силу межмолекулярных взаимодействий между высокомолекулярными соединениями, в свою очередь, окружены адсорбированными слоями из смол, полициклических ароматических соединений.
При введении в эмульсии определенного типа вещества (деэмульгатора), способствующего образованию эмульсии противоположного типа, расслоение эмульсии облегчается.
Наиболее широко в настоящее время используют специальные синтезированные неионогенные деэмульгаторы.
Наличие механических примесей, независимо от преобладания природных эмульгаторов того или иного типа (парафиновый, асфальтеновый), затрудняет действие вводимого деэмульгатора (что выражается в повышении его расхода). Это обстоятельство делает особенно важной стадию предварительного удаления из нефти механических примесей.
Прочность сольватного (стабилизирующего или бронирующего) слоя, в котором сконцентрированы природные эмульгаторы, зависит также от рН водной среды. Оболочки с преобладанием асфальтенов имеют максимальную прочность в кислотной среде и минимальную – в щелочной. Кроме того, имеет значение и соотношение количества смол и асфальтенов с сольватном слое: эмульгирующие свойства асфальтенов лучше в кислотной среде, а смол в щелочной. Поэтому в зависимости от рН водной фазы прочность сольватной оболочки, содержащей смолы и асфальтены в различных соотношениях, различна.
Известно, что рН водной среды оказывает значительное влияние на механическую прочность межфазной пленки и стабилизацию эмульсии. Как правило, наименьшая прочность наблюдается при рН выделяемой воды, равном 7–8, т.е. при нейтральной и слабощелочной реакции. Низкое значение рН водной фазы эмульсий некоторых нефтей объясняется наличием в них веществ, имеющих кислотный характер (карбоновые и нафтеновые кислоты, фенолы и др.). Переход этих веществ в водную фазу может привести к тому, что, несмотря на применение высокоэффективных неионогенных деэмульгаторов, в нефти остаются наиболее мелкие капельки соленой пластовой воды.
На устойчивость нефтяной эмульсии также влияют и физико-химические свойства нефти и химический состав воды. Так, чем выше плотность воды и ниже плотность нефти, чем ниже вязкость нефти, тем выше скорость оседания глобул, и наоборот.
Очень сильное влияние на устойчивость эмульсий оказывает температура. Она влияет как на плотность, так и на вязкость нефти, повышение температуры снижает их значения. Кроме того, с повышением температуры меняется состав и толщина адсорбционного слоя, что также оказывает влияние на устойчивость эмульсии.