4. Нефть как дисперсная система. Ассоциаты нефти и структурообразование

Нефть и производные от нее – нефтяные системы являются предметом изучения многих естественных наук, каждая из которых вносит определенный вклад в развитие представлений о строении и структуре этих систем.

Возможны два подхода к изучению нефтяных систем: аналитический с использованием приемов органической и аналитической химии и коллоидно-химический с применением методов физической и коллоидной химии.

С одной стороны, нефтяные системы – это многокомпонентная смесь углеводородных и неуглеводородных соединений. Традиционная задача качественного и количественного анализа многокомпонентной системы решается с позиций аналитического подхода – разделения смеси на компоненты и их идентификации (лат. слово «identifico» - отождествлять), т.е. установления структурной формулы отдельных компонентов. Для этого используют разнообразные постоянно совершенствующиеся приемы разделения этих смесей и идентификации выделенных соединений (хроматографические, спектральные, экстракционные и др.). С помощью аналитического подхода в нефтях идентифицировано несколько десятков тысяч соединений, кроме того, в нефтях обнаружены новые ранее неизвестные соединения [11].

Знание химического состава нефтей необходимо для решения большого круга задач, являясь отправной точкой при выборе технологической схемы переработки нефти; оказывая помощь геохимикам в решении вопросов генезиса нефти (по наличию реликтовых углеводородов) и при изучении миграции нефти в пласте и т.д.

С другой стороны, по своему изначальному составу нефтяные системы являются дисперсными, т.е. содержат в качестве дисперсной фазы газ, воду или асфальтены.

Дисперсное состояние является характерным для нефтяных систем как при нахождении их в пласте, так и в процессах добычи, транспортировки, переработки и других технологических операций с ними. К нефтяным дисперсным системам относятся практически все виды природного углеводородного сырья (газовые гидраты, газоконденсаты, нефти, мальты, битумы); разные типы нефтепродуктов − от моторных топлив до коксов; химические реагенты на углеводородной основе и технологические жидкости, применяющиеся в нефтепромысловой химии и т.д. При этом объекты исследования постоянно меняются: в общем балансе углеводородного сырья увеличивается доля высоковязкого и тяжелого, а ассортимент химических реагентов и нефтепродуктов, содержащих компоненты в дисперсном состоянии, постоянно расширяется.

В нефтепромысловой химии для интенсификации добычи нефти и газа и увеличения нефтеотдачи пласта широко используются различные типы НДС техногенного происхождения (эмульсии, пены, гели), знание физико-химических характеристик которых необходимо для успешного проведения соответствующих обработок [11].

В терминах физической химии нефти можно определить как многокомпонентную смесь сложного состава, способную в широком интервале значений термобарических параметров изменять агрегатное состояние и, соответственно, объемные свойства. До сих пор нефтяные системы рассматриваются как молекулярные растворы, а технологические расчеты производятся на основе физических законов, описывающих молекулярные растворы: законы Рауля-Дальтона, Генри, Амага, Дарси и др. В нефтяных системах возникают значительные отклонения от идеальностиза счетполярностимолекул, различий в структуре и строении, что проявляется внеаддитивностимногих свойств, например, вязкости, плотности (рис. 4.1). Отклонения от аддитивности имеют место не только для смесей, состоящих из углеводородов различных гомологических рядов, но и в пределах одного гомологического ряда. Эти особенности нефтяных систем обусловлены склонностью образующих их компонентов кассоциации [12].

З

Рис. 4.1. Зависимость плотности и вязкости бинарных углеводородных систем 2,2–диметилпентан–гексадекан (а), бензол–декан (б), гексан–додекан (в), циклогексан–толуол (г) от мольной доли компонентов

нание физико-химических свойств НДС позволяетрегулировать интенсивность диффузионных, адсорбционных и массообменных нефтетехнологических процессов. Межфазные явления на границах раздела фаз в нефтяных системах, протекающие в присутствии природных и привнесенных в составе химических реагентов поверхностно-активных веществ, влияют на эффективность нефтетехнологических процессов. Такие практически важные свойства НДС как устойчивость, структурно-механические и реологические характеристики определяются коллоидно-дисперсным строением нефтяных систем. Поэтому отдельное место в рамках коллоидно-химического подхода занимает физико-химическая механика и реология НДС [11].

С позиций коллоидной химии нефть – это сложная многокомпонентная смесь, которая в зависимости от внешних условий проявляет свойства молекулярного раствора или дисперсной системы.

Дисперсные системы – гетерогенные системы, состоящие из двух или более фаз с развитой поверхностью разделамежду ними. Одна из фаз образует непрерывнуюдисперсионную среду, в которой распределенадисперсная фазав виде мелких твердых частиц, капель или пузырьков.