Текущее состояние. Водонефтяная эмульсия вызывает широкий спектр проблем, одна из которых – образование высоких перепадов давления в выкидных линиях, что приводит к увеличению затрат на прокачку и транспортировку. Наиболее развитым направлением среди технологий разделения нефти и воды является использование деэмульгаторов на основе магнитных наночастиц (МНЧ), которые обладают уникальными химическими и механическими свойствами и, следовательно, открывают уникальные возможности для решения задач нефтедобычи.

Решаемая научная проблема. Основной целью этой работы является систематизация исследований МНЧ для эффективного разделения нефтяных и водных эмульсий. В обзоре представлены характеристики деэмульгатора МНЧ, механизм разделения водонефтяной эмульсии и факторы, влияющие на нарушение эффективности водонефтяных эмульсий деэмульгатором МНЧ.

Методы исследования. В процессе выполнения данной работы был  выполнен анализ исследований МНЧ по разделению эмульсий нефть в воде и вода в нефти, начиная с 2015 года, а также представлена информация о типах, методах синтеза частиц и результатах испытаний на деэмульгацию. Данная статья поможет начинающему исследователю быстро разобраться в основных аспектах применения МНЧ.

Исследование разделено на разделы в соответствии с вопросами, предложенными моделью PICO(S). В первом разделе статьи описываются проблема и механизм формирования нефте-водной эмульсии. Во втором разделе представлен краткий обзор современных подходов к разделению нефте-водных эмульсий. Следующие разделы посвящены деэмульгаторам МНЧ, их характеристикам, а также механизмам и факторам, влияющим на эффективность деэмульгации. В конце статьи представлены результаты, влияющие на эффективность и перспективы применения магнитных деэмульгаторов.

Детали исследования. Анализ результатов поиска по запросу «магнитный деэмульгатор нефти» на Science Direct дал 279 результатов, а с 1988 по 2022 год была опубликована 161 исследовательская статья. График на рисунке 1 демонстрирует устоявшуюся тенденцию увеличения количества статей, что свидетельствует о постоянном возрастании интереса исследователей к изучению и разработке магнитных деэмульгаторов. В этом обзоре мы в основном будем рассматривать научные статьи, опубликованные после 2015 года.

Образование водонефтяной эмульсии (ВНЭ) – весьма нежелательный и неизбежный процесс в нефтяной отрасли. ВНЭ может вызвать такие проблемы, как появление высоких перепадов давления в выкидных линиях и увеличение затрат на перекачку и транспортировку; повышенная скорость коррозии (из-за содержания солей в водном пласте); более низкая плотность нефти по API. Разработка месторождений углеводородов в течение 1-3 лет неизбежно приводит к образованию эмульсии в пласте еще до ее появления на поверхности. Перед транспортировкой и обработкой эмульсию разбивают на две фазы, при этом должен соблюдаться удельный стандарт остаточной воды и солей, а содержание воды должно быть менее 1%.

Различают три типа эмульсий: вода в нефти, нефть в воде и множественные (сложные или двойные) эмульсии (см. рисунок 2) [13]. Нефть и пластовая вода содержат компоненты, способствующие образованию и стабилизации эмульсий, то есть природные эмульгаторы. Эти эмульсии могут быть очень стабильными благодаря наличию межфазно-активных соединений, таких как асфальтены, смолы, нафтеновые кислоты и твердые частицы.

Деэмульгаторы МНЧ представляют собой химические структуры, полученные путем объединения МНЧ с другими веществами, выполняющими защитную функцию, гидрофобизацию или гидрофилизацию поверхности и другие функции. Магнитный сердечник обладает суперпарамагнетизмом или ферромагнетизмом, что способствует достижению направленной миграции и магнитно-индукционному нагреву в различных магнитных полях. Активные группы веществ, выведенных из слоя оболочки, могут быть конъюгированы со специфическими молекулами, тем самым осуществляя функционализацию. Таким образом, функционализированные МНЧ обладают свойствами магнитных частиц и веществ оболочечного слоя, ответственными за повышение эффективности деэмульгации.

В отсутствие внешнего поля суперпарамагнитные МНЧ не будут иметь намагниченности. Суперпарамагнитная намагниченность МНЧ описывается модифицированной функцией Ланжевена (уравнение 1).

,

где Н – напряженность приложенного магнитного поля; М₀ – намагниченность насыщения суперпарамагнитных наночастиц; L(x) = coth -1/x – функция Ланжевена; x — параметр Ланжевена; μ_р — средний магнитный момент каждой суперпарамагнитной наночастицы; x_a — линейная составляющая восприимчивости.

Еще одной важной характеристикой является магнитная сила (F), действующая на МНЧ (уравнение 2):

,

где V – объем магнитной наночастицы; M – намагниченность магнитной нано-частицы; ∇H – градиент магнитного поля; μ₀ – магнитная проницаемость в вакууме.

Согласно этому уравнению, способность МНЧ двигаться под действием внешнего магнитного поля зависит от намагниченности частицы: чем больше значение намагниченности частицы, тем легче движение в магнитном поле.

Заключение. Интерес к технологии деэмульгации МНЧ постоянно растет. В данном обзоре обобщены примеры исследований по модификации и испытаниям МНЧ для де-эмульгирования обоих типов ВНЭ (н/в и в/н). Ряд изученных бутылочных испытаний подтвердил, что деэмульгаторы МНЧ демонстрируют превосходную эффективность деэмульгации.

Механизм разрушения ОВЭ включает в себя следующее: диспергирование де-эмульгатора МНЧ в сплошной среде эмульсии, взаимодействие с асфальтенами и другими соединениями поверхности капель дисперсионной среды (ван-дер-ваальсовые взаимодействия и кулоновские взаимодействия), разрушение оболочки и капельки сливаются.

При разработке деэмульгаторов МНЧ важно учитывать следующие факторы:

1. МНЧ нуждаются в защитном слое, чтобы избежать окисления и коррозии.

2. Функциональную модификацию МНЧ необходимо производить в соответствии с типом эмульсии и характеристиками эмульгатора (в основном асфальтенов). Деэмульгатор МНЧ должен иметь хорошую смачиваемость непрерывной фазой эмульсии.

3. Также необходимо проанализировать целевые характеристики эмульгатора OWE (в основном, зета-потенциал асфальтенов). Функциональные группы деэмульгатора МНЧ должны обеспечивать необходимый зета-потенциал для электростатического взаимодействия с асфальтенами.