Файл: Контрольные вопросы для самопроверки. Методические указания предназначены для студентов магистратуры направления 21. 04. 01 Нефтегазовое дело.pdf

45
Несмотря на значительное количество исследований тиксотропных свойств НДС, единой методики для ее количественной оценки пока не существует. Обычно ее оценивают как площадь «петли гистерезиса», полученной в результате динамических испытаниях образца при заданной температуре при плавном увеличении скорости сдвига до некоторого значения с последующим плавным уменьшением до нуля. Чем больше площадь, заключенная между полученными кривыми, тем в большей степени исследуемая НДС обладает тиксотропией. Причем при повышении температуры тиксотропные свойства НДС значительно снижаются.
Динамические эксперименты по изучению тиксотропных свойств нефтей были проведены по следующей методике. Скорость сдвига в процессе динамических испытаний плавно увеличивалась до значения 300 с
-1
в течение 300 секунд (прямой ход на графиках зависимости напряжения сдвига от скорости сдвига, соответствующий пусковым режимам работы трубопровода – постепенное разрушение структуры исследуемой НДС при увеличении скорости сдвига), затем она выдерживалась постоянной при достигнутом значении в течение 300 секунд (ожидание полного разрушения внутренней структуры нефти), а далее скорость сдвига плавно уменьшалась до нуля за 300 секунд (обратный ход на графиках – стационарный режим работы трубопровода – существование разрушенной структуры НДС).
Энергия тиксотропии определяется как площадь петли гистерезиса, отнесенная к объему образца (45 мл) и измеряется в
Дж/м
3
Задание: по данным электронных таблиц построить зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига в прямом и обратном ходе измерений для различных нефтей. С помощью линий тренда полинома третьей степени описать ход кривых. Определить площадь петли гистерезиса как разница интегралов кривых прямого и обратного хода (рисунок 9, 10). Определить энергию тиксотропии по полученным значениям петли гистерезиса. Сделать вывод о структурных различиях нефтей разной природы.

Рис.. 12. Метод рас
Рис. 13. Пе
4
счета площади етли гистерези
46 и петли гистер са образца неф езиса образца фти при 10 ºС
нефти

47
Оценка квазитермодинамических характеристик активации
вязкого течения нефтяных дисперсных систем
В связи с различными трудностями, обусловленными структурообразованием в НДС при их добыче, транспортировке и переработке, актуальным становится изучение факторов, влияющих на течение нефтяных компонентов и их смесей, которые важны не только для создания научных основ добычи, транспортировки и переработки НДС, но и может дать ценную информацию о природе и скоростях перераспределения конформаций макромолекул, а также о их взаимном расположении, то есть о структуре НДС.
Для оценки структурных превращений и межмолекулярного взаимодействия в дисперсных системах чаще пользуются свободной энергией, энтальпией и энтропией активации вязкого течения. При исследовании структурно-механических свойств НДС приложенное напряжение сдвига может вызвать разрушение структуры и переориентацию макромолекул, составляющих
НДС, что сопровождается изменением их конформаций. Эти процессы должны по-разному сказываться на величинах энтальпии (прочность структуры) и энтропии (степень упорядоченности) активации вязкого течения.
Данные термодинамических характеристик вязкого течения
НДС находятсяна основании уравнений Аррениуса, Френкеля и теории Эйринга.
η =
∙
/
(10) где η - динамическая вязкость, Па·с;
η
0
– предэкспонента динамической вязкости, Па·с;
Е
а
– энергия активации вязкого течения, Дж/моль.
R – универсальная газовая постоянная 8,31 Дж/моль·К;
T – температура, К.
Энергия активации вязкого течения равна работе, которую необходимо затратить для перемещения частиц жидкости. Она

48 связана с энергией межмолекулярного взаимодействия и, как правило, определяется как угол наклона кривой на графике зависимости логарифма динамической вязкости от обратной температуры в соответствии с логарифмическим видом уравнения
(12): lnη = ln
+
(12)
Свободная энергия активации вязкого течения имеет вид:
ΔG
≠
=ΔH
≠
–TΔS
≠
(13) где ∆S – энтропия активации вязкого течения, Дж/моль·К.
Энтропию можно определить как:
ΔS
≠
= (lnσ
0
–lnη
0
)R (14) где σ
0
= T(6,6 – 2,25·lgM)·10
-8
– вязкость вещества в состоянии газа,
Па·с; М – средняя молекулярная масса вещества.
Энтальпия активации выражается как:
ΔH
≠
= E
a
+ RT (15)
Для многих процессов энергия активации значительно больше RT (Е
а
≈50-200 кДж/моль, при 298 К RT=2,5 кДж/моль), поэтому величиной RT в практических расчетах пренебрегают и заменяют энтальпию энергией активации, определенной из уравнения Аррениуса.
На основании значений энтропии активации вязкого течения можно оценить отношение числа состояний активированного комплекса W
≠
к числу состояний до активации W по уравнению: exp(ΔS
≠
/R) = W
≠
/W (16)

Про реологичес термодинам свою очер взаимодейс
Зад
Построить температур энергию ак рисунке 11
скоростях вычисляетс
Вычислить течения (р структуры природы не
Рис. 14. Зав оведение ских сво мические х редь дают ствии компо
дание: опр график за ры при 2 с ктивации вя
1, умноженн сдвига. Д
ся на участ ь термодин рис. 13, 14,
НДС в зав ефти. висимость лог
4
экспер ойств
Н
характерист возможно онентов, вхо еделить вя ависимости с
-1
, 50 с
-1
и язкого течен ный на R (г ля харьяги тках кристал намческие таблица 8) висимости о гарифма вязкос
49 риментальны
НДС по тики вязког сть судить одящих в со язкость неф логарифма и 150 с
-1
(р ния как танг газовая пост инской неф ллизационн параметры
. Сделать от температу сти от обратно ых и
озволяет го течения,
ь о межмо остав систем фти по фо вязкости рис. 11, 12). генс наклон тоянная) пр фти энергия ной и жидко ы активац выводы об уры, скорос ой температуры исследовани определит которые олекулярном мы. ормуле (11
от обратно
Определит на прямой н и различны я активаци ой структур ии вязког б изменени сти сдвига ы при 0,15 с
-1 ий ть в м
). ой ть на ых ии р. го ии и

Рис. 15. Зави
Рис. 16. Завис исимость лога симость измен нефти от т
5
арифма вязкост
200 и нения энтальпи температуры п
50 ти от обратной и 300 с
-1 ии активации в при 0,15, 100, 2
й температуры вязкого течени
200 и 300 с
-1 при 0,15, 100,
ияпарафинисто
, ой

Рис. 17. авис
Термодина наф
НДС
Нафтено- аромат.
Парафин.
Нафтено- аромат.
Парафин.
Нафтено- аромат.
Парафин. симость измен нефти от т амические хара фтено-аромати
Т
L
, °С
Энергия
-
23
Энтальпия
-
23
Энтропия
-
23 5
нения энтропии температуры п актеристики ак ической нефти
0
До Т
L активации вяз
352,9 я активации вя
355,3 активации вяз
1113,0 51 и активации вя при 0,15, 100, 2
ктивации вязко при повышен
0,15 с
-1
После Т
L
кого течения,
37,8 24,3 язкого течения
40,4 26,9 зкого течения,
37,1 3,1 язкого течения
200 и 300 с
-1 ого теченияпар ии скорости сд
10
L
До Т
L
кДж/моль
3 129,7 я, кДж/моль
3 132,1
Дж/моль·К
3 358,1 япарафинистой
Таблица рафинистой и двига
00 с
-1
После Т
L
36,9 23,4 39,5 26,0 34,2 2,9 й
8.

52
Продолжение таблицы 8.
Отношение числа активированных комплексов в НДС к числу состояний до активации
Нафтено- аромат.
- 86,9 61,3
Парафин. 23 1,5·10 58 1,5 5,2·10 18 1,4

53
Библиографический список:
1. Ибрагимов Н.Г., Крупин С.В. Коллоидно-химические основы возникновения и удаления асфальто-смоло-парафиновых отложений при разработке нефтяных месторождений: учебное пособие – Казань: КГТУ, 2008. – 133 с. https://e.lanbook.com/book/13278 2. Терзиян Т.В. Физическая и коллоидная химия: учебное пособие.
Екатеринбург:
Издательство
Уральского университета, 2012 – 108 с. https://e.lanbook.com/book/98442 3. Крупин С.В., Трофимова Ф.А. Коллоидно-химические основы создания глинистых суспензий для нефтепромыслового дела: монография – Казань: КГТУ, 2010 – 411 с. https://e.lanbook.com/book/13279 4. Дерягин Б. В. Адгезия - Москва, Ленинград:
Издательство Академии Наук СССР, 1949. – 257 с. http://books.e-heritage.ru/book/10079864
Базы
данных,
электронно-библиотечные
системы,
информационно-справочные и поисковые системы:
1.
Европейская цифровая библиотека Europeana: http://www.europeana.eu/portal
2. КонсультантПлюс: справочно - поисковая система
[Электронный ресурс]. - www.consultant.ru/.
3. Мировая цифровая библиотека: http://wdl.org/ru
4.
Научная электронная библиотека «Scopus» https://www.scopus.com
5.
Научная электронная библиотека ScienceDirect: http://www.sciencedirect.com
6.
Научная электронная библиотека «eLIBRARY»: https://elibrary.ru/
7. Поисковые системы Yandex, Rambler, Yahoo и др.
8.
Система
ГАРАНТ: электронный периодический справочник [Электронный ресурс] www.garant.ru/.

54 9. Термические константы веществ. Электронная база данных, http://www.chem.msu.su/cgibin/tkv.pl
10. Электронно-библиотечная система издательского центра
«Лань»
11. Электронная библиотека Российской Государственной
Библиотеки (РГБ).
12. Электронная библиотека учебников: http://studentam.net
13. Электронно-библиотечная система «ЭБС ЮРАЙТ» www.biblio-online.ru.
14. Электронная библиотечная система «Национальный цифровой ресурс «Руконт»». http://rucont.ru/
15.
Электронно-библиотечная система http://www.sciteclibrary.

55
Содержание
I. Нефть как коллоидная система и ее групповые компоненты
(углеводороды и неуглеводородные соединения) ................................ 3
II. Структурообразование в НДС ......................................................... 19
III. Поверхностные взаимодействия в НДС – системах с развитой поверхностью ......................................................................................... 21
IV. Устойчивость НДС .......................................................................... 25
V. Предмет исследования физико-химической механики НДС........ 28
VI. Ньютоновская и неньютоновская вязкости нефти и нефтепродуктов ..................................................................................... 31
VII. Эмульсии и ПАВы ......................................................................... 38
VIII. Задачи по реологии и методам измерения структурно- механических свойств ........................................................................... 40
IX. Библиографический список ……………………………………...53

СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
О НЕФТЯНЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ
Методические указания к практическим занятиям
для студентов магистратуры направления 21.04.01
Сост.: Н.К. Кондрашева, А.А. Бойцова
Печатается с оригинал-макета, подготовленного кафедрой химических технологий и обработки энергоносителей
Ответственный за выпуск Н.К. Кондрашева
Лицензия ИД № 06517 от 09.01.2002
Подписано к печати 03.09.2019. Формат 60
84/16.
Усл. печ. л. 3,2. Усл.кр.-отт. 3,2. Уч.-изд.л. 2,9. Тираж 50 экз. Заказ 733. С 250.
Санкт-Петербургский горный университет
РИЦ Санкт-Петербургского горного университета
Адрес университета и РИЦ: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, 2