رفتار رئولوژیکی امولسیون‌های نفت خام یکی از میادین نفتی ایران

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشگاه صنعتی شریف، دانشکده مهندسی شیمی و نفت

چکیده

در این پژوهش، امولسیون‌های مختلفی با استفاده از نمونه نفت خام نوروز به‌عنوان فاز نفتی، آب یون زدوده شده به‎عنوان فاز آبی و سورفکتانت از نوع اسپان 40 به‎عنوان عامل امولسیون کننده تهیه شد و سپس پارامترهای مهم و تأثیرگذار بر خواص رئولوژیکی این امولسیون‌ها و نیز نمونه نفت خام بررسی شد. همچنین جهت بررسی کیفیت امولسیون‌ها، پایداری آن‌ها در یک دوره زمانی سه ماهه مورد مطالعه قرار گرفت. تابعیت گرانروی نسبت به نرخ برش با استفاده از مدل توانی و نسبت به کسر حجمی فاز پراکنده با استفاده از مدل‌های کسر حجمی لیو، ریچاردسون، مونی و کریگر- داگرتی بررسی گردید و مشاهده شد که نتایج حاصل از مدل‌ها با داده‌های آزمایشگاهی سازگاری بالایی دارند. نتایج حاصل از بررسی‌های میکروسکوپی نشان داد که پدیده وارونگی فازها در گستره کسر حجمی 40 تا 50% از فاز پراکنده، اتفاق می‌افتد. همچنین با بررسی پارامترهای مختلف بر روی خواص رئولوژیکی مشخص شد که در کلیه نمونه‌ها اعم از نفت خام و امولسیون‌ها، متغیرهای رئولوژیکی شدیداً تحت تأثیر تغییرات دمایی قرار می‌گیرند، بدین‌صورت که با افزایش دما کاهش قابل ملاحظه‌ای در گرانروی، تنش برشی و مدول‌های دینامیکی نمونه‌ها مشاهده می‌شود. افزایش کسر حجمی آب تا قبل از نقطه وارونگی فازها باعث افزایش گرانروی و مدول‌های دینامیکی شد و پس از نقطه وارونگی با تغییر فاز پیوسته از نفت به آب، این مقادیر کاهش یافت. با بررسی تغییرات نرخ برشی بر روی نمونه‌ها مشاهده شد که نمونه نفت خام در بیشتر محدوده برش اعمالی، رفتار سیال نیوتنی را دارد در صورتی که با تشکیل امولسیون و افزایش کسر حجمی فاز پراکنده، رفتار کاهنده برشی افزایش می‌یابد. افزایش غلظت سورفکتانت در امولسیون‌ها نیز باعث افزایش گرانروی، تنش برشی و مدول‌های دینامیکی و کاهش پارامتر اتلاف شد و در نتیجه خاصیت الاستیک امولسیون‌ها افزایش یافت.
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Rheological Behavior of Crude Oil Emulsions of an Iranian Oil Field

نویسندگان [English]

  • Mohammad Bagher Sadeghi
  • Ahmad Ramazani
  • Vahid Taghikhani
  • Cirus Ghotbi
Department of Chemical and Petroleum Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

Several emulsions were synthesized using a crude oil sample named Nowruz as the oil phase, the deionized water as the water phase and Span 40-type surfactant as the emulsifier and parameters affecting the rheological properties of emulsions were studied. In order to investigate the quality of emulsions, their stability was monitored in a three month period. A power-law model was used for the dependence of emulsion viscosity on shear rate and Liu, Richardson, Mooney, and Krieger-Dougherty models were used for the dispersed phase volume fraction dependency. It was observed that the data obtained from modeling were consistent with the experimental data. The results obtained by microscopic analysis revealed that the phase inversion phenomenon took place in the range of 40 to 50% of the dispersed phase (water) content. Temperature was found to be a significantly effective factor in all the samples including the crude oil and its emulsions. It was observed that an increase in temperature could cause a considerable decrease in viscosity, shear stress, and dynamic moduli. An increase in water volume fraction caused an increase in viscosity and dynamic moduli up to the phase inversion point and resulted in a reverse trend beyond this point. The investigation of shear rate effect demonstrated a Newtonian behavior for the crude oil and shear-thinning effect for the emulsions over a wide range of shear rates. The shear-thinning effect increased with an increase in water content and surfactant concentration. The results showed a decrease in loss tangent and a notable increase in viscosity, shear stress, dynamic moduli, and elasticity of emulsions with an increase in surfactant concentration.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Crude Oil
  • Emulsion
  • Rheological Properties
  • Shear-thinning
  • Surfactant

[1]. Pal R., “Shear viscosity behavior of emulsions of two immiscible liquids”, J. Colloid Interface Sci., Vol. 225, pp. 359–366, 2000.

[2]. Langevin D., Poteau S., Hénaut I. and Argillier J. F., “Crude oil eEmulsion properties and their application to heavy oil transportation”, Oil Gas Sci. Technol., Vol. 59, pp. 511–521, 2004.

[3]. Datta S. S., Gerrard D. D., Rhodes T. S., Mason T. G. and Weitz D. A., “Rheology of attractive emulsions”, Phys. Rev. E, Vol. 84, 041404, 2011.

[4]. Derkach S. R., “Rheology of emulsions”, Adv. Colloid Interface Sci., Vol. 151, pp. 1–23, 2009.

[5]. Dimitrova T. D., “Leal-Calderonb F., Rheological properties of highly concentrated protein-stabilized emulsions”, Adv. Colloid Interface Sci., Vol. 108–109, pp. 49–61, 2004.

[6]. Capron I., Costeux S. and Djaburov M., “Water in water emulsions: phase separation and rheology of biopolymer solutions”, Rheol. Acta., Vol. 40, pp. 441–456, 2001.

[7]. Windhab E. J., Dressler M., Feigl K., Fischer P. and Megias-Alguacil D., “Emulsion processing—from single-drop deformation to design of complex processes and products”, Chem. Eng. Sci., Vol. 60, pp. 2101–2113. 2005

[8]. Pal R., “Rheology of simple and multiple emulsions”, Curr. Opin. Colloid Interface Sci., Vol. 16, pp. 41–60, 2011.

[9]. Schramm L. L., “Petroleum emulsion: basic principles, in emulsions fundamentals and applications in the petroleum industry”, Schramm, L. L., Editor, Advances in Chemistry Series-231: Washington DC, Chapter-1, 1992.

[10]. Sjöblom J., Emulsions and emulsion stability, 2nd Edition, CRC press, Taylor and Francis group, 2006.

[11]. Masmoudi H., Piccerelle P., Le Dréau Y. and Kister J., “A rheological method to evaluate the physical stability of highly viscous pharmaceutical oil-in-water emulsions”, Pharm. Res., Vol. 23, pp. 1937–1947, 2006.

[12]. Mason T. G., “New fundamental concepts in emulsion rheology”, Curr. Opin. Colloid Interface Sci., Vol. 4, pp. 231–238, 1999.

[13]. Princen H. M., The structure, mechanics and rheology of concentrated emulsions and fluid foams, in Encyclopedic Handbook of Emulsion Technology, Sjöblom J., ed. CRC Press, 2001.

[14]. Princen H. M. and Kiss A. D., “Rheology of Foams and Highly Concentrated Emulsions: IV. An Experimental Study of the Shear Viscosity and Yield Stress of Concentrated Emulsions”, J Colloid Interface Sci, Vol. 128, pp. 176–187, 1989.

[15]. Princen H. M. and Kiss A. D., “Rheology of foams and highly concentrated emulsions: III. static shear modulus”, J Colloid Interface Sci, Vol. 112, pp. 427–437, 1986.

[16]. Otsubo Y. and Prud’homme R. K., Rheology of Oil-in-Water Emulsions, Rheol. Acta, Vol. 33, pp. 29–37, 1994.

[17]. Otsubo Y., Prud’homme R.K., “Effect of drop size distribution on the flow behavior of oil-in-water emulsions”, Rheol. Acta, Vol. 33, pp. 303–306, 1994.

[18]. Pal R., “Rheology of high internal phase ratio emulsions”, Food Hydrocoll., Vol. 20, pp. 997–1005, 2006.

[19]. Pal R., “Viscosity models for multiple emulsions”, Food Hydrocoll., Vol. 22, pp. 428–438, 2008.

[20]. Pal R., “Shear viscosity behavior of emulsions of two immiscible liquids”, J. Colloid Interface Sci., Vol. 225, pp. 359–366, 2000.

[21]. Pal R., “Viscous behavior of concentrated emulsions of two immiscible Newtonian fluids with interfacial tension”, J. Colloid Interface Sci., Vol. 263, pp. 296–305, 2003.

[22]. Pal R. and Rhodes E., “Viscosity-concentration relationships for emulsions”, J Rheol., Vol. 33, pp. 1021–1045, 1989.

[23]. Pal R., “Effect of droplet size on the rheology of emulsions”, AIChE J., Vol. 42, pp. 3181–3190, 1996.

[24]. Olhero S. M. and Ferreira J. M. F., “Influence of particle size distribution on rheology and particle packing of silica-based suspensions”, Powder Technology, Vol. 139, pp. 69–75, 2004.

[25]. Hayati I. N., Che Man Y., Tan C. P. and Idris N. A., “Stability and rheology of concentrated O/W emulsions based on soybean oil/palm kernel olein blends”, Food Res. Inter., Vol. 40, pp. 1051–1061, 2007.

[26]. Krishnan J. M., Deshpande A., “Rheology of complex fluids”, (chapter 1: Non Newtonian Fluids: An Introduction by Chhabra R.P.), New York, pp. 9–12, 2010.

[27]. Quintero C. G., Noik C., Dalmazzone C. and Grossiord J. L., “Modelling and characterisation of diluted and concentrated water-in-crude oil emulsions: comparison with classical behaviour”, Rheol Acta, Vol. 47, pp. 417–424, 2008.

[28]. Mooney M., “The viscosity of a concentrated suspension of spherical particles”, J. Colloid Interface Sci., Vol. 6, pp. 162–170, 1951.

[29]. Krieger I. M. and Dougherty T. J., “A mechanism for non-Newtonian flow in suspensions of rigid spheres”, Trans. Soc. of Rheo., Vol. 3, pp. 137–52, 1959.

[30]. Liu D. M., “Particle packing and rheological property of highly-concentrated ceramic suspensions: φm determination and viscosity prediction”, J. Mater. Sci., Vol. 35, pp. 5503–5507, 2000.