Нефтяные дисперсные системы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

 
 
 
 
 
 
 
В.Н. Манжай, Л.В. Чеканцева  
 
 
 
 
 
 
НЕФТЯНЫЕ ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ 
 
 
 
 
Рекомендовано в качестве учебного пособия  
Редакционно-издательским советом 
Томского политехнического университета  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Издательство 
Томского политехнического университета 
2016 

УДК 665.6(075.8) 
ББК 35.514-1я73 
М23 
 
Манжай В.Н.  
М23  
Нефтяные дисперсные системы : учебное пособие / В.Н. Манжай, Л.В. Чеканцева ; Томский политехнический университет. – 
Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2016. – 
148 с. 

ISBN 978-5-4387-0720-2 

В пособии изложены закономерности нефтяных дисперсных систем, 
основанные на фундаментальных законах естествознания. Даны представления о дисперсном состоянии вещества и сущности поверхностных явлений, 
проявляющихся в дисперсных системах, свойствах исходного сырья и реагентов, их влиянии на технологические процессы, а также методы проведения стандартных испытаний по определению физико-химических свойств углеводородов, материалов и реагентов. 
Предназначено для студентов I курса магистратуры, обучающихся по 
профилю подготовки «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений» направления 131000 «Нефтегазовое дело». 

УДК 665.6(075.8) 
ББК 35.514-1я73 

 

 

Рецензенты 

Доктор химических наук, профессор  
заместитель директора Института химии нефти СО РАН  
А.В. Восмериков 

Кандидат химических наук, доцент ТГУ 
Л.П. Госсен  
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-4387-0720-2 
© ФГАОУ ВО НИ ТПУ, 2016 
© Манжай В.Н., Чеканцева Л.В., 2016 
© Оформление. Издательство Томского  
политехнического университета, 2016

СОДЕРЖАНИЕ 

ПРЕДИСЛОВИЕ ........................................................................................... 5 

ЛЕКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ................................................................... 6 
Введение .......................................................................................................... 6 
1. Коллоидно-дисперсные системы .............................................................. 8 
Определения ................................................................................................ 8 
Классификация систем по дисперсности ................................................. 9 
Классификация систем по структуре ...................................................... 10 
Классификация по межфазному взаимодействию ................................ 10 
Классификация по агрегатному состоянию ........................................... 11 
Получение коллоидно-дисперсных систем ............................................ 11 
Вопросы и задания .................................................................................... 13 
2. Молярно-кинетические свойства дисперсных систем  
и методы их исследования ....................................................................... 14 
Оптические методы определения размеров частиц .............................. 17 
Оптическая микроскопия ......................................................................... 19 
3. Влияние поверхности на свойства  дисперсных систем ....................... 24 
Адсорбция на границе раздела фаз ......................................................... 26 
Эмульсии и суспензии .............................................................................. 27 
Мицеллярные системы ............................................................................. 29 
Вопросы и задания .................................................................................... 32 
4. Нефть .......................................................................................................... 33 
Элементный, компонентный и групповой состав нефти ...................... 33 
Вопросы и задания .................................................................................... 44 
5. Сложные структурные единицы нефти .................................................. 45 
Методы исследования ССЕ ..................................................................... 48 
Вязкость, структурно-механическая прочность  
и устойчивость  нефтяных дисперсных систем ..................................... 49 
Вопросы и задания .................................................................................... 51 
6. Водонефтяные эмульсии .......................................................................... 52 
Физико-химические и технологические аспекты сбора,  
подготовки и транспорта нефти .............................................................. 54 
Вопросы и задания .................................................................................... 57 
7. Закономерности течения жидкостей  в цилиндрическос канале ......... 58 
Ламинарное и турбулентное течение жидкостей .................................. 59 
Вопросы и задания .................................................................................... 63 
8. Реология нефти с аномальными свойствами ......................................... 64 
Классификация жидкостей по реологическим характеристикам ........ 64 
Вопросы и задания .................................................................................... 70 

ПРАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ............................................................. 71 
1. Седиментационный анализ суспензий ................................................... 71 
1.1. Правила работы на торсионных весах ВТ-500 ............................... 80 
1.2. Пример расчета результатов седиментационного  
анализа суспензии .............................................................................. 83 
2. Определение кинетической устойчивости асфальтеносодержащих 
дисперсных систем ................................................................................... 87 
2.1. Правила работы на электронных весах GR-202 ............................. 90 
2.2. Правила работы на однолучевом сканирующем 
спектрофотометре ПЭ-3200С/УФ ..................................................... 92 
2.3. Правила работы на центрифуге   
лабораторной медицинской ОПН-8 ............................................... 100 
3. Определения содержания воды по методу Дина и Старка  
(по ГОСТ 2477-65) .................................................................................. 103 
4. Определение эффективности деэмульгаторов  
водонефтяных эмульсий ........................................................................ 107 
4.1. Правила работы на модульном биологическом  
микроскопе OLIMPUS модели CX41 ............................................. 110 
4.2. Правила работы на экстракторе ПЭ-8000 ..................................... 117 
4.3. Правила работы на перемешивающем устройстве ПЭ-6300 М .. 119 
5. Определение коэффициента флокуляции нефти ................................. 122 
6. Определение межфазного натяжения   
на различных границах раздела фаз ...................................................... 126 
6.1. Правила работы на сталагмометре СТ-2 ....................................... 128 
7. Определение реологических характеристик гелей на водной  
и углеводородной основе для гидравлического разрыва пласта ....... 133 
7.1. Правила работы на программируемом   
вискозиметре DV-II+PRO ................................................................ 137 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ............................ 146 
 
 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Цикл лекций «Нефтяные дисперсные системы» предназначен для 
студентов I курса магистратуры, обучающихся по профилю подготовки 
«Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений» направления 131000 «Нефтегазовое дело». 
Курс лекций написан авторами в соответствии с учебными планами 
и на основе требований «Государственного образовательного стандарта 
высшего профессионального образования» и «Образовательного стандарта высшего профессионального образования ТПУ». Согласно этим 
документам студент должен иметь естественно-научное представление  
о дисперсном состоянии вещества и понимать сущность поверхностных 
явлений, проявляющихся в дисперсных системах, знать свойства исходного сырья и реагентов, их влияние на технологические процессы,  
а также владеть методами проведения стандартных испытаний по определению физико-химических свойств углеводородов, материалов и реагентов. 
Приведенные выше требования обусловили содержание курса лекций «Нефтяные дисперсные системы», который основан на фундаментальных законах естествознания, в частности закономерностях коллоидной химии. Логическим следствием закономерностей, присущих 
дисперсным системам, является их перенесение на нефти различного 
компонентного состава и разной структурной организации ее микрофрагментов (дисперсной фазы). Информация, содержащаяся в восьми 
лекциях, каждая из которых рассчитана на три академических часа, 
подкреплена контрольными вопросами и задачами как теоретического, 
так и прикладного характера. Предполагается, что теоретические знания, изложенные в лекциях, будут закреплены на практике в ходе выполнения лабораторных работ, описанных в заключительной части 
предлагаемого учебного пособия.  

ЛЕКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ 

ВВЕДЕНИЕ 

Для объяснения сущности окружающего материального мира античные философы примерно две с половиной тысячи лет назад ввели 
понятие о пребывании вещества в четырех стихиях, в качестве которых 
рассматривались земля, вода, воздух и огонь. Эти понятия о природных 
объектах и сути явлений доминировали и в средневековых алхимических представлениях вплоть до эпохи Возрождения, когда появились 
начальные ростки современного научного мировоззрения. Опираясь  
на атомистическое учение, зачатки которого также уходят вглубь дохристианских веков к древнегреческим мыслителям, современные ученые, 
как и их предшественники, оперируют четырьмя понятиями об агрегатном состоянии вещества и выделяют твердое, жидкое, газообразное  
состояния и плазму. Легко проследить аналогию и некоторую генетическую связь между представлениями древних мыслителей и современным видением природы вещества. Но современное учение не столь  
поверхностно и механистично, потому что благодаря появлению и развитию различных экспериментальных приемов и исследовательского 
инструментария к настоящему времени накоплен богатейший запас знаний о структуре и свойствах вещества, диспергированного до атомарного состояния и глубже. На основе этой информации удалось разработать 
относительно логичные представления о природе различных агрегатных 
состояний и об их взаимосвязи. 
Установлено, что в газообразном агрегатном состоянии атомы элементов и состоящие из них достаточно простые молекулы практически 
не взаимодействуют друг с другом и являются кинетически независимыми частицами, поэтому большая их совокупность в некотором объеме 
представляет собой простейшую механическую смесь, которая в естествознании (физике) называется идеальным газом. Между идеальными газами, c одной стороны, и простыми низкомолекулярными жидкостями 
(вода, октан, ртуть и др.) и их смесями (бензин, водно-спиртовая смесь, 
растворы солей, кислот, щелочей и др.), с другой стороны, зачастую 
проводят аналогию. До некоторых пор было принято считать, что  
в жидком агрегатном состоянии (конденсированное состояние) вещество также диспергировано до атомарно-молекулярного состояния, при 
котором вследствие теплового движения молекулы свободно и непрерывно меняют свое положение в пространстве (объеме). Такие жидкие 
системы существуют и называются гомогенными. 

Но в реальных жидких средах между молекулами существуют силы 
межмолекулярного взаимодействия электрической природы, которые по 
своей энергетике значительно слабее ковалентных связей и могут быть 
расположены в убывающий ряд: ковалентные связи (Е > 200 кДж/моль) > 
водородные связи (Е ~ 20 кДж/моль) > вандерваальсовы силы с энергией менее 10 кДж/моль: (ориентационные > индукционные > дисперсионные). Под действием слабых межмолекулярных сил в жидкостях при 
kT
E

 реализуется некоторый ближний порядок в расположении молекул, который под действием теплового (броуновского) движения в гомогенных жидкостях при kT
E

 постоянно изменяется. Таким образом, 
по степени упорядоченности жидкости занимают промежуточное положение между газами с беспорядочным движением молекул и твердыми 
телами. 
Таким образом, в реальных условиях из-за наличия упомянутых 
выше сил существуют также и жидкие гетерогенные системы, в которых следствием действия межмолекулярных сил является образование 
крупных и достаточно стабильных надмолекулярных ассоциатов, состоящих из множества взаимосвязанных молекул, отделенных от других 
частей системы поверхностью раздела. Необходимо еще раз подчеркнуть, что взаимодействие между множеством различных молекул в этих 
ассоциатах по энергетике значительно слабее ковалентной (химической) 
связи, поэтому при механическом или термическом воздействии происходит разрушение этих надмолекулярных образований, но при этом  
не происходит изменения химической природы вещества. При снятии 
внешних воздействий ассоциаты могут восстанавливаться в той или 
иной форме. Область естествознания, объектами исследования которой 
являются такие гетерогенные системы, называется коллоидной химией. 
Таким образом, коллоидную химию можно назвать химией реальных 
тел, в которой рассматриваются вещества со степенью диспергирования 
от 1 нм до 1 мм (10‒9...10‒3 м). К разряду таких коллоидно-дисперсных 
систем относятся и нефти, особенно с высоким содержанием асфальтенов, смол и парафинов. 
 

1. КОЛЛОИДНО-ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ  

Коллоидно-дисперсные системы состоят из дискретных фрагментов дисперсной фазы и непрерывной дисперсионной среды.  
В частицах дисперсной фазы некоторая часть молекул находится 
(включена) во внутреннем объеме надмолекулярных фрагментов (ассоциатов, агломератов, мицелл и т. д.), а другая часть расположена на поверхности частиц и соприкасается с молекулами дисперсионной среды. 
Такие молекулы обладают избыточной свободной поверхностной энергией по сравнению с подобными им молекулами, но находящимися 
внутри частиц. 

 
a 
b 
c 

Рис. 1.1. Образование дисперсной системы высших алканов (парафинов) при 
изменении температуры: а) исходный нагретый раствор; b) система после 
охлаждения; c) система в процессе нагревания. 1 – предшественник (зародыш) 
твердой фазы; 2 – молекулы растворителя; 3 – различные низкомолекулярные 
компоненты в системе; 4 – дисперсная фаза (твердые кристаллы парафина);  
5, 6, 7 – жидкая дисперсионная среда; 8 – аморфный парафин 

Коллоидная химия является частью физической химии, в которой 
для описания состояния системы и процессов, происходящих в ней, 
принята строгая терминология. Поэтому для одинакового понимания 
сути явлений целесообразно познакомиться с общепринятыми определениями.  

Определения 

Истинные растворы – это однофазные гомогенные системы, в которых вещество диспергировано до молекулярного состояния. 
Фаза – это часть объема системы, обладающая определенными физико-химическими свойствами и отделенная от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства изменяются скачкообразно. 
Системой называется тело или группа тел, находящихся во взаимодействии и условно обособленных от окружающей среды. 

1  
2  

3  
4 
5 
6 

7 
8 

   Замораживание 
  Оттаивание 

Компонентами системы называются химические вещества, которые могут быть выделены из системы и существовать в виде индивидуальных соединений сколь угодно долго. 
Параметры (давление – P, температура – T, объем – V, концентрация – C), характеризующие состояние системы, называются термодинамическими.  
Термодинамическим процессом называется изменение хотя бы одного параметра системы, приводящее к изменению термодинамических 
функций (G – изобарно-изотермический потенциал (энергия Гиббса);  
H – энтальпия; U – внутренняя энергия; S – энтропия). 
Для коллоидных систем характерно наличие различных признаков 
у дисперсной фазы и дисперсионной среды, поэтому им присущи многообразные свойства, в зависимости от которых существуют различные 
способы классификации систем. 

Классификация систем по дисперсности 

Молекулы низкомолекулярных соединений имеют, как правило, 
небольшие размеры. Например, диаметр молекулы воды составляет 
чуть менее 0,3нм, а расстояние между концами углеродной цепи молекулы гексадекана (С16Н34) в вытянутом состоянии ‒ около 2 нм, а размеры (диаметр) этой же молекулы в свернутой конформации ‒ менее 1 нм. 

 

Вода 
Гексадекан (С16Н34) 

В зависимости от размера частиц коллоидные системы делятся  
на высокодисперсные (от 1 нм до 1 мкм) и грубодисперсные (от 1 мкм 
до 1 мм) От размеров частиц дисперсной фазы зависят избыточная 
свободная энергия 

*
U
 и удельная поверхность системы 

0
,
i
i
S
s
m
 

 

где 
is
  – суммарная поверхность всех частиц дисперсной фазы и 
i
m

 – 
суммарная масса всех частиц дисперсной фазы. Чем выше степень диспергирования вещества, тем больше удельная поверхность системы и ее 
избыточная поверхностная энергия. Поэтому многие высокодисперсные 
системы обладают бóльшей реакционной способностью и бывают взрывоопасными материалами. 

Классификация систем по структуре 

Дисперсные системы делятся на два вида: 
а) свободнодисперсные системы, в которых частицы дисперсной 
фазы не связаны между собой и могут перемещаться в дисперсионной 
среде независимо друг от друга (суспензии, эмульсии, аэрозоли); 
б) связанодисперсные системы, в которых одна из фаз не может 
перемещаться свободно, поскольку структурно закреплена (капиллярнопористые тела какими являются нефтесодержащие пласты, пены, полунепроницаемые полимерные пленки). 

Классификация по межфазному взаимодействию  

Силы межмолекулярного взаимодействия реализуются как в истинных растворах, диспергированных до молекулярного состояния (например, в смеси воды и этанола или в смеси октана и бензола), так и на 
границе раздела фаз коллоидных систем (например, вода и крупинки 
льда в ней при температуре 273 К или на границе системы из несмешивающихся между собой октана и воды). В зависимости от величины сил 
взаимодействия на границе раздела дисперсной фазы и дисперсионной 
среды системы могут быть лиофильными или лиофобными. Для первых характерно сильное межмолекулярное взаимодействие вещества 
дисперсной фазы со средой, а для вторых – слабое. Это взаимодействие 
приводит к образованию сольватных оболочек из молекул дисперсионной среды вокруг частиц дисперсной фазы, т. е. наблюдается процесс 
сольватации (в случае водных систем этот процесс называется гидратацией). Лиофильные системы термодинамически устойчивы и характеризуются самопроизвольным диспергированием, которое реализуется при 
выполнении неравенства 
0
G


 
0,
G
H
T
S

 

 
 
где 
конеч 
нач;
H
H
H



 
,
H
U
p V



  

конеч
нач;
S
S
S



 
.
S
k lhW


  
При приготовлении лиофильных систем наблюдается уменьшение 
изобарно-изотермического потенциала (свободной энергии Гиббса ‒ G), 
что возможно в двух случаях: 

а) при 
0,
H


 т. е. в результате тепловыделения вследствие 
уменьшения внутренней энергии системы при сольватации 

0 ;
U


 
б) либо вследствие возрастания энтропии системы за счет увеличения числа структурных единиц в системе 

0 .
S
 
 

Классификация по агрегатному состоянию  
В зависимости от агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды все системы можно разделить на девять типов. Тип 
системы обычно обозначают в виде дроби, в числитель которой записана дисперсная фаза, а в знаменателе помещена дисперсионная среда 
(табл. 1.1). В нефтепромысловой практике чаще всего встречаются грубодисперсные системы, которые называются:  
Ж/Т– пористые тела и капиллярные системы; 
Т/Ж – суспензии; Ж/Ж – эмульсии; Г/Ж – пены. 

Таблица 1.1 
Типы дисперсных систем по агрегатному состоянию 

№ типа 
системы 
Обозначение 
системы 
Типы системы 
Некоторые примеры 

1 
Т/Ж 
Суспензии 
Механические взвеси  
в природных водах 

2 
Ж/Ж 
Эмульсии 
Молоко, смазки, сырая 
нефть 

3 
Г/Ж 
Пена 
Мыльная пена 

4 
Т/Т 
Твердые коллоидные 
растворы 
Минералы, некоторые 
сплавы (самоцветы, чугун) 

5 
Ж/Т 
Пористые тела, капиллярные системы 
Адсорбенты, влажные 
грунты, керны 

6 
Г/Т 
Пористые и капиллярные системы 
Пемза, силикагель,  
активированные угли 

7 
Т/Г 
Твердые аэрозоли 
Табачный дым, угольная  
и бытовая пыль 

8 
Ж/Г 
Жидкие аэрозоли 
Туман и кучевые облака 

9 
Г/Г 
Газовые системы  
с флуктуациями  
плотности 
Атмосфера Земли 

Получение коллоидно-дисперсных систем 

Такие системы могут быть приготовлены двумя способами: диспергационным и конденсационным. При механическом дроблении или 
истирании происходит диспергирование крупных фрагментов вещества 

до более мелких частиц заданных размеров. При конденсации наблюдается самопроизвольное объединение мельчайших молекул и ионов вещества в более крупные надмолекулярные образования. 
Дисперсную фазу для лиофобных систем обычно получают путем 
механического диспергирования вещества, при котором происходит увеличение свободной поверхностной энергии за счет работы, затраченной 
внешними силами. Полученные таким образом дисперсные системы термодинамически неустойчивы, и для их стабилизации в дисперсионную 
среду необходимо дополнительно вводить соединения-стабилизаторы,  
в частности поверхностно-активные вещества (ПАВ). Диспергирование 
твердых тел чаще всего проводят на шаровых, струйных или вибрационных мельницах, а жидкости диспергируют при ее фильтрации через  
пористую среду или созданием условий кавитации при ее течении. Примером может являться совместная фильтрация воды и нефти через капиллярно-пористую структуру нефтяных пластов, в результате которой образуется прямая или обратная водонефтяная эмульсия. 
Но диспергационными методами очень сложно достичь высокой 
степени дисперсности, поэтому для этой цели используют конденсационный способ, не требующий затрат внешней работы. Этот процесс 
протекает самопроизвольно. При физической конденсации изменяют 
температуру системы или концентрацию компонентов системы. Например, понижение температуры воздуха по утрам сопровождается конденсацией паров воды и образованием аэрозоля (тумана). Другим примером 
является замена растворителя, в частности при добавлении гептана  
в нефть с высоким содержанием асфальтенов происходит выпадение 
надмолекулярных образований в коллоидный осадок. 
При химической конденсации в отличие от физической конденсации вещество, формирующее дисперсную фазу, появляется в результате 
протекания химической реакции. Примерами такого способа формирования коллоидных систем являются известные реакции, протекающие  
в воде: 

3
3
AgNO
NaCl
AgCl
Na
NO




 

 – хлопьевидный осадок; 

2
4
2
2
NaNO
NH Cl
Na
Cl
2H O
N







  – пена в присутствии 
ПАВ. 
Для получения высокодисперсной коллоидной системы путем конденсации необходимо, чтобы скорость образования зародышей новой 
фазы намного превосходила скорость роста кристаллов. Для предотвращения роста кристаллов и их агломерации частицы дисперсной фазы 
подвергаются стабилизации молекулами ПАВ при интенсивном перемешивании системы.