На бирже курсовых и дипломных проектов можно найти образцы готовых работ или получить помощь в написании уникальных курсовых работ, дипломов, лабораторных работ, контрольных работ, диссертаций, рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.

ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ 

 

Здравствуйте гость!

 

Логин:

Пароль:

 

Запомнить

 

 

Забыли пароль? Регистрация

Повышение уникальности

Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение уникальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения уникальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии и при повышении уникальности не вставляет в текст скрытых символов, и даже если препод скопирует текст в блокнот – не увидит ни каких отличий от текста в Word файле.

Результат поиска


Наименование:


реферат Перспективные нефтегазовые нанотехнологии для разработки месторождений

Информация:

Тип работы: реферат. Добавлен: 13.11.2012. Сдан: 2012. Страниц: 7. Уникальность по antiplagiat.ru: < 30%

Описание (план):



МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ  ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И  ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ  БЕДСТВИЙ
 
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«УРАЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОСУДАРСТВЕННОЙ  ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СЛУЖБЫ»
 
Кафедра пожарной безопасности технологических процессов
 
Реферат
Перспективные нефтегазовые нанотехнологии для разработки месторождений
 
Выполнил:
курсант 145 учебной группы
рядовой внутренней службы
Амантаев А. С.
 
Руководитель:
преподаватель кафедры лейтенант внутренней службы Халимов Е. В..
 
 
Екатеринбург 2012
И. Н. Евдокимов, Н. Ю. Елисеев, А. П. Лосев, М. А. Новиков,
Российский  Государственный Университет Нефти  и Газа им. И. М. Губкина Резюме
В работе изложены результаты экспериментальных исследований и анализа опубликованных данных, проведенных с целью модификации  технологий нефтегазового производства путем учета молекулярных процессов  в наноколлоидах природных углеводородных сред.
Нами установлено, что при осуществлении традиционных технологий, эксплуатационные характеристики нефтегазовых сред (вязкость, плотность, теплоемкость, температура застывания и т.п.) могут ухудшаться в результате не контролируемых в настоящее время микроструктурных фазовых переходов в наноколлоидах, формируемых высокомолекулярными компонентами. В частности, по результатам экспериментов нами получена фазовая диаграмма наноколлоидов нефти, на которой показаны критические области, неблагоприятные для промышленных процессов нефтегазового производства. Например, жидкие углеводородные среды могут практически полностью терять текучесть после кратковременного прогрева при температурах, соответствующих температурной фазовой границе 28-3 5°С; природные нефти различного географического происхождения имеют значительно большую, по сравнению со средними значениями, плотность и вязкость, если по содержанию асфальтенов они попадают на концентрационные фазовые границы. Обнаружение концентрационных фазовых границ поможет решить проблемы, связанные с совместимостью различных нефтей при смешивании их в процессах хранения и транспортировки. Показано, что, в отличие от существующих представлений, свойства нефтегазовых наноколлоидов (эксплуатационные характеристики углеводородного сырья) не полностью определяются значениями технологических параметров в момент осуществления конкретной производственной операции. Значительную (а в ряде случаев, определяющую) роль играют детали предшествующей долговременной истории эксплуатации месторождения.
Сделан  вывод, что «нанотехнологии» для добычи нефти должны проектироваться и осуществляться с учетом и пониманием комплексных фазовых диаграмм наноколлоидов в нефтегазовых средах. Такие технологии должны включать производственные процессы и технологические параметры сознательно отобранные для того, чтобы избежать осуществления (либо усилить проявление) критических фазовых превращений в системе наноколлоидов. Мы предполагаем, что в результате удастся заметно улучшить (или, по крайней мере, не ухудшить) многие эксплуатационные свойства углеводородного сырья. В связи с возможностями непосредственного практического внедрения, следует отметить, что обсуждаемые фазовые диаграммы содержит лишь «наиболее явные» фазовые границы для наноколлоидов, основаны на нашим текущих знаниях о структурных переходах в нефти и требуют уточнения путем дальнейших исследований.
Введение
Нанотехнология вошла в нефтегазовую промышленность не так давно, но многие ее приложения уже стали неотъемлемой частью многих, казалось бы, традиционных технологических процессов. Например, использование наноструктурированных цеолитов позволило на 40% повысить выход бензиновых фракций по сравнению с применением обычных катализаторов.1,2 В области разработки месторождений и бурения известны лишь исключительные примеры использования нанотехнологий, например, использование оборудования, изготовленного из нового поколения наноматериалов.3,4 Буровые долота, трубы нефтяного сортамента, элементы оборудования промыслов должны противостоять колоссальным нагрузкам, поэтому потребность нефтегазовой промышленности в прочных и долговечных материалах крайне высока. Применение материалов с заданной наноструктурой позволяет делать более легкое, долговечное и прочное оборудование. Нанотехнология может также помочь в разработке новых методов измерений. Крошечные по размерам датчики можно разместить на любом оборудовании, в том числе и подземном. Тем самым, можно резко повысить количество и качество информации о продуктивном пласте.3,4 Наиболее известная область применения нанотехнологии в нефтегазовой промышленности - это создание так называемых «умных» технологических жидкостей, или жидкостей с запрограммированными свойствами. Они находят применение в процессах интенсификации добычи, повышения нефтеотдачи пласта и при бурении
4 7
скважин. " К таким жидкостям  относятся растворы ПАВ и полимеров, микроэмульсии, гели, а также бижидкостные пены (афроны). Еще одна развивающаяся область промышленности занимается исследованием и применением «: наножидкостей».6,7 Наножидкости - это технологические растворы с добавлением небольшого количества нанофракции твердых частиц для улучшения тех или иных свойств. Наножидкости можно создавать таким образом, чтобы они были совместимы с флюидами и горными породами продуктивного пласта и в то же время не представляли опасности для окружающей среды. Некоторые из них уже находят применение и в скором времени они позволят решить ряд острых проблем, возникающих при бурении, заканчивании и эксплуатации скважин. Среди них снижение трения труб о стенки скважины, укрепление слабых песчаных пластов, борьба с гелеобразованием, изменение смачиваемости горных пород и борьба с коррозией.6,7 В настоящее время термин «наножидкость», главным образом, используют для описания суспензий (коллоидных систем с твердой дисперсной фазой), однако намечается тенденция к расширению понятия, то есть дисперсной фазой в наножидкостях могут быть наночастицы любой природы.8 Далее в статье мы будем использовать в своем последнем, более общем значении.
В настоящей статье мы обсудим  наименее изученную область применения нанотехнологий - нефтегазовые нанотехнологии непосредственно для самого нефтегазового сырья. Обсуждение вопроса подкреплено результатами наших экспериментов, опубликованными данными других исследователей и анализом баз данных свойств нефтей из различных частей мира. Результаты обсуждения позволили сделать вывод о том, что сырые нефти представляют собой так называемые «ассоциативные наножидкости». В связи с этим, мы считаем, что многие традиционные технологии разработки месторождений подлежат пересмотру и должны проектироваться с учетом комплексных фазовых диаграмм находящихся в нефти наноколлоидов, формируемых, в основном, асфальтенами. Проектирование разработки месторождений с учетом фазовых превращений наноколлоидов позволит получить продукцию с лучшими свойствами, или, по крайней мере, не нарушить тонкую внутреннюю организацию природных нефтей (такой подход можно было бы назвать «наноэкологией нефти»).
Мы  начали основную часть статьи с необходимых  объяснений некоторых понятий о  нанотехнологии и о коллоидах нефти, которые часто неверно толкуют или используют неправильно.
Почему  нефтяники с сомнением относятся  к нанотехнологии? Что такое нанотехнология?
Как и любую  другую науку, нанотехнологию окружает большое число мифов. Некоторые из них, существующие и по сей день, получили распространение после выхода на экраны фантастического триллера Айзика Азимова «Фантастическое путешествие» в 1966 году. В фильме одна за другой сменяются красочные картины захватывающих приключений команды миниатюрной (наноразмерной) подводной лодки, которую ввели в кровь больного ученого для того, чтобы разрушить тромб в одном из сосудов его головного мозга. Кроме того, в 1986 году Эрик Дрекслер в своей книге «Машины создания или грядущая эра нанотехнологии»9 выдвинул научную идею о создании и использовании программируемых механизмов или машин, имеющих наноразмеры. Такие механизмы получили название «наноботы» - машины по сборке из отдельных атомов и молекул различных объектов, предварительно заданных человеком. На рис. 1 показан нанобот, каким его представил себе художник (рисунок с сайта http://www.thelensflare.com/gallery/ p nanobot 223.php).
Рис. 1. Механический наноробот (молекулярный ассемблер) для силовой сборки молекул.



 
Мы  уверены, что нефтегазовые нанотехнологии имеют мало общего с наноботами - сборщиками молекул. Однако существует и другая точка зрения. На популярном сайте Интернета Wired.com в одной из статей утверждается, что нанороботы будут патрулировать поры и каналы нефтяных и газовых пластов, следить за потоками углеводородов и решать, как улучшить отдачу пласта. Находящиеся в разных частях пласта нанороботы будут обмениваться информацией. Они будут управлять друг другом и решать, в каких зонах нужно усилить отбор нефти, а в каких форсировать заводнение. Более того, концепцию нанороботов отстаивают ряд авторов и на последних конференциях нефтегазового профиля.10,11
К сожалению, в  настоящее время не существует общепринятой четкой границы, с помощью которой  можно было бы отделить истинно нанотехнологию от близких дисциплин атомной и молекулярной науки. Королевское общество инженеров Великобритании дало следующие определения:12 «Нанонаука изучает явления и превращения, происходящие с материалами на атомном, молекулярном и макромолекулярном уровнях, когда их свойства значительно отличаются от макроскопических свойств». «Нанотехнологии - это проектирование, описание, производство и использование структур, средств и систем с помощью управления формой и размерами объектов на наноуровне (в наномасштабе)».
Примечательно, что эти определения не указывают ни на какие специфические методы или средства (например, такие как нанороботы). Дело в том, что на самом деле существуют две четко отличающиеся друг от друга области нанотехнологии. В большинстве случаев термин «нанотехнология» используют для обозначения «молекулярных нанотехнологий» (МНТ), основанных на силовых механомолекулярных подходах. Механомолекулярный подход заключается в использовании управляемых внешних силовых воздействий с помощью специальных приборов и систем - сканирующих микроскопов (сканирующий туннельный микроскоп, атомный силовой микроскоп), или наноботов Дрекслера. Как видно из приведенных во введении примеров, эта область нанотехнологии, по крайней мере, в ближайшем будущем не будет представлять серьезный интерес для специалистов нефтегазовой промышленности.
Другая область нанотехнологии - это супрамолекулярная химия, основанная на фундаментальном принципе самоорганизации, то есть самопостроении систем без грубых силовых воздействий. При осуществлении самоорганизации конечная наноструктура вещества как бы запрограммирована формой и свойствами образующих структуру молекул. Таким образом, системы с необходимой наноструктурой можно сформировать за счет тонких воздействий на макроскопические параметры системы, например, изменив состав системы, как показано на рис. 2 (из книги 13).
Рис. 2 Самоорганизующиеся молекулярные наноструктуры.



 
Следует добавить, что фазовые  изменения наноколлоидов могут обусловить значительные изменения макроскопических свойств системы. Молекулы, способные к самоорганизации, существуют в различных системах. В нефтях же большинство самоорганизующихся молекул входят в состав фракции
асфальтенов, которую выделяют по признаку растворимости.14-17
Коллоидные суспензии  и ассоциативные наноколлоиды в нефти
Специалисты-нефтяники  могут возразить, что важность изучения свойств коллоидов природных  нефтей (как на микро, так и на нано уровнях) уже далеко не новость. Действительно, это осознали уже несколько десятилетий назад, впервые по отношению к природным битумам.18,19 В ходе дальнейших исследований выяснилось, что любая нефть представляет собой коллоидную систему, в которой коллоидная фаза представлена, в основном, асфальтенами. С тех пор особенности строения и свойств коллоидных асфальтенов стали объектами изучения многих исследователей. Среди большого числа работ по данной тематике можно выделить две важные вехи. Это книга с материалами Международного симпозиума по изучению коллоидов нефти20 и книга на русском языке о нефтяных дисперсных системах.21
Однако ни ранние, ни современные  модели коллоидов асфальтенов в нефти не учитывают возможность самоассоциации асфальтенов в большое число четко различающихся (нано)коллоидных структур по богато структурированной фазовой диаграмме.
В большинстве моделей (см. статью 22 и содержащиеся в ней  ссылки на другие работы) асфальтены определяют как твердые квазисферические коллоидные частички диаметром 2-10 нм. При определенных условиях они могут коагулировать/флоккулировать (по механизмам агрегации, ограниченным диффузией или реакцией) образуя все более крупные ассоциаты, вплоть до потери седиментационной устойчивости и выпадения в осадок. Очевидно, в таких моделях агрегирования нет места для сколь-нибудь сложных фазовых диаграмм. Единственная «критическая граница», не описывает никакие фазовые превращения, а характеризует лишь потерю седиментационной устойчивости системы.
Лишь ещё одна критическая  линия появляется в тех моделях, где коллоидные частицы асфальтенов не изначально присутствуют в нефти, а формируются из молекулярного раствора при определенных критических условиях. На протяжении долгого времени такое превращение ошибочно отождествляли с процессом «мицеллообразования» простых поверхностно-активных веществ. «Критическую концентрацию мицеллообразования» («ККМ») асфальтенов
23
определяли многие исследователи, но в настоящее время  выяснено, что за структурные трансформации (нано)коллоидов асфальтенов в этих областях концентраций должны отвечать другие процессы, отличные от классического механизма мицеллообразования.24
По-видимому, до сих пор  никто серьезно не задумывался о  том, что приписанные асфальтенам свойства мицеллярных коллоидов относили их к новому классу дисперсных систем. А именно, дисперсные системы, состоящие из диспергированных в жидкой фазе твердых частиц, являются «коллоидными суспензиями»25, тогда как системы, в которых дисперсная фаза формируется по обратимому процессу мицеллообразования, представляют собой
25
«ассоциативные коллоиды». Ассоциативные, или «мицеллярные» коллоиды, как правило, имеют богатое фазовое разнообразие: от простейших изотропных
«мицеллярных» фаз до сложноорганизованных супрамолекулярных
26
наноструктур.
В качестве примера, на рис. 3 показана комплексная фазовая диаграмма  в координатах температура-концентрация (Т-С) для неионогенного ПАВ - монододецилового эфира пентаэтиленгликоля (С12Е5) в воде.27 Отметим, что на фазовой диаграмме появляются замкнутые фазовые области (замкнутые контуры), соответствующие осуществлению так называемых возвратных фазовых переходов.28 Для дальнейшего обсуждения важно, что замкнутые контуры на фазовой диаграмме свидетельствуют о наличии в системе полиморфизма;29 образование этих областей на фазовой диаграмме происходит с участием перехода расслаивания (фазовый переход второго рода), что характерно для наличия в ассоциатах направленных нековалентных (например, водородных) связей.30 

Рис. 3. Комплексная Т-С фазовая диаграмма ассоциативных коллоидов в бинарной системе вода-ПАВ. Штриховые критические границы - традиционные кривые критической концентрации мицеллообразования (СМС) и растворимости (SP) (адаптировано из статьи 27).

о

С12Е5 content , wt. %

100



 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Удивительно, что  и после принятия концепции «мицеллообразования» для наночастиц асфальтенов, исследователи нефтяных дисперсных систем все еще продолжали придерживаться устаревших представлений о наличии лишь одной критической концентрации (ККМ) в растворах ПАВ. В результате, никакие аналогии с ассоциативными коллоидами (сложная фазовая диаграмма с множеством критических концентраций и температур) до сих пор серьезно не изучались, хотя, как показано ниже, и известные экспериментальные данные и последние публикации содержат разностороннюю информацию, которая согласуется с тем, что асфальтены на самой деле, действительно являются «ассоциативными наноколлоидами».
Накопление данных для построения фазовой диаграммы  асфальтенов в нефти
Фазовые изменения в  асфальтеносодержащих системах можно выявить по «особым точкам» (обособленным ступенеобразным изломам, экстремумам, изгибам и т. д.) на экспериментальных зависимостях различных параметров системы от концентрации и температуры. На рис. 4 приведен пример из нашей ранее опубликованной статьи о некоторых температурных и концентрационных эффектах, проявляющихся на зависимостях параметров реологической модели Гершеля-Балкли для насыщенных асфальтенами нефтей.31 

Рис. 4. Выявление особых/критических  точек на экспериментальных зависимостях для построения фазовой диаграммы  наноколлоидов асфальтенов (адаптировано из статьи 31).



 
Анализ большого массива данных показал, что (за исключением  нескольких явных выбросов) все выявленные таким образом «особые точки» формируют четкие «фазовые границы» («критические линии») на диаграмме  в координатах Т-С. Практически важные диапазоны температур и концентраций на фазовой диаграмме достаточно широки: до плавления и термической деструкции/коксования по температуре и от «бесконечно разбавленных растворов нефти» до твердых асфальтенов по концентрации. За последние десятилетия исследовательские группы по всему миру опубликовали достаточно много данных по выявлению «:особых точек», которые ложатся в различные части фазовой диаграммы асфальтенов. Например, наша группа изучала концентрационные особенности в разбавленных растворах с содержанием асфальтенов от ~1 мг/л до ~1 г/л при температурах, близких к комнатной.32-34 Другие исследователи детально изучали температурные эффекты в диапазоне температур от 50oC до ~400°C35-37 для битумов и выделенных из нефти асфальтенов, то есть при концентрациях асфальтенов в системе от ~ 140 г/л до ~1200 г/л.
Следует отметить, что не все явно различимые на графиках и  диаграммах «особые точки» были замечены авторами работ, и не все замеченные особенности обсуждались. Например, при изучении особенностей агрегирования  асфальтенов методом малоуглового рассеяния нейтронов (SANS)38 были получены зависимости радиусов вращения RG от концентрации в растворах с содержанием асфальтенов 3,4 - 117 мг/л при температурах от 8oC до 73oC. Авторы статьи дали достаточно компетентные и качественные оценки температурным и концентрационным эффектам, но не уделили внимание явным максимумам Rg при концентрациях ~5, ~20-22 и ~70 г/л. Более того, перестроение оригинальных данных в координатах Rcj-Т позволяет заметить «особую температуру» в диапазоне 28-32oC.
К сожалению, в рамках одной журнальной статьи невозможно перечислить все подобные работы; другие источники данных (с  «особыми точками»), использованные нами для построения фазовой диаграммы  асфальтенов в координатах Т-С, будут перечислены в наших следующих публикациях.
T-C фазовая диаграмма асфальтенов в нефти (текущий вариант)
Сравнительный анализ всей доступной информации по «особым точкам» в асфальтенысодержащих средах до сих пор никем не проводился. На рис. 5 показана построенная нами впервые фазовая диаграмма асфальтенов в координатах Т-С, обобщающая доступные данные различных авторов. Отмеченные на диаграмме «особые точки» получены таким же образом, как описано в предыдущем разделе. Как видно из рисунка, имеющихся в настоящее время данных уже достаточно для того, чтобы выделить на диаграмме хорошо различимые, и главное, полученные независимыми авторами фазовые границы. Однако не стоит забывать о том, что всё ещё ограниченное количество исходной информации не позволяет провести статистический анализ; следовательно, все приведенные ниже численные значения «критических» параметров должны пока восприниматься как приблизительные величины, требующие дальнейших уточнений.
Рис. 5. Комплексная Т-С  фазовая диаграмма ассоциативных наноколлоидов асфальтенов в нефти, построенная по доступным на настоящий момент данным.
Decomposition

1 10 100 1 10 100 1000
mg /1 g/1
Asphaltene Content in Petroleum


 
Концентрационно определяемые фазовые границы
Граница первичного агрегирования (линия 1 на рис. 5). Первые экспериментальные данные по первичному агрегированию асфальтенов при концентрациях 7-10 мг/л были получены в экспериментах по изучению светопоглощения в видимой и УФ областях спектра, вязкости и ЯМР- релаксации для растворов твердых асфальтенов и природных нефтей в толуоле.32-34 Принадлежность этой границы процессу первичной ассоциации мономеров асфальтенов была недавно подтверждена методом флуоресценцентной спектроскопии.39
Граница расслаивания (линия 2 на рис. 5). Эта граница (концентрация асфальтенов 100-150 мг/л при 20oC) была получена для растворов твердых асфальтенов и природных нефтей в экспериментах по изучению
32-34 ст. ™ 33,34 33,34,40
светопоглощения, ЯМР-релаксации, вязкости, скорости
распространения ультразвука в среде41 и по другим параметрам. Хорошо известная особенность расслаивающихся (несмешивающихся) систем - это наличие замкнутой фазовой области на диаграмме в координатах Т-С.28-30 Если взглянуть на диаграмму, изображенную на рис. 5, то видно, что линии 2 и 3 имеют тенденцию к образованию замкнутой фазовой области. Нижнюю и верхнюю границы области, которые также видны на диаграмме, можно назвать «критическими температурами растворения» (верхнюю - ИСБТ, нижнюю - LCST).
Границы “бывших ККМ” (линии 3a и 3b на рис. 5). «Особые точки» на зависимостях различных параметров при концентрациях асфальтенов —1-10 г/л получали многие исследователи, и работ в этом диапазоне концентраций наибольшее число. При указанных концентрациях происходят самые значительные изменения практически всех измеряемых параметров.42 Более детальные исследования опубликованных данных о «ККМ» показывают, что на самом деле критических концентрации в этой области две: 1-3 мг/л и 7-10 мг/л. Как говорилось выше, многие годы эти особые точки принимали за ККМ асфальтенов, по аналогии с простыми ПАВ. Когда выяснилось, что классический механизм «мицеллообразования» не свойственен асфальтенам, была введена новая аббревиатура - CNAC или ККН (критическая концентрация образования наноагрегатов).43 Границы «бывших ККМ» на рис. 5 отражают фазовые изменения не первичных систем, состоящих из молекул асфальтенов, а вторичных, более сложных систем наноколлоидов, уже сформировавшихся на фазовой границе расслаивания. Более того, по крайней мере, одна из линий «бывших ККМ» может входить в замкнутый контур, ограничивающий фазовую область расслаивания, как отмечено выше.
Критические границы при высоких концентрациях (линии 4 и 5 на рис. 5). При изучении «ККМ» методами вискозиметрии44 некоторые исследователи наблюдали дополнительную «особую точку» при концентрациях —20-35 г/л (линия 4 на рис. 5), которую они назвали «вторая концентрация агрегирования». По результатам более подробных исследований малоуглового рассеяния нейтронов (SANS), были выявлены следующие фазовые превращения в области высоких концентраций.38 В области относительно разбавленных растворов (между границами 3 и 4 на рис. 5) агрегаты асфальтенов представляют собой независимые и обособленные объекты со средним радиусом порядка нескольких нанометров. В «средней области» (справа от границы 4 на рис. 5) внутренняя структура агрегатов остается неизменной, но сами агрегаты начинают взаимодействовать между собой с образованием рыхлых фрактальных объектов, что придает растворам высокую вязкость. Область концентрированных растворов (более —70-90 г/л или справа от границы 5 на рис. 5) характеризуется образованием фазы, состоящей из крупных (>0,1 мкм) флоккулировавших частиц асфальтенов, которые могут формировать пространственно упорядоченные структуры, подобные гелям. Кроме того, в этой области может произойти потеря седиментационной устойчивости и выпадение фазы асфальтенов в осадок. Следовательно, в простых системах, линия 5 служит критической границей, ограничивающей текучесть среды. Более высокие концентрации асфальтенов можно встретить только в многокомпонентных высоковязких/гелеобразных системах (битумах).
Фазовые границы, определенные по особым температурам
Большинство экспериментальных данных по определению  «:особых температур» получено для  насыщенных асфальтенами битумов и для выделенных (твердых) фракций асфальтенов.3545"47 Если кратко охарактеризовать полученные результаты, то исследователи выделяют три фазы агрегированных асфальтенов, в зависимости от температуры (см. подписи справа на рис. 5). При отрицательных температурах (не показаны на рис. 5) теплоемкость асфальтенов подчиняется тем же закономерностям, что и теплоемкость твердого кристаллического тела, пока при -30oC они не претерпевают фазовый переход и приобретают аморфную (стекловидную) структуру. Аморфная фаза асфальтенов осуществляется благодаря взаимодействиям боковых полярных алкильных цепей и преобладает вплоть до температур 25-30oC (обозначена как a-фаза на рис. 5). В ходе дальнейших фазовых превращений при нагревании, асфальтены формируют более плотные структуры, стабильные до температур порядка 100oC и осуществляемые благодаря образованию связей между периконденсированными ароматическими пластинами (P-фаза на рис. 5). В диапазоне температур 100-180°C появляется еще одна фаза асфальтенов, имеющая определенную кристаллическую упорядоченность структуры (у-фаза на рис. 5). При более высоких температурах аморфная фаза асфальтенов размягчается; кристаллические образования начинают плавиться только при температурах —220-240oC. В конце концов, по достижении температуры 350oC начинается деструкция асфальтенов с образованием жидкокристаллической мезофазы, предшествующей формированию кокса.
Для асфальтеносодержащих текучих жидкостей, включая природные нефти, наиболее изучена a-в межфазовая граница (линия А на рис. 5) - область «особых температур» 25-35oC. Переход к более плотной (в) фазе был замечен по значительному уменьшению объема сложных агрегатов асфальтенов,38 по
44
снижению  поверхностного натяжения и по увеличению отложений из растворов асфальтенов.14 В дополнение к обсужденному выше переходу расслаивания, эта граница признается «верхней критической температурой растворения» (UCST) как для битумов,45 так и для растворов асфальтенов.48 Сравнительно менее изучены P-у фазовая граница (линия B на рис. 5) и верхняя у-фазовая граница (линия C на рис. 5). Последняя граница может быть также названа «нижней критической температурой растворения» (LCST), ограничивающей замкнутую фазовую область расслаивания.
Данные рис. 5 показывают, что контролируемые температурой переходы между а, в и у фазами наблюдаются  для всех концентраций асфальтенов вправо от границы расслаивания (линия 2). Следовательно, становится очевидным, что выделенные фазы присущи непосредственно первичным наночастицам асфальтенов, и наиболее вероятно, что внутренние структуры этих частиц зависят от того, как и с участием каких связей взаимодействуют между собой мономеры асфальтенов. Возможный вариант меняющегося характера взаимодействий мономеров обсуждался выше. Учитывая температурноконтролируемые изменения структуры, ранее предложенные модели образования первичных агрегатов могут быть более близки друг к другу, чем считается в настоящее время. Среди этих моделей «кристаллиты асфальтенов» с некоторой степенью упорядоченности,49 более неупорядоченные «волосяные теннисные мячики»50 и «полимерные структуры»51, а также модель жидкоподобной «стеклообразной капли».52
Прямая  связь со свойствами природных нефтей
Мы готовы к тому, что  некоторые скептически настроенные  промысловые инженеры могут возразить: «Кому нужны эти научные спекуляции и красивые картинки, полученные в  лабораториях со специальными веществами; вероятнее всего, все это лишь очередная попытка произвести впечатление, прикрывшись модным словечком «НАНО», не имеющая отношения к реальными пластовыми жидкостями?».
Действительно, в настоящий  момент мы еще не имеем никаких  сведений о фазовом поведении  наноколлоидов в «живой» нефти, в реальных пластовых условиях - это потребует более сложных и дорогостоящих экспериментов. Тем не менее, анализ свойств «мертвых» (обезгаженных) добытых нефтей из разных частей мира обнаруживает удивительную связь этих свойств с особенностями фазового состояния наноколлоидов асфальтенов, проиллюстрированными на рис. 5. Так, некоторое время назад, мы собрали базу данных свойств нескольких сотен нефтей мира с различным содержанием асфальтенов.53 Полученная недавно фазовая диаграмма асфальтенов не могла быть учтена при анализе этой базы данных на момент соответствующей публикации.53 Теперь же появилась 
возможность объяснить некоторые пропущенные или труднообъяснимые ранее особенности.
В качестве примера, на рис. 6 показан график зависимости вязкости от концентрации асфальтенов (в логарифмических координатах) для более чем 200 нефтей мира различного географического и геологического происхождения.
Asphaltene Content in Oil , g/L
Сплошная  линия на рис. 6 не имеет особого  значения и нарисована лишь для того, чтобы визуально выделить явные  максимумы вязкости. Для бесспорного  статистического подтверждения  обсуждаемых особенностей, несомненно необходим еще больший объем данных (особенно в диапазоне низких концентраций асфальтенов); несмотря на это, даже «сырые» данные рисунка 6 показывают четкое совпадение аномалий вязкости со всеми (кроме одной) фазовыми границами наноколлоидов асфальтенов из рис. 5. Не попадающая сюда фазовая граница 1 соответствует концентрации асфальтенов в нефти порядка 0,001 масс. %, в то время как в большинстве баз данных все концентрации менее 0,01 масс. % классифицируются как «отсутствие асфальтенов». Отметим, что рис. 6 показывает фактическое отсутствие в природе подвижных нефтей с содержанием асфальтенов выше фазовой границы 5, которая, как уже обсуждалось, может быть естественным «пределом растворимости» асфальтенов в природных нефтях.

Рис. 6. Сложная зависимость вязкости от содержания асфальтенов для нефтей, добытых в разных частях мира. Выделенные максимумы пронумерованы в соответствии с фазовыми границами асфальтенов на рис. 5.
А.
0.01
0.1
10
100
 


 


Как известно, между вязкостью и  плотностью нефти существует тесная взаимосвязь. Действительно, плотности  нефтей из нашей базы данных также проявляют максимумы при концентрациях асфальтенов, соответствующих фазовым границам наноколлоидов, как показано на рис. 7.
Рис. 7. Сложная зависимость относительной плотности от содержания асфальтенов для нефтей, добытых в разных частях мира. Выделенные максимумы пронумерованы в соответствии с фазовыми границами асфальтенов на рис. 5.

0.01 0.1 1 10 100 Asphaltene Content in Oil , g/L

1 до 
* 035 
|Т1 
й

.2 030
и т.д.................


Перейти к полному тексту работы


Скачать работу с онлайн повышением уникальности до 90% по antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru


Смотреть полный текст работы бесплатно


Смотреть похожие работы


* Примечание. Уникальность работы указана на дату публикации, текущее значение может отличаться от указанного.