Особенности нефтяных дисперсных систем и изменение их свойств при низкоэнергетических волновых воздействиях

Цели. Проанализировать особенности свойств, дисперсного строения, межмолекулярных взаимодействий в нефтяных дисперсных системах (НДС) разнообразного компонентного состава, а также рассмотреть возможности управления фазовыми переходами в нефтяной системе для достижения наиболее благоприятных дисперсных свойств при проведении технологических процессов переработки углеводородного сырья, облагораживания нефтепродуктов или утилизации нефтяных отходов. В качестве инструмента регулирования фазовыми переходами используют низкоэнергетические волновые воздействия (низкочастотный ультразвук, постоянное магнитное поле с невысокой индукцией).

Результаты. Рассмотрены и аргументированы литературными данными и результатами собственных исследований такие особенности НДС, как мультидисперсность; многообразие углеводородных компонентов и гетероатомных соединений, входящих в них; природа межмолекулярных взаимодействий (отсутствие зарядовых взаимодействий, зарядово-поляризационные и обменные спин-спиновые взаимодействия); спиновая активность или парамагнетизм нефти, нефтепродуктов и различных их компонентов; гемолитическая диссоциация высокомолекулярных и гетероатомных органических соединений, приводящая к росту парамагнетизма; присутствие микроэлементов, входящих в состав металлорганических соединений и в виде солей, растворенных в эмульгированной воде. Приведено уравнение межмолекулярных взаимодействий в НДС, решающую роль в которых играют обменные взаимодействия, обусловленные присутствием спиновых и спинполяризованных молекул. Представлены двухкомпонентные модели оболочек сложных структурных единиц НДС, их строение и взаимодействие с дисперсионной средой. Показаны способы управления фазовыми переходами и дисперсностью НДС; особое внимание уделено волновым низкоэнергетическим технологиям (с использованием ультразвуковых волн с частотой 20–100 кГц с интенсивностью до 0.4 Вт/см² и постоянного магнитного поля с индукцией меньше 0.4 Тл). Даны примеры интенсификации таких технологических процессов, как разделение водонефтяных эмульсий, очистка от механических примесей, атмосферная и вакуумная перегонка, селективная очистка масляных фракций, дегазация мазута от сероводорода, висбрекинг и др. Показаны положительные результаты применения низкоэнергетических технологий для снижения вязкости и температуры застывания нефти и нефтепродуктов в оборудовании нефтепереработки. Предложен механизм влияния постоянного магнитного поля на поток нефтепродукта или углеводородного сырья.

Выводы. Изучение и учет особенностей НДС позволяет реализовать квалифицированный коллоидно-химический подход к процессам добычи, транспортировки, переработки углеводородного сырья с позиций теории НДС, основанный на анализе дисперсной структуры и фазовых переходов в НДС. Применение низкоэнергетических технологий в нефтяной отрасли — эффективный инструмент для ресурсосбережения в различных процессах и оптимизации их параметров без существенных материальных затрат.

1. Телегина Е.А., Бессель В.В. Рано хоронить нефть. Энергетическая политика. 2024;197(6):32–41. https://elibrary.ru/aigezl

2. Ахмадова Х.Х., Абдулмежидова З.А., Такаева М.А. Вклад ученых в формирование коллоидно-химического научного подхода исследования нефтяных дисперсных систем. Ч. 3. Развитие представлений о нефти как сложных коллоидно-дисперсных системах в ХХ веке. Школа академика П.А. Ребиндера. НефтеГазоХимия. 2023;3-4: 92–98. https://doi.org/10.24412/2310-8266-2023-3-4-92-98, https://elibrary.ru/kgflro

3. Сафиева Р.З. Физикохимия нефти. М.: Химия; 1998, 448 с.

4. Капустин В.М. Чернышева Е.А., Глаголева О.Ф., Пискунов И.В., Садыров А.Ю., Кувыкин В.И., Гайнетдинова А.Н. Неаддитивные изменения свойств углеводородных систем при смешении. Нефтепереработка и нефтехимия. 2017;4:3–9. https://elibrary.ru/ylzsxx

5. Chernysheva E.A. Piskunov I.V., Kapustin V.M. Enhancing the Efficiency of Refinery Crude Oil Distillation Process by Optimized Preliminary Feedstock Blending (Review). Pet. Chem. 2020;60(1):1–15. https://doi.org/10.1134/S0965544120010053

6. Туманян Б.П. Научные и прикладные аспекты теории нефтяных дисперсных систем. М.: ООО «ТУМА ГРУПП», Издательство «Техника»; 2000, 336 с.

7. Глаголева О.Ф., Капустин В.М. Физико-химические аспекты технологии первичной переработки нефти (обзор). Нефтехимия. 2018;58(1):3–10. https://doi.org/10.7868/S002824211801001X, https://www.elibrary.ru/yotcdc

8. Сюняев З.И., Сафиева Р.З., Сюняев Р.З. Нефтяные дисперсные системы. М.: Химия; 1990, 226 с.

9. Унгер Ф.Г. Фундаментальные и прикладные результаты исследования нефтяных дисперсных систем. Уфа: ГУП ИНХП РБ; 2011, 264 с.

10. Сафиева Р.З., Мишин В.Д. Системный анализ развития представлений о нефтяных системах: от химии нефти до петроинформатике. Петролеомика. 2021;1(1):2–18. https://doi.org/10.1134/S2782385721010016, https://elibrary.ru/zennfj

11. Пивоварова Н.А. Использование волновых воздействий в переработке углеводородного сырья (обзор). Нефтехимия. 2019;59(7):727–738. https://doi.org/10.1134/S002824211907013X, https://elibrary.ru/ruhob

12. Капустин В.М. Технология переработки нефти. В 4-х частях. Часть первая. Первичная переработка нефти. М.: КолосС, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина; 2012, 459 с.

13. Плотникова И.Н., Успенский Б.В. Элементный состав нефти и рассеянного органического вещества и методы их изучения. Казань: Казанский федеральный университет; 2012, 25 с.

14. Волкова Г.И., Зубарев Д.А. Влияние ультразвуковой обработки на свойства высокопарафинистой малосмолистой нефти, осадков и рафинатов. Химия твердого топлива. 2023;2-3:65–70. https://doi.org/10.31857/S0023117723020160, https://elibrary.ru/cbslnh

15. Лоскутова Ю.В., Прозорова И.В., Волкова Г.И., Юдина Н.В. Состав и структура нефтяных отложений смолистой нефти. Химия твердого топлива. 2023;2-3:47–53. https://doi.org/10.31857/S0023117723020093, https://elibrary.ru/bhgsld

16. Панюкова Д.И., Магомедов Р.Н., Савонина Е.Ю., Марютина Т.А. Влияние состава и молеклярной структуры на свойства тяжелого нефтяного сырья на примере тяжелой нефти Ашальчинского месторождения и двух образцов гудронов. Нефтехимия. 2021; 61(3):328–336. https://doi.org/10.31857/S0028242121030047, https://elibrary.ru/zmkkxo

17. Доломатов М.Ю., Шуткова С.А., Дезорцев С.В. Исследование характеристик электронной структуры нефтяных смол и асфальтенов. Башкирский химический журнал. 2010;17(3):211–218. https://elibrary.ru/ndoord

18. Hassanzadeh M., Abdouss M. Essential role of structure, architecture, and intermolecular interactions of asphaltene molecules on properties (self-association and surface activity). Heliyon. 2022;8(12):e12170. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2022.e12170

19. Шуткова С.А., Доломатов М.Ю., Телин А.Г. Необычные закономерности взаимодействия асфальтенов с апротонными растворителями. Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. 2024;4:147–158. https://doi.org/10.31660/0445-0108-2024-4-147-158

20. Унгер Ф.Г., Андреева Л.Н. Фундаментальные аспекты химии нефти. Природа смол и асфальтенов. Новосибирск: Наука; 1995, 192 с.

21. Унгер Ф.Г., Цыро Л.В. О спиновой природе системы нефть-газ-вода-порода. Петролеомика. 2021; 1(1):19–35. https://doi.org/10.1134/S2782385721010028, https://elibrary.ru/plvqab

22. Пивоварова Н.А., Унгер Ф.Г., Туманян Б.П. Влияние постоянного магнитного поля на парамагнитную активность нефтяных систем. Химия и технология топлив и масел. 2002;516(6):30–32. https://elibrary.ru/xuyxwh

23. Доломатов М.Ю., Шуткова С.А., Родионов А.А., Бахтизин Р.З., Гильманшина К.А. Сопряженные фазовые переходы диамагнетик-парамагнетик и диэлектрикполупроводник в многокомпонентных аморфных углеводородных средах. Успехи прикладной физики. 2025;13(2): 149–156. https://doi.org/10.51368/2307-4469-2025-13-2-149-156

24. Hernández M.S., Coll D.S., Silva P.J. Temperature dependence of the EPR spectrum of asphaltenes from Venezuelan crude oils and their vacuum residues. Energy Fuels. 2019;33(2): 990–997. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.8b03951

25. Гафуров М.Р., Пономарев А.А., Мамин Г.В., Родионов А.А., Мурзаханов Ф.Ф., Араш Т., Орлинский С.Б. Применение импульсных и высокочастотных методов электронного парамагнитного резонанса для исследования нефтяных дисперсных систем. Георесурсы. 2020;22(4):2–14. https://doi.org/10.18599/grs.2020.4.2-14

26. Хаджиев С.Н., Шпирт М.Я. Микроэлементы в нефтях и продуктах их переработки. М.: Наука; 2012, 222 с.

27. Доломатов М.Ю., Шуткова С.А., Бахтизин Р.З., Доломатова М.М., Латыпов К.Ф., Гильманшина К.А., Батретдинов Б.Р. Структура молекул асфальтенов и нанокластеров на их основе. Нефтехимия. 2020;60(1):20–25. https://doi.org/10.31857/S0028242120010074

28. Cui P., Yuan S., Zhang H., Yuan S. Theoretical investigation of asphaltene molecules in crude oil viscoelasticity enhancement. J. Mol. Graph. Model. 2024;126(1):108663. https://doi.org/10.1016/j.jmgm.2023.108663

29. Хайрудинов И.Р. Применение метода радиоактивных индикаторов для изучения термолиза компонентов сернистого остаточного сырья. В сб.: Исследование состава и структуры нефтепродуктов: Сборник научных трудов БашкНИИ НП. М.: ЦНИИТЭННефтехим; 1986. Вып. 25. С. 41–47.

30. Пивоварова Н., Галимзянова Д., Сальникова Т., Кабдулова А., Лазян Н., Татжиков А. Изменение физикохимических и дисперсных свойств нефтепродуктов во времени при магнитной обработке. Нефтегазовые технологии и экологическая безопасность. 2025;1:18–26. https://doi.org/10.24143/1812-9498-2025-1-18-26

31. Ma J., Haider O.M., Chang C.-C., Grzesiak K.A., Squires T.M., Walker L.M. Solvent Quality and Aggregation State of Asphaltenes on Interfacial Mechanics and Jamming Behavior at the Oil/Water Interface. Langmuir. 2023;39(43):15238−15248. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.3c01890

32. Волкова Г.И. Смирнова Е.Ю. Влияние ультразвуковой обработки на коллоидные свойства водонефтяных эмульсий. Деловой журнал Neftegaz.RU. 2024;147(3):94–97. https://elibrary.ru/mghutg

33. Смирнова Е.Ю. Волкова Г.И. Структурно-групповой состав асфальтенов межфазных слоев водонефтяных эмульсий. Всб.: Химия нефти и газа: Материалы XIII Международной конференции. Томск, 23–27 сентября 2024 г. Томск: Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН. 2024. С. 133–134. https://elibrary.ru/igzppo

34. Фазуллин Д.Д., Маврин Г.В., Фазуллина Л.И. Интенсификакция процесса разделения нефтяных эмульсий воздействием ультразвукового излучения. Теор. основы хим. технологии. 2022;56(3):305–312. https://doi.org/10.31857/S0040357122030058

35. Зуева О.С., Зверева Э.Р., Бахтиярова Ю.В., Макарова А.О., Агеева М.В., Зиганшина С.А., Валеева Ф.Г., Захарова Л.Я. Ассоциативное поведение длинноцепочечных н-алканов в нефтяных дисперсных системах. Известия АН. Серия химическая. 2024;73(3):546–554. https://www.elibrary.ru/cxcxgj

36. Волкова Г.И., Морозова А.В. Влияние наличия нефтяных смол и действия ультразвука на свойства раствора нефтяного парафина в н-декане и структурно-групповой состав смол в осадках. Петролеомика. 2023; 3(1):15–30. https://doi.org/10.53392/27823857-2023-3-1-121, https://www.elibrary.ru/owmbpq

37. Бешагина Е.В., Юдина Н.В., Лоскутова Ю.В. Кристаллизация нефтяных парафинов в присутствии поверхностно-активных веществ. Электронный научный журнал Нефтегазовое дело. 2007;2:26. https://www.elibrary.ru/rpfbid, https://ogbus.ru/files/ogbus/authors/Beshagina/Beshagina_1.pdf

38. Евдокимов И.Н., Лосев А.П., Могильниченко М.А., Евдокимов И.Н. Влияние содержания парафинов на дисперсное строение углеводородных флюидов при пониженных температурах. Бурение и нефть. 2018;9:20–23. https://www.elibrary.ru/uzhvfl, https://burneft.ru/archive/issues/detail.php?ELEMENT_ID=62555&ysclid=me2ijezu7190152991

39. Юдина Н.В., Прозорова И.В. Депрессорные и ингибирующие присадки для снижения температуры застывания и формирования АСПО. В сб.: Технологии обустройства нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождений: Сборник тезисов VI научно-технической конференции. Томск, 19–20 сентября 2023 г. Томск: АО «Томский научно-исследовательский и проектный институт нефти и газа». 2023. С. 87–90. https://www.elibrary.ru/prksxp

40. Полежаева Н.И. Миллер Р.А. Влияние размеров пузырьков и ассоциатов на атмосферную и вакуумную перегонку нефти. В сб.: Актуальные проблемы авиации и космонавтики: Сборник материалов VIII международной научно-практической конференции, посвященной Дню космонавтики: в 3-х т. Красноярск, 11–15 апреля 2022 г. Т. 1. Красноярск: Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева. 2022. С. 391–393. https://www.elibrary.ru/tqrggn

41. Горшков Д.С. Влияние размеров сложных структурных единиц на фазовые переходы. В сб.: Молодые ученые в решении актуальных проблем науки: Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Красноярск, 17 мая 2018 г. Красноярск: Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева. 2018. С. 319–321. https://www.elibrary.ru/zzuhvm

42. Пивоварова Н.А., Акишина Е.С., Власова Г.В., Пименов Ю.Т. Механизм процесса очистки мазута от сероводорода волновыми воздействиями. Петролеомика. 2023; 3(1):153–160. https://doi.org/10.53392/27823857-2023-3-1-153, https://elibrary.ru/pwmkac

43. Nguele R., Sasaki K. Asphaltene behavior at the interface oil-nanofluids: Implications to adsorption. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects. 2021;622:126630. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2021.126630

44. Ахмадияров А.А., Петров А.А., Саматов А.А., Ракипов И.Т., Варфоломеев М.А., Гарифуллинова В.И., Грачев А.Н. Аддитивность теплоты сгорания и вязкости фракций нефти Ашальчинского месторождения. Вестник технологического университета. 2017;20(1):40–43. https://elibrary.ru/xqrpet

45. Классен В.И. Омагничивание водных систем. М.: Химия; 1982, 296 с.

46. Пивоварова Н.А. Магнитные технологии добычи и переработки углеводородного сырья. М.: ООО «Газпром экспо»; 2009, 120 с.

47. Верховых А.А. Вахитова А.К., Елпидинский А.А. Обзор работ по воздействию ультразвука на нефтяные системы. Вестник технологического университета. 2016;19(8):37–42. https://elibrary.ru/vvrihp

48. Shiyi Lv., Peng S., Zhang R., Guo Z., Du W., Zhang J., Chen G. Воздействие ультразвука на вязкость тяжелой нефти. Нефтехимия. 2020;60(5):607–611. https://doi.org/10.31857/S0028242120050196, https://elibrary.ru/twmhqc

49. Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н., Сливин А.Н. Развитие ультразвуковых технологий, разработка и исследование многофункциональных и специализированных ультразвуковых аппаратов. Ползуновский альманах. 2000;3:193–200. https://elibrary.ru/unonbx

50. Khmelev V.N. Shalunov A.V., Nesterov V.A. Summation of high-frequency Langevin transducers vibrations for increasing of ultrasonic radiator power. Ultrasonics. 2021;114:106413. https://doi.org/10.1016/j.ultras.2021.106413

51. Хмелев В.Н., Сливин А.Н., Голых Р.Н., Барсуков А.Р. Ультразвуковой аппарат для повышения эффективности технологических процессов при избыточном давлении. Ползуновский ВЕСТНИК. 2025;2:182–186. https://doi.org/10.25712/ASTU.2072-8921.2025.02.028

52. Зубарев Д.А., Волкова Г.И. Влияние ультразвука на состав осадков и рафинатов высокопарафинистой нефти. В сб.: Химия нефти и газа: Материалы XIII Международной конференции. Томск: Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН; 2024. С. 131–132. https://elibrary.ru/rhavyh

53. Волкова Г.И., Морозова А.В. Структурные преобразования асфальтенов битума после ультразвуковой обработки. Химия твердого топлива. 2022;2:51–55. https://elibrary.ru/woyduz

54. Иванов А.А., Савельева А.В., Юдина Н.В., Ломовский О.И. Изменение состава и свойств липидов торфов при механохимической обработке. Журн. прикладной химии. 2005;78(3):512–516. https://elibrary.ru/hrzvez

55. Кухарева Е.В., Лоскутова Ю.В., Юдина Н.В. Влияние магнитного поля на структурно-реологические характеристики смолистых нефтей и их эмульсий. Химия в интересах устойчивого развития. 2023;31(1):110–117. https://doi.org/10.15372/KhUR2023445

56. Лоскутова Ю.В., Юдина Н.В., Лукьянец А.В. Антиоксидантная активность асфальтеновых и смолистых компонентов в магнитном поле. Химия твердого топлива. 2024;2:16–22. https://doi.org/10.31857/S0023117724020044

57. Лоскутова Ю.В., Сизова Н.В., Юдина Н.В. Влияние волнового воздействия на антиоксидантную активность смол и асфальтенов тяжелой высоковязкой нефти. Петролеомика. 2024;4(1):42–50. https://doi.org/10.53392/27823857-2024-4-1-42, https://elibrary.ru/bblhog

58. Алимбекова С.Р. Концепция эксплуатации месторождения с применением электромагнитной технологии предотвращения солеотложений. Нефть. Газ. Новации. 2025;1:50–61. https://elibrary.ru/uiaeml

59. Алимбекова С.Р., Ишмуратов Ф.Г., Алимбеков Р.И. Изучение влияния постоянного магнитного и электромагнитного полей на образование кристаллов двуводного сульфата кальция. В сб.: Нефтепромысловая химия: XI Международная научно-практическая конференция: тезисы докладов, Москва, 27–28 июня 2024. Москва: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина; 2024. С. 205–206. https://elibrary.ru/bslcry

60. Salnikova T.V., Tumanyan B.P., Pivovarova N.A., Vlasova G.V., Kozyrev O.N., Kolosov V.M. Deposit formation in equipment for the petroleum and natural gas industry. Chemistry and Technology of Fuels and Oils. 2022;58(3): 493–501. https://doi.org/10.1007/s10553-022-01413-4

61. Пивоварова Н.А., Гражданцева А.С., Власова Г.В., Колосов В.М., Сальникова Т.В. Волновые технологии подготовки углеводородного сырья к первичной переработке. Нефть. Газ. Новации. 2018;5:19–23. https://elibrary.ru/xrovwx

62. Пивоварова Н.А., Байрамова Ю.Ш., Власова Г.В. Улучшение свойств судового топлива ультразвуковой обработкой. Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова. 2021;13(6):842–848. https://doi.org/10.21821/2309-5180-2021-13-6-842-848

63. Пивоварова Н.А., Дорохов А.Ф., Велес Парра Р. Технология магнитной обработки топлив для дизелей рыбопромысловых и транспортных судов. Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова. 2019;11(5):941–950. https://elibrary.ru/ggfkhz

64. Искалиева С.К., Пивоварова Н.А. Усовершенствование технологии процесса адсорбционной осушки обессеренного газа. Технологии нефти и газа. 2010;68(3):13–18. https://elibrary.ru/mnhzph

65. Адаспаева С.А., Пивоварова Н.А., Рамазанова А.Р., Любименко Э.А. Повышение эффективности процесса селективной очистки деасфальтизата масляного производства с использованием постоянного магнитного поля. Нефть, газ и бизнес. 2012;1-2:102–105. https://elibrary.ru/owdbsb

66. Пивоварова Н.А., Абакумова Е.Н., Капизова А.Т., Сальникова Т.В., Динь Т.Ф., Галимзянова Д.К. Оценка эффективности схемы очистки нефтесодержащих вод с применением магнитной обработки. Научный журнал Российского газового общества. 2022;36(4):82–93. https://elibrary.ru/ahrfid

67. Пивоварова Н.А., Гибадуллин Р.Ф., Чудиевич Д.А., Саушин А.З., Салмахаев Р.Д. Влияние волновой обработки на пенообразование аминового раствора, содержащего различные примеси. Технологии нефти и газа. 2020;128(3): 30–36. https://doi.org/10.32935/1815-2600-2020-128-3-30-36

68. Лесин В.И. Роль коллоидных частиц в воздействии электромагнитных полей и напряжений сдвига на вязкость и фильтрацию нефти и воды. Технологии нефти и газа. 2024;150(1): 34–39. https://doi.org/10.32935/1815-2600-2024-150-1-34-39

69. Gurbanov H.R., Gasimzade A.V. Study of the combined effect of magnetic field and the addition of new composition on the rheological parameters of high paraffin oil. Вопросы химии и химической технологии =Voprosy khimii i khimicheskoi tekhnologii. 2023;1:11–17. https://doi.org/10.32434/0321-4095-2023-146-1-11-17

70. Лоскутова, Ю.В., Юдина Н.В., Волкова Г.И. Использование волновых воздействий на стадии подготовки нефти и нефтепродуктов. Деловой журнал Neftegaz.RU. 2024;155(11):72–77. https://www.elibrary.ru/vfpoak

71. Лоскутова Ю.В., Юдина Н.В. Влияние магнитной обработки на эффективность деэмульгатора при подготовке нефти. В сб.: Химия нефти и газа: Материалы XIII Международной конференции. Томск: Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН; 2024. С. 159–160. https://www.elibrary.ru/axsnkw

72. Лоскутова Ю.В., Юдина Н.В. Реологическое и коллоидно-структурное поведение высоковязкой нефти и эмульсии после волнового воздействия. Химия в интересах устойчивого развития. 2024;32(1):61–71. https://doi.org/10.15372/KhUR2024531, https://elibrary.ru/dvjykj