How monovalent ions sizes and intermolecular forces govern water-in-crude oil emulsion stability. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MSc PETE Thesis) MSc Thesis Albaraa.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 23 July 2026. Download (2MB)

Arabic Abstract

1. الأهداف / النطاق يُشكل وجود الماء في النفط الخام تحديات تشغيلية كبيرة، خصوصًا عند تكوّن مستحلبات مستقرة. إذ تؤدي هذه المستحلبات إلى انسداد مسامات الصخور في المكامن، وزيادة لزوجة السوائل، وتسريع عملية تآكل خطوط الأنابيب، مما يُسبب تكاليف تشغيلية باهظة. وعلى الرغم من استخدام المواد المكسّرة للمستحلبات (Demulsifiers) على نطاق واسع لمعالجة هذه المشكلة، إلا أن تقييم فعاليتها غالبًا ما يتم بطرق تجريبية، دون فهم عميق للآليات الأساسية التي تتحكم في استقرار المستحلبات. تهدف هذه الدراسة إلى سد هذه الفجوة من خلال دراسة دور حجم الأيونات الأحادية الشحنة والقوى بين الجزيئيات في التحكم باستقرار مستحلبات الماء في النفط الخام (النفط الخفيف). تم التركيز على أيونات محددة تشمل: الليثيوم (Li⁺)، الصوديوم (Na⁺)، البوتاسيوم (K⁺)، السيزيوم (Cs⁺)، الكلوريد (Cl⁻)، البروميد (Br⁻)، واليوديد (I⁻) لتفسير تأثيرها على تكوّن واستقرار المستحلبات. 2. المنهجية / الإجراءات / العمليات تم إجراء دراسة منهجية باستخدام تقنيات متقدمة لفحص تأثير الأيونات على سلوك المستحلبات. شملت التحليلات استخدام جهاز مقياس اللزوجة لدراسة خصائص الجريان والخواص الحجمية بهدف فهم العلاقة بين الأيونات ولزوجة المستحلبات تحت نسب مختلفة من الماء. كما أُجريت اختبارات الزجاجات (الاستقرار) لتقييم استقرار المستحلبات مع مرور الوقت، مما أظهر سلوكيات زعزعة خاصة بكل أيون. بالإضافة إلى ذلك، تم تحليل صور مجهرية لقطرات المستحلب لتحديد الحجم المتوسط وتوزيع القطرات وربطها بدرجة الاستقرار. 3. النتائج / الملاحظات / الاستنتاجات أظهرت النتائج تأثيرات كبيرة لنوع الأيون وتركيزه على سلوك المستحلب. حيث كشفت التحليلات اللزوجة أن زيادة تركيز LiCl يؤدي إلى خفض لزوجة المستحلب، في حين أن ارتفاع تركيز NaCl يؤدي إلى زيادتها، مما يشير إلى التأثير القوي للتفاعلات الأيونية على خواص الجريان. كما كشفت اختبارات الزجاجات (استقرار) عن علاقة واضحة بين حجم الأيونات السالبة وزعزعة استقرار المستحلب؛ إذ ساعدت الأيونات السالبة الأكبر حجمًا، مثل I⁻، في تسريع انفصال الماء، بينما حافظت الأيونات السالبة الأصغر على استقرار المستحلب لفترات أطول. وقد اقترحت الدراسة أن الآلية الأساسية تكمن في الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء والمركبات السطحية الفعالة في النفط الخام، والتي تعد المصدر الرئيسي للزوجة العالية والاستقرار، وبالتالي فإن أي اضطراب في هذه الروابط يؤثر بشكل مباشر على سلوك المستحلب. 4. الإضافة / المساهمة الجديدة توفر هذه الدراسة فهماً تفصيليًا وآليًا لتأثير الأيونات المحددة على مستحلبات الماء في النفط الخام، متجاوزةً الأساليب التجريبية التقليدية. ومن الجدير بالذكر أن NaI برز كمادة مكسّرة واعدة وصديقة للبيئة، ما قد يمثل حلاً كيميائيًا أكثر استدامة. تسهم هذه النتائج في تحسين إدارة المستحلبات في صناعة النفط، وتدعم تطوير ممارسات تشغيلية أكثر كفاءة واستدامة.

English Abstract

1. Objectives/Scope The presence of water in crude oil presents significant operational challenges, particularly when stable emulsions form. These emulsions block the flow in reservoir pore throats, increase fluid viscosity, and accelerate pipeline corrosion, causing significant expenses. While demulsifiers are commonly used to break these emulsions, their effectiveness is typically evaluated empirically, leaving the fundamental mechanisms of emulsion stability poorly understood. This study addresses this gap by investigating the role of monovalent ions size and intermolecular forces in controlling water-in-crude oil (light crude oil) emulsion. Specific ions such asLithium (Li⁺), Sodium (Na⁺), Potassium (K+), Cesium (Cs⁺), Chloride (Cl⁻), Bromide (Br-), and Iodide (I⁻) were studied to explain their impact on emulsion formation and stability. 2. Methods, Procedures, Process A systematic investigation was conducted using advanced techniques to examine the influence of ions on emulsion behavior. Flow and bulk properties were analyzed using a rheometer to study the relationship between ions and emulsion viscosity along with varying water cuts. Bottle testing was performed to evaluate the stability of emulsions over time, revealing ion-specific destabilization behaviors. Microscopic images of emulsion droplets were used to further analyze the average droplet size and distribution and relate it to stability. 3. Results, Observations, Conclusions The results revealed significant effects of ion type and concentration on emulsion behavior. Rheological analysis showed that increasing concentrations of LiCl reduced the viscosity of emulsions, while higher concentrations of NaCl had the opposite effect, increasing viscosity. This highlights the critical influence of ionic interactions on the flow properties of emulsions. Bottle testing further indicated a clear relationship between anion size and emulsion destabilization. Larger anions, such as I⁻, enabled faster emulsion breaking, whereas smaller anions kept emulsion stability for longer durations. The proposed mechanisms focus on hydrogen bonding that arises between water molecules and the surface-active components of the crude oils which would act as the primary source of high viscosity and stability. Thus, any disturbance of this bond would alter the emulsion viscosity and stability. 4. Novel/Additive Information This study provides a detailed, mechanism-based understanding of how specific ions influence water-in-crude oil emulsions, moving beyond traditional empirical approaches. Notably, NaI appeared as a promising green demulsifier, offering an environmentally friendly chemical. The insights gained here could significantly improve emulsion management in the petroleum industry, contributing to more efficient and sustainable practices.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry Engineering Research Petroleum
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering
Committee Advisor:	Patil, Shirish
Committee Co-Advisor:	Soling, Theis
Committee Members:	El-Zohry, Ahmed and Mahmoud, Mohamed and Al-Shehri, Dhafer
Depositing User:	ALBARAA ALNASSAR (g201630260)
Date Deposited:	27 Jul 2025 06:48
Last Modified:	27 Jul 2025 06:48
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143621