Министерство общего и профессионального образования РФ
Башкирский государственный университет
Физический факультет
Кафедра прикладной физики
КУРСОВАЯ РАБОТА
Тема: «Электрокинетические явления и их роль при фильтрации
углеводородной жидкости в пористой среде»
Выполнил: студент III курса
группы ФГД Магадеев А.В.
Научный руководитель:
Академик РАЕН, член-корр.
АН РБ, доктор физ. – мат. наук,
проф. Саяхов Ф.Л.
Уфа-1999
Оглавление
Физика электрокинетических явлений 3
Потенциал и ток течения фильтрации жидкости в пористой среде. Методы их
экспериментального исследования 7
3. Электрокинетические явления при воздействии внешнего
электрического поля 9
4. Электрокинетические явления в нефтедобыче 15
ЛИТЕРАТУРА 17
Физика электрокинетических явлений
Электрокинетические явления определяют многие особенности фильтрации
жидкостей через пористые среды. Эти особенности, очевидно, связаны с
электрофизическими свойствами, как пористой среды, так и насыщающей
жидкости. Эти явления связаны с наличием ионно-электростатических полей
и границ поверхностей в растворах электролитов (двойной электрический
слой). Распределение ионов в электролите у заряженной поверхности
пористой среды имеет диффузный характер, т.е. противоионы не
располагаются в каком-то одном слое, за пределами которого электрическое
поле отсутствует, а находиться у поверхности в виде “ионной атмосферы”,
возникающей вследствие теплового движения ионов и молекул жидкости.
Концентрация ионов, наибольшая вблизи адсорбированного слоя, убывает с
расстоянием от твердой поверхности до тех пор, пока не сравняется со
средней их концентрацией в растворе. Область между диффузной частью
двойного слоя и поверхностью твердого тела называют плотной частью
двойного электрического слоя (слой Гельмгольца) на рисунке 1
схематически показано распределение потенциала в двойном электрическом
слое (при отсутствии специфической, т.е. не электростатической
адсорбции). Толщина плотной части d двойного электрического слоя
приблизительно равна радиусу ионов, составляющих слой.
Рис. 1: Распределение потенциала в двойном электрическом слое
( – потенциал между поверхностью твердого тела и электролитом, ? –
потенциал диффузной части двойного слоя
Толщина диффузной части ? двойного слоя в очень разбавленных растворах
составляет несколько сотен нанометров.
При относительном движении твердой и жидкой фазы скольжение происходит
не у самой твердой поверхности, а на некотором расстоянии, имеющем
размеры, близкие к молекулярным.
Интенсивность электрокинетических процессов характеризуются не всем
скачком потенциала между твердой фазой и жидкостью, а значит его между
частью жидкости, неразрывно связанной с твердой фазой, и остальным
раствором (электрокинетический потенциал или ? – потенциал). Наличие
двойного электрического слоя на границах разделов способствует
возникновению электрокинетических явлений (электроосмоса, электрофореза,
потенциала протекания и др.). Все они имеют общий механизм возникновения
связанный с относительным движением твердой фазы. При движении
электролита в пористой среде образуется электрическое поле (потенциал
протекания). Если на пористую среду будет действовать электрическое
поле, то под влиянием ионов происходит движение раствора электролита в
связи с тем, что направленный поток избыточных ионов диффузного слоя
увлекает за собой массу жидкости в пористой среде под действием трения и
молекулярного сцепления. Этот процесс называется электроосмосом. При
действии электрического поля на смесь дисперсных частиц происходит
движение дисперсной фазы. Это называется электрофорезом. В таком случае
частицы раздробленной твердой или жидкой фазы переносятся к катоду или
аноду в массе неподвижной дисперсной среды.
По природе электрофорез зеркальное отображение электроосмоса, и поэтому
эти явления описываются уравнениями имеющими одинаковую структуру.
Количественно зависимость скорости электроосмоса от параметров
электрического поля и свойств пористой среды и жидкостей описывается
формулой Гельмгольца-Смолуховского:
(1.1)
где ? – расход жидкости под действием электроосмоса;
S – суммарная площадь поперечного сечения капиллярных каналов пористой
среды;
? – падение потенциала в подвижной части двойного слоя
(дзета-потенциал);
D – диэлектрическая проницаемость;
h = E/L – градиент потенциала;
Е. – потенциал, приложенный к пористой среде длинной L;
? – вязкость жидкости.
Учитывая, что сопротивление жидкости
(1.3)
(1.4)
где ? –удельная электропроводимость жидкости;
I – сила тока, можно написать
(1.5)
Формулу (1.1) можно представить по формуле аналогичной закону Дарси.
(1.6)
Здесь F – площадь образца, m – пористость образца;
Rэ – электроосмотический коэффициент проницаемости.
По закону Дарси расход жидкости
(1.7)
При совпадении направления фильтрации с результатом проявления
электроосмоса суммарный расход жидкости
(1.8)
или
(1.8а)
Для оценки степени участия в потоке электроосмических процессов в
зависимости приложенного потенциала можно также использовать соотношение
(1.9)
Принципиальная возможность повышение скорости фильтрации за счет
электроосмоса доказано экспериментально. Однако многие вопросы
приложения электрокинетических явлений в нефтепромысловой практике
недостаточно изучены.
Как следует, из уравнения Гельмгольца-Смолуховского, интенсивность
электроосмоса зависит в значительной мере от ? – потенциала, который
обладает характерными свойствами, зависящими от строения диффузного
слоя. Особый интерес для промысловой практики представляет зависимость
значения ? – потенциала от концентрации и свойств электролитов.
Сопровождается уменьшением толщины диффузного слоя и снижением
электрокинетического потенциала. При некоторой концентрации электролита
скорость электрокинетических процессов становиться равной нулю.
Электрокинетический потенциал может при этом не только быть равным
нулю, но и приобретать противоположный знак. Это явление наблюдается при
значительной адсорбции ионов на поверхности когда общий заряд ионов в
плотном слое может оказаться больше заряда поверхности твердого тела.
Потенциал и ток течения фильтрации жидкости в пористой среде. Методы их
экспериментального исследования
Проницаемость пористой среды определялась для радиальной фильтрации по
формуле
(2.1)
где ? – вязкость жидкости,
Q – расход жидкости,
D – наружный диаметр керна,
d – внутренний диаметр керна,
h – высота керна,
?p – перепад давления между входом и выходом пористой среды.
Как следует из теории Гельмгольца-Смолуховского, потенциал протекания
описывается формулой
, (2.2)
где ? – диэлектрическая проницаемость жидкости,
?p – перепад давления,
? – электрический потенциал,
?- удельная электропроводимость,
? – вязкость,
а ток течения
(2.3)
где Q – расход жидкости в единицу времени.
Сравнивая формулы (2.2) и (2.3) можно получить:
(2.4)
Как видно из этих формул, электрокинетические явления в насыщенных
пористых средах можно изучать, измеряя потенциал или ток протекания. Для
воды измеряется потенциал протекания, а для трансформаторного масла –
ток течения.
Уменьшение потенциала ведет к уменьшению электрокинетических сил,
противодействующих движению, а, следовательно, расход постепенно
увеличивается. Одновременно с этим происходит увеличение вязкости
жидкости по квадратичному закону, в соответствии с формулой (2.2)
происходит еще большее уменьшение потенциала протекания. Увеличение
вязкости ведет к уменьшению расхода.
Однако, по мере увеличения напряженности поля, происходит утолщение
двойного электрического слоя и диффузионной части за счет энергии
внешнего электрического поля, к увеличению ? – потенциала, а,
следовательно, к увеличению потенциала протекания. Для трансформаторного
масла наоборот. Таким образом, можно сделать вывод, что изменение
напряженности внешнего электрического поля, перпендикулярного потоку
можно управлять расходом жидкости и потенциалом, или током течения, а,
следовательно, и свойствами двойного электрического слоя.
3. электрокинетические явления при воздействии внешнего
электрического поля
При воздействии электрических полей на двойной электрический слой,
показывает, что при движении жидкости вблизи межфазной поверхности в
электрическом поле, возникает ряд явлений, из которых можно отметить
некоторые моменты. В электролите внешнее электрическое поле вызывает
движение ионов. В двойном слое существует местное преобладание ионов
одного знака. Вследствие этого под действием внешнего электрического
поля движение ионов происходит в одном направлении, что вызывает
механическое перемещение жидкости. Сила воздействия электрического поля
на двойной электрический слой описывается соотношением:
(3.1)
где ?e – плотность заряда в диффузном слое;
E – напряженность электрического поля.
Профиль скорости при наличии электрического поля существенно отличается
от профиля скорости при отсутствии движущихся сил в двойном
электрическом слое.
При движении жидкости у границы раздела фаз в двойном слое возникает
перенос зарядов – ток переноса. Этот ток компенсируется возвратным током
проводимости. Взаимодействие тока с равномерным магнитным полем вызывает
дополнительное движение жидкости вдоль направления движения.
При наложении скрещенных электрического и магнитного полей дополнительно
возникает движение, обусловленное взаимодействием токов.
Зависимость явлений переноса вблизи поверхности раздела фаз от свойств
двойного слоя, с одной стороны, и возможность в известных пределах
управлять движением и свойствами двойного слоя, с другой стороны –
позволяют управлять процессами обмена между фазами и, в частности,
интенсифицировать их. Большой эффект в интенсификации процесса следует
ожидать при использовании двух жидких фаз. Действием электрического поля
и магнитного поля можно заставить межфазную поверхность двигаться в
желаемом направлении со значительной скоростью. Движение межфазной
поверхности и прилегающих слоев приводит к интенсивному перемешиванию
жидкости в каждой из фаз, что также способствует интенсификации обмена.
Рис. 2 Схема экспериментальной установки.
Комплекс экспериментов, связанных с исследованием электрокинетических
явлений при фильтрации жидкости через пористую среду и воздействия
электромагнитных полей на эти явления позволяет проводить разработанная
экспериментальная установка (рис.1 – 2).
Установка включает в себя кернодержатель особой конструкции с пористой
средой 4 и электродами 6, электрометрический усилитель 9 с цифровым
вольтметром 8, баллон с воздухом 1, колонку 3 с исследуемой жидкостью,
источник электрического поля 7, мерный цилиндр 11.
Главным узлом в экспериментальной установке является кернодержатель
специальной конструкции, который включает в себя (рис. 3):
цилиндрический корпус 1, с центральной трубкой 2, между которыми
установлен кольце образный образец пористой среды 3, зажатый между
фторопластовыми шайбами 4 и герметизирующими втулками 5. Необходимый
упор осуществляется крышками 6,
Рис.3 Кернодержатель для изучения электрокинетических явлений.
герметизация втулок производиться нефтестойкими кольцами 8,
установленными в канавках, прижатыми сальниками 9. Для подачи жидкости в
пористую среду служит кольцо 7, в котором имеются посадочные места для
вентилей.
Для создания внешнего электрического поля в кольцевых выточках втулок
установлены электроды 11, от которых отходят выводы 10 для подключения к
источнику электрического поля, на корпусе и центральной трубке по
окружности просверлена система отверстий, образующих своеобразную сетку,
которые служат для равномерной подачи и выхода жидкости в пористой среде
и эффективного отбора заряда из потока жидкости.
Размеры электродов 11 выбраны из соображений малости искажения линий
напряженности электрического поля, и чтобы уменьшить вероятность пробоя,
при больших напряжениях. Все это ведет к уменьшению возникающих
нелинейных факторов.
Конструкция кернодержателя позволяет изменить высоту и толщину кольца
образца пористой среды. Все это дает возможность исследовать
электрокинетические явления в образцах пористых сред в большом интервале
проницаемости. В качестве прибора, регистрирующего потенциал протекания
и тока течения, используется электрометрический усилитель У5-7,
обладающий большим входным сопротивлением и малыми токами утечки и
позволяющий измерить постоянные и медленно меняющиеся токи положительно
заряженных частиц от источников с большим внутренним сопротивлением, а
также Э.Д.С.. Погрешность самого прибора составляет 4 % для Э.Д.С. и 6 %
для токов.
Для повышения точности отсчета к выходу усилителя подключается вольтметр
8, типа В7-27. Источником электрического поля 7 служит универсальный
источник питания УИП-1, позволяющий подавать стабилизированное
напряжение на электроде, при малой величине пульсаций выходных
напряжений. Для подачи жидкости в пористую среду использовалась 3-х
литровая колонка высокого давления 3, которая заполнялась исследуемой
жидкостью. Давление в колонке поддерживалось с помощью баллона 1.
Вытекающая из кернодержателя жидкость собиралась в мерный цилиндр 11.
В качестве пористой среды в экспериментах использовался искусственный
керн из огнеупорной керамики. Керн в виде кольца с тщательно
прошлифованными торцами, зажимается между фторопластовыми шайбами с
помощью герметизирующих втулок 5 и крышек 6. Вследствие достаточной
эластичности фторопласта, керн вжимался в него, этим самым исключалось
проскальзывание фильтрующей жидкости вдоль фторопластовой шайбы, которая
одновременно служила для изоляции электродов от керна. Далее
кернодержатель насыщался под вакуумом исследуемой жидкостью и
подключался к установке. В качестве адсорбируемых жидкостей
использовались дистиллированная вода и очищенное фильтрацией через
селикагель и активированный сульфоуголь, трансформаторное масло.
Проницаемость пористой среды определялась для радиальной фильтрации по
формуле
(3.2)
где ? – вязкость жидкости,
Q – расход жидкости,
D – наружный диаметр керна,
d – внутренний диаметр керна,
h – высота керна,
?p – перепад давления между входом и выходом пористой среды.
Как следует из теории Гельмгольца-Смолуховского, потенциал протекания
описывается формулой
(3.3)
где ? – диэлектрическая проницаемость жидкости,
?p – перепад давления,
? – электрический потенциал,
?- удельная электропроводимость,
? – вязкость,
а ток течения
(3.4)
где Q – расход жидкости в единицу времени.
Сравнивая формулы (3.3) и (3.4) можно получить:
(3.5)
Как видно из этих формул, электрокинетические явления в насыщенных
пористых средах можно изучать, измеряя потенциал или ток протекания. Для
воды измеряется потенциал протекания, а для трансформаторного масла –
ток течения.
Методика проведения экспериментов сводилась к измерению потенциала
протекания или тока течения при различных расходах жидкости, зависящих
от перепада давления, как без наложения, так и с наложением внешнего
постоянного электрического поля.
В процессе эксперимента исследуемая жидкость из колонки 3 под давлением,
создаваемым баллоном 1 поступила в кернодержатель и, пройдя через
пористую среду, собиралась в мерном цилиндре 11.
При повышении напряжения на электродах, образуется электрическое поле,
перпендикулярное потоку воды в пористой среде и которое, взаимодействуя
с зарядами двойного электрического слоя в его диффузионной части,
приводит к связыванию зарядов за счет электрических сил и, тем самым,
приводит к уменьшению зарядов, выносимых потоком жидкости, и уменьшению
потенциала протекания.
Уменьшение потенциала ведет к уменьшению электрокинетических сил,
противодействующих движению, а, следовательно, расход постепенно
увеличивается. Одновременно с этим происходит увеличение вязкости
жидкости по квадратичному закону, в соответствии с формулой (3.3)
происходит еще большее уменьшение потенциала протекания. Увеличение
вязкости ведет к уменьшению расхода. Однако, по мере увеличения
напряженности поля, происходит утолщение и диффузионной части за счет
энергии внешнего электрического поля, к увеличению ? – потенциала, а,
Подобная картина наблюдается и при исследовании тока течения и для
трансформаторного масла. Разница заключается лишь в том, что ток течения
описывается формулой (3.4) и увеличивается с перегибом кривой в области
максимума расхода.
Таким образом, можно сделать вывод, что изменение напряженности внешнего
электрического поля, перпендикулярного потоку можно управлять расходом
жидкости и потенциалом, или током течения, а, следовательно, и
свойствами двойного электрического слоя.
В данном разделе рассмотрена роль электрокинетических явлений при
фильтрации жидкостей через пористые среды и влияние электромагнитных
полей и различных факторов на эти явления. Разработанная
экспериментальная установка позволила освоить методику исследования
электрокинетических явлений в насыщенных пористых средах при наложении
внешних электрических полей.
4.Электрокинетические явления
в нефтедобыче
Электрокинетические явления определяют многие особенности фильтрации
жидкостей через пористые среды. Эти особенности, очевидно, связаны с
электрофизическими свойствами, как пористой среды, так и насыщающей
жидкости. Поэтому вопросы изучения роли электрокинетических явлений и
возможности влияния на них внешними электрическими полями представляют
большой интерес для нефтяной промышленности. При воздействии
электрических полей на двойной электрический слой, показывает, что при
движении жидкости вблизи межфазной поверхности в электрическом поле,
возникает ряд явлений, из которых можно отметить некоторые моменты. В
электролите внешнее электрическое поле вызывает движение ионов. В
двойном слое существует местное преобладание ионов одного знака.
Вследствие этого под действием внешнего электрического поля движение
ионов происходит в одном направлении, что вызывает механическое
перемещение жидкости. При движении жидкости у границы раздела фаз в
двойном слое возникает перенос зарядов – ток переноса. Этот ток
компенсируется возвратным током проводимости. Взаимодействие тока с
равномерным магнитным полем вызывает дополнительное движение жидкости
вдоль направления движения.
При наложении скрещенных электрического и магнитного полей дополнительно
возникает движение, обусловленное взаимодействием токов. Зависимость
явлений переноса вблизи поверхности раздела фаз от свойств двойного
слоя, с одной стороны, и возможность в известных пределах управлять
движением и свойствами двойного слоя, с другой стороны – позволяют
управлять процессами обмена между фазами и, в частности,
интенсифицировать их. Большой эффект в интенсификации процесса следует
ожидать при использовании двух жидких фаз. Действием электрического поля
и магнитного поля можно заставить межфазную поверхность двигаться в
желаемом направлении со значительной скоростью. Движение межфазной
поверхности и прилегающих слоев приводит к интенсивному перемешиванию
жидкости в каждой из фаз, что также способствует интенсификации обмена.
Этим самым мы можем сказать, что с помощью электрокинетических сил можно
придать нефти не только направление, но и скорость течения.
PAGE 17
PAGE
PAGE 17
(
(
?
d
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
