Физика

Электрокинетические явления при фильтрации жидкости в пористой среде


           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

   1. Физика электрокинетических явлений                            3
   2. 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



                    1. 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:
                          [pic]              (1.1)
    где v - 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
                  [pic] ,      (1.2)       а    [pic](1.3)
                             [pic]        (1.4)
    где ? –удельная электропроводимость жидкости;
    I – сила тока, можно написать
                       [pic]                    (1.5)
    Формулу (1.1) можно представить по формуле аналогичной закону Дарси.
                             [pic]        (1.6)
    Здесь F – площадь образца, m – пористость образца;
    Rэ – электроосмотический коэффициент проницаемости.
    По закону Дарси расход жидкости
                          [pic]              (1.7)
    При  совпадении  направления   фильтрации   с   результатом   проявления
электроосмоса суммарный расход жидкости
                          [pic]              (1.8)
    или
                          [pic]              (1.8а)
    Для оценки  степени  участия  в  потоке  электроосмических  процессов  в
зависимости приложенного потенциала можно также использовать соотношение
                          [pic]              (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.

   2. Потенциал и ток течения фильтрации жидкости в пористой среде. Методы
                     их экспериментального исследования

    Проницаемость пористой среды определялась для радиальной  фильтрации  по
формуле
                          [pic]              (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
                             [pic],       (2.2)
    где     ? – диэлектрическая проницаемость жидкости,
    ?p – перепад давления,
    ? – электрический потенциал,
    ?- удельная электропроводимость,
    ? – вязкость,
    а ток течения
                          [pic]              (2.3)
    где     Q – расход жидкости в единицу времени.
    Сравнивая формулы (2.2) и (2.3) можно получить:
                          [pic]              (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:

                          [pic]              (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
                             [pic]        (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
                             [pic]        (3.3)
    где     ? – диэлектрическая проницаемость жидкости,
    ?p – перепад давления,
    ? – электрический потенциал,
    ?- удельная электропроводимость,
    ? – вязкость,
    а ток течения
                          [pic]              (3.4)
    где     Q – расход жидкости в единицу времени.
    Сравнивая формулы (3.3) и (3.4) можно получить:
                          [pic]              (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.



-----------------------
(

(

?

d

[pic]




смотреть на рефераты похожие на "Электрокинетические явления при фильтрации жидкости в пористой среде"