Электрокинетические явления при фильтрации жидкости в пористой среде

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]