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]
| 
