Курсовая: 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

j - потенциал между поверхностью твердого тела и электролитом, ζ -

потенциал диффузной части двойного слоя

Толщина диффузной части λ 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 ζ – 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 υ - расход жидкости под действием электроосмоса;

S – суммарная площадь поперечного сечения капиллярных каналов пористой среды;

ζ – 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;

μ – вязкость жидкости.

Учитывая, что сопротивление жидкости

, (1.2) а (1.3)

(1.4)

где χ –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 ζ – потенциала, который

обладает характерными свойствами, зависящими от строения диффузного слоя.

Особый интерес для промысловой практики представляет зависимость значения

ζ – 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

(2.1)

где η – 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 ε – диэлектрическая проницаемость жидкости,

∆p – перепад давления,

ζ – электрический потенциал,

δ- удельная электропроводимость,

η – 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 ζ – 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 ρe – 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 η – 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 ε – диэлектрическая проницаемость жидкости,

∆p – перепад давления,

ζ – электрический потенциал,

δ- удельная электропроводимость,

η – 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 ζ – 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.