Электрокинетические явления и их роль при фильтрации углеводородной 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:

    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

    где χ –удельная электропроводимость  жидкости;

    I – сила тока, можно написать

    Формулу (1.1) можно представить по формуле  аналогичной закону Дарси.

    Здесь F – площадь образца, m – пористость образца;

    R_э – электроосмотический коэффициент проницаемости.

    По  закону Дарси расход жидкости

    При совпадении направления фильтрации с результатом проявления электроосмоса  суммарный расход жидкости

    или

    Для оценки степени участия в потоке электроосмических процессов в  зависимости приложенного потенциала можно также использовать соотношение

    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

    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

    где ε – диэлектрическая проницаемость жидкости,

    ∆p – перепад давления,

    ζ – электрический потенциал,

    δ- удельная электропроводимость,

    η – вязкость,

    а ток течения 

    где Q – расход жидкости в единицу времени.

    Сравнивая формулы (2.2) и (2.3) можно получить:

    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: 

    где ρ_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

    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

    где ε – диэлектрическая проницаемость жидкости,

    ∆p – перепад давления,

    ζ – электрический потенциал,

    δ- удельная электропроводимость,

    η – вязкость,

    а ток течения 

    где Q – расход жидкости в единицу времени.

    Сравнивая формулы (3.3) и (3.4) можно получить:

    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.