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:

    

   (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;

    R_э – 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 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.