|
|
|
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, ж - потенциал диффузной части двойного слоя
Толщина диффузной части л 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 ж 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 х - расход жидкости под действием электроосмоса;
S суммарная площадь поперечного сечения капиллярных каналов пористой среды;
ж 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;
м вязкость жидкости.
Учитывая, что сопротивление жидкости
, (1.2) а (1.3)
(1.4)
где ч 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 ж потенциала, который обладает характерными свойствами, зависящими от строения диффузного слоя. Особый интерес для промысловой практики представляет зависимость значения ж 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 з 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 е диэлектрическая проницаемость жидкости,
?p перепад давления,
ж электрический потенциал,
д- удельная электропроводимость,
з 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,
1 2 3
|
|
|
|
 |
На сайте: |
, ,
|
