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
Страницы: 1, 2
