Большая База Рефератов - Электрокинетические явления при фильтрации жидкости в пористой среде

Электрокинетические явления при фильтрации жидкости в пористой среде

жидкости. Сила воздействия электрического поля на двойной электрический

слой описывается соотношением:

[pic] (3.1)

где ?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

[pic] (3.2)

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] (3.3)

где ? – диэлектрическая проницаемость жидкости,

?p – перепад давления,

? – электрический потенциал,

?- удельная электропроводимость,

? – вязкость,

а ток течения

[pic] (3.4)

где Q – расход жидкости в единицу времени.

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

[pic] (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 ? – 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.