Физика электрокинетических явлений
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
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
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.
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; Rэ – 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.
Воспользуйтесь поиском по сайту: ![]() ©2015 - 2025 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|