Электрокинетические явления и их роль при фильтрации углеводородной жидкости в пористой среде

    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

    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 (3.3) и (3.4) 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.

    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 ζ – 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. 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. Этим самым мы можем сказать, что с помощью электрокинетических сил можно придать нефти не только направление, но и скорость течения.