Исследование адсорбционных процессов в пористой среде при воздействии высокочастотным электромагнитным полем

Камалтдинов, Ильнур Маккиевич

Исследование адсорбционных процессов в пористой среде при воздействии высокочастотным электромагнитным полем тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Камалтдинов, Ильнур Маккиевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Уфа МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Исследование адсорбционных процессов в пористой среде при воздействии высокочастотным электромагнитным полем»

Автореферат диссертации на тему "Исследование адсорбционных процессов в пористой среде при воздействии высокочастотным электромагнитным полем"

На правах рукописи

Камалтдинов Ильнур Маккиевич

ИССЛЕДОВАНИЕ АДСОРБЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ПОРИСТОЙ СРЕДЕ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

01.02.05 — Механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

14 КОЯ 2013

Уфа 2013

005537756

Работа выполнена на кафедре прикладной физики ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, Ковалева Лиана Ароновна

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, зам. директора ООО «Карбон», Валеев Марат Давлетович

кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» (УГНТУ)

Калиновский Юрий Валентинович

Ведущая организация:

ГУП «Институт проблем транспорта энергоресурсов РБ» (ИПТЭР)

Защита диссертации состоится «05"» Эекасря 2013 года в '(б0"часов на заседании диссертационного совета Д 212.013.09 в Башкирском государственном университете по адресу: 450076, г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32, физико-математический корпус, ауд.216.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Башкирского государственного университета по адресу: 450076, г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.

Автореферат разослан 0*1 ноября 2013 года

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

Ковалева Л.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Исследование адсорбционных процессов в пористой среде представляет интерес в связи с устойчивой тенденцией роста добычи трудноизвлекаемой тяжелой вязкой нефти с высоким содержанием асфальтено - смолистых веществ (АСВ). Адсорбция АСВ способствует формированию макроскопических отложений на поверхности пористой среды, что приводит к изменению поверхностных и фильтрационных свойств коллектора. Отложения АСВ вызывают нарушение внутрипластового потока, и даже могут привести к остановке нефтедобычи, а, следовательно, нужно учитывать процесс их адсорбции на поверхности пористой среды при планировании мероприятий по интенсификации добычи нефти.

В мировой нефтедобывающей отрасли все больше проявляют интерес к новым методам разработки месторождений тяжелых высоковязких нефтей, так как используемые методы повышения нефтеотдачи таких пластов являются недостаточно эффективными, а потребление нефтепродуктов во всем мире увеличивается. В связи с этим первоочередной является задача создания новых технологий нефтедобычи, позволяющих увеличить нефтеотдачу, как разрабатываемых пластов, так и не освоенных залежей с трудноизвлекаемыми запасами нефти. Актуальными становятся исследования, которые направлены на создание более эффективных, научно обоснованных методов повышения нефтеотдачи пластов. Одним из перспективных научных направлений является исследование воздействия на нефтяной пласт высокочастотных электромагнитных полей (ВЧ ЭМП), преимуществом которого является воздействие на физико-химические процессы, протекающие в пласте.

Предметом изучения в настоящей диссертационной работе являются адсорбционные процессы, происходящие в пористой среде при фильтрации высоковязких нефтей и битумов под действием ВЧ ЭМП.

Цель исследования. Целью диссертационной работы является исследование влияния ВЧ ЭМП на процессы фильтрации углеводородных систем, содержащих поверхностно-активные компоненты, которые по мере движения в пористой среде адсорбируются на ее поверхности, для повышения эффективности извлечения высоковязких нефтей и битумов.

Задачи исследования:

1. Численное моделирование процесса фильтрации высоковязкой углеводородной системы с учетом адсорбционных процессов при воздействии ВЧ ЭМП, тепловом нагреве и без внешнего воздействия с использованием изетерм Генри и Ленгмюра. Анализ влияния внешнего воздействия на адсорбционные процессы на основе полученных данных.

2. Экспериментальное изучение адсорбционных процессов при ВЧ ЭМ воздействии с помощью атомно-силовой микроскопии.

3. Экспериментальное определение значения константы адсорбционного равновесия применительно к условиям реального месторождения.

4. Численное моделирование процесса разработки нефтяного пласта при использовании ВЧ ЭМП и, для сравнения, индукционного нагрева с учетом адсорбционных процессов * в условиях конкретного месторождения.

Научная новизна

1. Построена математическая модель, описывающая влияние ВЧ ЭМ поля на процесс фильтрации углеводородных систем, содержащих поверхностно-активные компоненты, которые по мере движения в пористой среде адсорбируются на ее поверхности.

2. Численно рассчитан процесс фильтрации в пористой среде с учетом адсорбционных процессов по изотерме Генри и Ленгмюра под воздействием ВЧ ЭМ поля, при тепловом нагреве и без какого-либо воздействия' на процесс. Определены критические значения константы адсорбционного равновесия, определяющих область использования этих изотерм при разных видах воздействия.

3. Экспериментальными исследованиями с использованием атомно-силовой микроскопии выявлена природа дополнительной десорбции поверхностно-активных компонентов нефти при ВЧ ЭМ воздействии.

4. Проведен численный сопоставительный анализ обработки добывающей скважины ВЧ и индукционными ЭМ полями применительно к условиям конкретного месторождения.

Достоверность результатов диссертационной работы основана на использовании фундаментальных уравнений механики сплошных сред, проведении тестовых расчетов, сравнении результатов с аналитическими решениями (теоретическими данными) других авторов, использовании стандартных физических поверенных приборов при проведении экспериментальных исследований.

Практическая значимость работы заключается в том, что полученные в диссертации результаты могут быть использованы при разработке эффективных технологий добычи высоковязких нефтей и битумов с применением метода высокочастотного электромагнитного воздействия. Сформулированные в работе математические модели позволят учитывать дополнительно добываемую нефть за счет десорбции ее поверхностно-активных веществ при реализации ВЧ ЭМ и других тепловых методов повышения нефтеотдачи месторождений высоковязких нефтей и битумов.

Апробация работы.

Основные результаты работы были представлены на следующих научных конференциях:

- Научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике (Уфа, 2007г., 2009г., 2010г., 2012г.);

- VIII Региональная школа-конференция для студентов, аспирантов и молодых учёных по математике, физике и химии (Уфа, 2008г.);

- Российская конференция «Многофазные системы: природа, человек, общество, технологии», посвященная 70-летию академика Р.И. Нигматулина (Уфа, 2010г.);

- Международная школа-конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании» (Уфа, 20 Юг, 2011г.);

- Annual International Conference PetroPhase 2011 (Лондон, 2011г.);

- Международный симпозиум «25th European Symposium on Applied Thermodynamics (ESAT) (Санкт-Петербург, 201 lr.);

- Всероссийская конференция с международным участием "Фундаментальные проблемы разработки месторождений нефти и газа" (Москва, 2011г.);

- V Российская конференция с международным участием «Многофазные системы: теория и приложения - 2012» (Уфа, 2012г.);

- Научно-техническая конференция «Современные технологии освоения месторождений углеводородов на суше и море» ГЕОПЕТРОЛЬ 2012 (Краков, 2012г.);

- III Международная научно-практическая конференция «Наноявле-ния при разработке месторождений углеводородного сырья: от наноминералогии и нанохимии к нанотехнологиям» NANOTECHOILGAS-2012 (Москва, 2012г.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в научных работах, в том числе 4 из них в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получен 1 патент РФ.

Связь диссертационной работы с планами научных исследований

Работа выполнена при поддержке грантов: Министерства образования и науки РФ №11.G34.31.0040, РФФИ №11-01-97013, Президента РФ №16.120.11.3070-МК, Грант по программе «СТАРТ-2012» №10349 р/18373, РФФИ №12-08-31422.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из 5 глав, введения, заключения и списка литературы. В диссертации содержится 125 страниц, 6 таблиц, 55 иллюстраций, библиография из 103 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность темы диссертации, сформулирована цель и задачи диссертационной работы, показана научная новизна и практическая значимость исследований.

В первой главе диссертации представлен обзор исследований процесса адсорбции на поверхности твердого тела. Рассматривается процесс и методы изучения адсорбции АСВ на образцах реального коллектора.

Во второй главе приведен обзор научной литературы, посвященной изучению влияния высокочастотного электромагнитного поля на гидродинамические процессы в пористой среде. Описывается промысловый опыт применения высокочастотного электромагнитного поля при разработке нефтяных месторождений.

Третья глава посвящена теоретическому исследованию влияния ВЧ ЭМП на процессы фильтрации углеводородных систем, содержащих поверхностно-активные компоненты, которые по мере движения в пористой среде адсорбируются на ее поверхности. Сформулирована математическая модель данного процесса, исследованы три варианта фильтрации высоковязкой нефти в пористой среде: 1) под воздействием ВЧ ЭМП; 2) при тепловом нагреве (для выделения в первом случае только теплового действия); 3) без воздействия на процесс (базовый вариант для определения общего эффекта).

Основным уравнением, описывающим рассматриваемые процессы фильтрации в пористой среде, является уравнение конвективной диффузии для концентрации АСВ нефти в фильтрационном потоке С, с учетом диффузионных и адсорбционных процессов

да дС дС д(„дС) -Е\д2Т

где а - концентрация адсорбированных АСВ; /- время; т - пористость среды; V - скорость фильтрации; £> - коэффициент диффузии с учетом молекулярной и конвективной диффузии; аТ - параметр термодиффузии; ау - параметр термодиффузии электромагнитного происхождения; Г -температура.

Скорость фильтрации V определяется из закона Дарси:

Мдх'

распределение давления Р и температуры Г - из уравнения, соответственно, пьезопроводности:

дР _ к д ( 1 д/Л

Зг ~~ тр, + Р,дх\р дх) ^

(2)

и теплопроводности:

дТ ,д2Т дТ „

Здесь к- проницаемость; р - динамическая вязкость флюида; р,,р,-коэффициент сжимаемости соответственно флюида и скелета породы; е„> Р„ - соответственно удельная теплоемкость и плотность насыщенной пористой среды; к - коэффициент теплопроводности насыщенной пористой среды; с,,Р/- удельная теплоемкость и плотность флюида,

соответственно; Q=jais0£'tgS|£|: - распределенные источники, возникающие

в среде вследствие поглощения энергии ВЧ ЭМП; со -круговая частота ЭМ поля; е'- относительная диэлектрическая проницаемость среды; tgS-тангенс утла диэлектрических потерь среды.

Вязкость компонентов смеси (в рассматриваем случае ее легкой и тяжелой (АСВ) составляющих) зависит от температуры и определяется из выражения

М, = Мк ехр(-«/,.(Г-Г0)), /=1,2 (5)

где - вязкость /-ой компоненты при Г = Г0; у/х - температурный коэффициент; Т0 - начальная температура.

Вязкость смеси в выражении (2) определяется по формуле:

= . (6)

Здесь С- концентрация АСВ нефти в потоке, цх, цг- соответственно, вязкости АСВ и легкой составляющей нефти, определяемые выражением (5).

Вязкость АСВ нефти при Т = Т0 определяется из соотношения К," = /Л)/':,," 1. где - вязкость закачиваемого флюида.

Кинетика сорбции описывается следующим уравнением1:

С - ау~х ехр

(а,+<Г)

I__L

т т i ■ J)

(7)

где Р„, ре"'- константа скорости сорбции и скорости сорбции электромагнитного происхождения, соответственно; у0 - постоянная Генри; 0,, у--теплота адсорбции, которая содержит не зависящую и зависящую от ВЧ ЭМ воздействия часть; Я- универсальная газовая постоянная.

Система уравнений (1), (3.), (4.), (7) с краевыми условиями

Чалимбеков А.Д. Некоторые аспекты взаимодействия электромагнитных полей с поляризующимися средами: Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. Уфа, 2007- 208 с.

Г(х, 0)=Г„, ТШ) = Т0, ^2 = 0, (8)

ах

С(х,0) = 0, С(0,/) = С0 , = (9)

с*

Р(х,0) = Р0, Р(0,0 = ^, . (10)

где Т0, Р0 - соответственно, начальное распределение температуры и давления в пласте, С0 - концентрация АСВ в закачиваемой нефти, Р! -давление на выходе, решалась методом конечных разностей по неявной схеме с применением метода прогонки.

Расчеты проводились при следующих исходных данных: с„,р„ =2969000 Дж/(м3-К); с, =2024 Дж/(кг-К); р,=945 кг/м3; ко =0,125

Вт/(м-К); 7-0=293,15 К; ш=0,41; £> =1,17*105 м2/с; /?/=10'9 Па1; Д=Ю"10

Па1; Но =0,2 Па с; /А =1,73-10"3 Пас; #„=0,5*10"4 с1; /Г" =0,25* 10"4 с"1; у0=1,55*10"2; а, =0,001 К'1; а'т =0,002 К"1; ^ =10 кДж/моль; д<"=2 кДж/моль; /=81,36 МГц; е' =3,426; =0,008274; £=11,1 кВ/м; />о=50 105 Па; />/=5Ы05 Па; Со=0,35; длина модели/, =1 м.

Для проверки адекватности разработанного численного метода проведено тестирование и показана хорошая сходимость результатов расчетов с известными аналитическими решениями уравнений конвективной диффузии и теплопроводности.

По проведенным расчетам были построены распределения концентрации адсорбированной нефти при воздействии ВЧ ЭМП, тепловом прогреве и без внешнего воздействия в разные моменты времени. Сопоставление результатов расчетов этих вариантов показало, что при воздействии ВЧ ЭМП нефть начинает двигаться раньше, чем в двух других случаях. При воздействии поля время появления нефти на выходе из модели составило 7350 секунд, а при тепловом нагреве среды до той же температуры, оно на 36 секунд больше. Существенное отличие времени начала фильтрации в случаях ВЧ ЭМ и теплового воздействия от случая без внешнего воздействия, в котором оно составило 8100 секунд, связано с уменьшением вязкости нефти с увеличением температуры.

По кривым распределения концентрации адсорбированных на поверхности пористой среды АСВ при воздействии ВЧ ЭМ полем, тепловом прогреве и без внешнего воздействия, приведенным на рис. 1 в разные моменты времени, можно наглядно убедиться в эффективности воздействия ВЧ ЭМ полем.

При отсутствии внешнего воздействия профиль распределения концентрации адсорбированных на поверхности породы поверхностно-активных веществ, содержащихся в нефти, плавно перемещается в направлении фильтрации с постепенным повышением уровня концентрации.

прогреве и без внешнего воздействия в различные моменты времени: (а)- 3

часа, (б) - 6 часов.

При ВЧ ЭМ и тепловом воздействии из-за зависимости скорости адсорбции и десорбции от температуры движение фронта намного сложнее: со временем при воздействии ВЧ ЭМ поля процесс адсорбции замедляется, причем в большей степени, чем при тепловым прогреве (рис. 1а), и значительно большей, чем в случае без какого-либо воздействия. В практическом смысле это означает увеличение извлекаемой из пласта нефти в реальных условиях.

Несмотря на одинаковое повышение температуры, с течением времени разница в количестве адсорбированного вещества при ВЧ воздействии и тепловом прогреве становится более ярко выраженной (рис. 1,6). Это объясняется тем, что при ВЧ ЭМ воздействии, в отличие от «чисто» теплового нагрева, в среде наряду с распределенными источниками тепла возникает и силовое действие, которое, очевидно, связано с процессом образования и разрушения структур полярных компонентов нефти.

На рис.2 представлена динамика изменения суммарного количества адсорбированных АСВ нефти на поверхности пористой среды при воздействии ВЧ ЭМ полем, тепловом прогреве и без внешнего воздействия с течением времени.

поверхности пористой среды при воздействии ВЧ ЭМ полем, тепловом прогреве и без внешнего воздействия с течением времени

В случае отсутствия внешнего воздействия, суммарное количество адсорбированного вещества со временем возрастает. Это связано с использованием в этих расчетах изотермы Генри, согласно которой адсорбция вещества прямо пропорциональна его концентрации в растворе и больше ничем не ограничена. Однако в случае электромагнитного и теплового воздействия количество адсорбированного вещества выходит на некоторое стационарное значение при той же изотерме, причем в случае ВЧ ЭМ воздействия этот переход происходит быстрее и количество адсорбированного вещества примерно на 15% меньше.

Далее в диссертационной работе рассматривается процесс неизотермической адсорбции на основе изотермы Ленгмюра. По аналогии с приведенным выше уравнением (7) получено уравнение кинетики сорбции при воздействии высокочастотного электромагнитного поля, в основе которого лежит адсорбция Ленгмюра:

С----Ь-' ехр

К, -а)

(g„+g"')f 1 1

R \ Т Г0„

(П)

здесь Ь - константа адсорбционного равновесия; Р=Р„,+ р°" -константа скорости сорбции, которая содержит не зависящую и зависящую от ВЧ ЭМ воздействия части.

Численное решение задачи фильтрации углеводородных систем с учетом адсорбционных процессов, происходящих по изотерме Ленгмюра при воздействии ВЧ ЭМ полем, тепловом прогреве и без внешнего воздействия осуществлялось также по неявной схеме методом конечных разностей. Численный эксперимент проводился при различных значениях константы адсорбционного равновесия Ь=0,01; 0,1 и 0,5.

В результате проведенных многовариантных расчетов были сделаны следующие выводы. Независимо от выбора кинетики адсорбции, воздействие ВЧ ЭМ полем является эффективным методом воздействия на адсорбционные процессы при фильтрации высоковязких углеводородных систем, содержащих поверхностно-активные компоненты.

Приведено количественное сравнение результатов расчетов процесса адсорбции при фильтрации углеводородных систем с учетом кинетики Генри и Ленгмюра. Результаты расчетов процесса адсорбции, выполненные с использованием кинетики Ленгмюра, качественно не отличаются от результатов расчетов, выполненных с использованием кинетики Генри.

Сопоставительный анализ расчетов процесса фильтрации углеводородных систем, содержащих поверхностно-активные компоненты, которые по мере движения в пористой среде адсорбируются на ее поверхности в случаях воздействия ВЧ ЭМ полем, тепловом

прогреве и без внешнего воздействия с учетом описания кинетики адсорбции по изотерме Генри и Ленгмюра при различных значениях константы адсорбционного равновесия, показал, что при Ь=0,01, т.е. минимальной степени заполнения поверхности адсорбатом для нахождения распределения адсорбированных на поверхности пористой среды АСВ достаточно применения простейшего уравнения изотермы адсорбции - изотермы Генри. При Ь=0,1 наблюдается различие в результатах, особенно при фильтрации без внешнего воздействия. В случаях ВЧ ЭМ и теплового воздействия с повышением температуры наблюдается совпадение кривых распределения концентрации адсорбированных на поверхности пористой среды АСВ, независимо от выбора кинетики адсорбции. Следовательно, при Ь=0,1 когда есть температурный эффект, то можно использовать кинетику адсорбции по изотерме Генри или Ленгмюра. При больших значениях константы адсорбционного равновесия результаты во всех трех случаях фильтрации отличаются (рис.3).

Рис. 3. Распределение концентрации адсорбированных на поверхности пористой среды АСВ при воздействии ВЧ ЭМ полем, тепловом прогреве и без внешнего воздействия через 1час (кривая 1), 3 часа (кривая 2) и 6 часов (кривая

3) при Ь=0,5.

С ростом параметра Ь количество адсорбированного вещества в случае использования кинетики Ленгмюра меньше, чем в случае использования кинетики Генри. Данное обстоятельство связано с насыщением адсорбционного слоя, которое не учитывается в модели Генри. Таким образом, для возможности использования математического моделирования процесса фильтрации при воздействии ВЧ ЭМ полем

углеводородных систем, содержащих поверхностно-активные компоненты, которые по мере движения в пористой среде адсорбируются на ее поверхности, в условиях конкретных месторождений нужно решить вопрос о необходимости использования либо изотермы Генри, либо Ленгмюра. Решение этой проблемы связано, в первую очередь, с экспериментальным определением величины константы адсорбционного равновесия Ь, критическое значение которой в рассмотренном случае равно 0,5. Если значение константы адсорбционного равновесия для конкретного месторождения больше этого критического порога, то при решении задачи фильтрации углеводородной системы с учетом адсорбционных процессов необходимо использовать кинетику адсорбции, в основе которой лежит изотерма Ленгмюра. В противном случае достаточно применения в расчетах кинетики адсорбции по изотерме Генри.

Для выявления механизма «нетеплового» действия поля приведены результаты специальных экспериментов по изучению адсорбционных процессов при ВЧ ЭМ воздействии с помощью атомно-силовой микроскопии (ACM Agilent 5500). Для этого 0,01% раствор асфальтенов в толуоле наносился на подложку (в качестве подложки применялась слюда).

Топография асфальтеновых пленок, полученная в результате сканирования в полуконтакном режиме, выявила наличие образований различного размера, что свидетельствует о том, что адсорбция асфальтенов происходит не отдельными молекулами, а большими комплексами (рис.3,а).

Рис. 3. Изображения адсорбированных асфальтенов, полученные с помощью АСМ, до (а) и после ВЧ ЭМ воздействия (б).

Данное обстоятельство хорошо согласуется с многочисленными экспериментальными фактами. Размер образований зависит от концентрации асфальтенов, от их происхождения и варьируется от 1 до 120 нм. После воздействия на асфальтеновые образования ВЧ ЭМ полем наблюдается изменение ориентации асфальтенов на подложке в направлении действия поля (рис.3,б). Этот факт объясняется

ориентационной поляризацией асфальтенов в ВЧ ЭМП при частоте равной частоте собственных колебаний молекул асфальтенов На этом же принципе основан способ подбора и контроля эффективности деэмульгатора при обезвоживании нефтей, на который получен петент на изобретение №2445345. Об изменении ориентации асфальтенов свидетельствует и кривая распределения высот асфальтеновых образований по размерам до и после воздействия ВЧ ЭМ полем, представленная на рис. 4.

: Р - ' . -Г в ; : ! ; 1. л . 1..;...•... I ■ : N Тп- -12 -гО - е - 6 - г

» I 5 « I М ; ; 5 ; 1

Рис. 4. Распределение высот асфальтеновых образований по размерам до (а) и после воздействия ВЧ ЭМП (б).

В заключительном разделе этой главы получены точные решения для нахождения концентрации адсорбированного вещества на поверхности пористой среды в различные моменты времени по изотерме Генри и Ленгмюра.

В четвертой главе приводятся методика и результаты экспериментального определения величины константы адсорбционного равновесия в условиях, приближенных к реальным. Для этого использовалась нефть конкретного нефтяного месторождения. Эксперименты проводились на насыпной модели длиной 1 м и внутренним диаметром 22 мм с использованием установки УИПК - 1М.

Для количественного и качественного анализа распределения остаточной нефти по длине после насыщения и полного завершения всех адсорбционных процессов модель разрезана на 10 частей одинаковой длины. Извлечение свободной и адсорбированной нефти осуществлялось с помощью центрифугирования. Для достижения максимального извлечения свободной нефти каждый образец вымывался керосином, при извлечении адсорбированной нефти использовался более сильный растворитель - толуол. Концентрация нефти в полученных растворах определена методом фотоколориметрии с помощью фотоэлектрического концентрационного колориметра ФК-2. Достоинством этого метода

является простота выполнения анализа при достаточной точности определений.

Результаты вычисления массы свободной и адсорбированной нефти приведены на рис. 7.

123456789 30

ш, г

0,12

0,1 0,08 0,05 0

12 2 4 5 6

а) б)

Рис. 5. Распределение массы свободной (а) и адсорбированной (б) нефти по длине модели.

Константа адсорбционного равновесия составила 0,067. Так как полученное значение меньше 0,1, то при решении задачи фильтрации тяжелой нефти, содержащей АСВ, которые по мере движения в пористой среде адсорбируются на ее поверхности, с учетом полученных результатов достаточно применения кинетики адсорбции, в основе которой лежит изотерма Генри.

В пятой главе рассмотрена задача по моделированию добычи тяжелой нефти с учетом адсорбционных процессов при воздействии ВЧ ЭМП и, для сравнения, индукционном нагреве. На рис.6 схематично показан процесс отбора высоковязкой нефти с одновременным ВЧ ЭМ воздействием.

8Щ1Ш1Р

ЯШЯнз

Рис. 6. Схема ВЧ ЭМ воздействия на пласт с одновременным отбором

флюида.

В расчетах использованы ориентировочные параметры Русского месторождения. На рис.7 представлены результаты расчетов в виде распределения температуры и концентрации адсорбированных АСВ нефти при отборе высоковязкой нефти с одновременным воздействием ВЧ ЭМП на пласт в разные моменты времени: 1=12, 24 и 36 часов.

а) б)

Рис. 7. Распределение температуры (а) и концентрации адсорбированных АС В нефти (б) в пласте при ВЧ ЭМ воздействии.

Из рис.7а видно, что за счет распределенных источников тепла, возникающих в среде вследствие поглощения энергии ЭМ поля, температура в каждой точке со временем растет. За счет затухания энергии ЭМП по мере ее распространения в пласт наблюдается процесс неравномерного нагрева пласта.

При индукционном нагреве наиболее интенсивный разогрев идет в близлежащем к скважине участке пласта, а последующий участок прогревается более медленно за счёт теплопроводности (рис.8а).

0 12 3 4 5

х. *

а) б)

Рис. 8. Распределение температуры (а) и концентрации адсорбированных АС В нефти (б) в пласте при индукционном нагреве. Распределения концентрации адсорбированных АСВ нефти и температуры при отборе высоковязкой нефти с воздействием ВЧ ЭМП и индукционным нагревом существенно отличаются. При воздействии ВЧ ЭМП происходит более равномерный нагрев пласта по сравнению с индукционным нагревом. При индукционном нагреве за 36 часов существенно прогревается участок пласта длиной 1,5 м. В случае ВЧ ЭМ воздействия происходит объемный нагрев большой глубины пласта, что приводит к дополнительной по сравнению с индукционным нагревом десорбции АСВ за счет разрушения структур полярных компонентов нефти на достаточно большом участке пласта. Это приводит к возможности дополнительной добычи нефти: при 36 часовой обработке пласта ВЧ ЭМ полем можно дополнительно добыть 17% нефти, при тепловом прогреве - чуть более 1%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе численного моделирования фильтрации нефти при одновременном ВЧ ЭМ воздействии, тепловом прогреве и без внешнего воздействия с учетом адсорбции установлено, что:

• воздействие ВЧ ЭМП на процесс фильтрации высоковязкой нефти замедляет процесс адсорбции ее поверхностно-активных веществ (АСВ) по сравнению с тепловым прогревом, что объясняется дополнительным «нетепловым» действием поля;

• при фильтрации тяжелой нефти, содержащей АСВ, под воздействием ВЧ ЭМП, когда значение константы адсорбционного равновесия b меньше 0.5, для нахождения распределения концентрации адсорбированного вещества можно использовать простую кинетику Генри вместо кинетики Ленгмюра, в случае изотермической фильтрации критическое значение Ъ равно 0.1;

• при использовании в численных расчетах изотермы Генри в отсутствии внешнего воздействия, суммарное количество адсорбированного вещества возрастает во времени; в случае же электромагнитного воздействия и теплового прогрева количество адсорбированного вещества выходит на некоторое стационарное значение, причем в случае ВЧ воздействия этот переход происходит быстрее, а количество адсорбированного вещества меньше.

• На основе экспериментальных исследований показано, что величина константы адсорбционного равновесия b в условиях, приближенным к реальным пластовым, составила 0,067.

2. Экспериментальными исследованиями с помощью АСМ установлено, что при воздействии на асфальтеновые образования ВЧ ЭМ полем наблюдается изменение их ориентации в направлении действия поля и их перегруппировка с образованием более крупных скоплений, что приводит к дополнительной десорбции АСВ.

3. На основе моделирования добычи тяжелой нефти с учетом адсорбционных процессов при воздействии ВЧ ЭМП и индукционном нагреве в условиях реального месторождения показано, что:

• при индукционном нагреве наиболее интенсивный разогрев идет в близлежащей к скважине зоне пласта, дальнейшее распространение тепла осуществляется значительно медленнее за счёт теплопроводности и не превышает в рассматриваемом случае 2,5 м при ВЧ ЭМ воздействии область прогрева - более, чем в 10 раз превышает это.

• в случае ВЧ ЭМ воздействия происходит быстрый объемный нагрев пласта, что влияет на процесс образования и разрушения адсорбционного слоя и приводит к дополнительной по сравнению с индукционным нагревом десорбции АСВ нефти.

Результаты исследований могут найти широкое применение при обосновании принципиально новых наукоемких технологий применения воздействия электромагнитных полей в процессах добычи высоковязких нефтей и битумов, а предложенные математические модели позволят прогнозировать дополнительную добычу нефти за счет десорбции ее поверхностно - активных компонентов при тепловом воздействии, в том числе, электромагнитном.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях из списка ВАК

1. Зиннатуллин P.P., Фатхуллина Ю.И., Камалтдинов И.М. Исследование образования адсорбционной пленки методом высокочастотной диэлектрической спектрометрии // Теплофизика высоких температур, 2012. Т. 50. №2. - С. 316-318. (R.R. Zinnatullin, Yu.I. Fatkhullina, and I.M. Kamaltdinov. Inverstigation of Formation of an Adsorption Film by High-Frequency Dielectric Spectrometry //High Temperature-2012. Vol. 50. No. 2. P. 298-299).

2. Зиннатуллин P.P., Фатхуллина Ю.И., Камалтдинов И.М. О возможности использования ВЧ и СВЧ электромагнитных полей для эффективной переработки нефтешламовых эмульсий // Известия ВУЗов "Нефть и газ", 2012. №1. С. - 102-107.

3. Камалтдинов И.М., Ковалева Л.А., Степанова 3. Ю., Замула Ю.С. Исследование процесса адсорбции в пористых средах при воздействии различных физических полей: теория и эксперимент.// Вестник Башкирского университета, 2012г., Т.17.№1(1). - С.435-438.

4. Камалтдинов И.М., Ковалева Л.А., Хисматуллина Ф.С., Галимбеков А.Д. Влияние высокочастотного электромагнитного поля на адсорбционные процессы в пористой среде. // Нефтяное хозяйство, 2013. № 1079. - С.90-92.

Патент

5. Ковалева Л.А., Зиннатуллин P.P., Минигалимов Р.З., Камалтдинов И.М. Способ подбора и контроля эффективности деэмульгатора при обезвоживании нефтей. // Патент на изобретение RU №2445345.-2012 г.

Публикации в других изданиях

6. Kovaleva L.A., Kamaltdinov I.M., Idrisova S. and Stepanova Z. Adsorption of asphaltenes under RF-EM influence: theory and experiment // Annual International Conference PetroPhase, London, 2011. - p.69.

7. Kovaleva L.A., Kamaltdinov I.M., Idrisova S. Thermodynamical basis of electromagnetic field impact on multicomponent petroleum fluids. // «25th European Symposium on Applied Thermodynamics (ESAT), Saint-Petersburg,

2011.-p.283.

8. Камалтдинов И. M. Исследование адсорбционных процессов в пористой среде при воздействии высокочастотным электромагнитным полем// Физико-химическая гидродинамика. - Уфа, 2011. - С. 39-43.

9. Ковалева JI.A., Степанова З.Ю., Камалтдинов И.М., Замула Ю.С. Влияние высокочастотных электромагнитных полей на адсорбционные процессы в пористой среде // Труды Института механики им. Р.Р.Мавлютова Уфимского научного центра РАН. - Уфа: Нефтегазовое дело, 2012. - Вып. 9, часть 2. -С.71-75.

10. Ковалева JI.A., Камалтдинов И.М., Харитонова И.В.,Замула Ю.С., Степанова З.Ю. Влияние высокочастотных электромагнитных полей на процесс адсорбции асфальтенов //Материалы международной научно-технической конференция ТЕОПЕТРОЛЬ 2012": Сб. трудов. - Польша,

2012. - С.639-644.

П.Ковалева JI.A., Зиннатуллин P.P., Камалтдинов И.М., Замула Ю.С. Изучение адсорбционных свойств асфальтенов высоковязких нефтей на микро- и наноуровне // III Международная научно-практическая конференция «Наноявления при разработке месторождений углеводородного сырья: от наноминералогии и нанохимии к нанотехнологиям»: Сб. трудов. - Москва, 2012. -С.163-168.

12. Камалтдинов И.М. Воздействие ВЧ ЭМ полем на адсорбционные процессы в пористой среде // Материалы Международной школы-конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании». -Уфа: РИЦ БашГУ, 2011. - Т.2. С. 74-80.

КАМАЛТДИНОВ Ильнур Маккиевич

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Лицензия на издательскую деятельность ЛР№ 021319 от 05.01.99г.

Подписано в печать 30.10.2013 г. Формат 60x84/16. Усл. печ.л. 1,15. Уч.-изд.л. 1,27. Тираж 100 экз. Заказ 487.

Редакционно-издателъский центр Башкирского государственного университета 450076, РБ, г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.

Отпечатано на множительном участке Башкирского государственного университета 450076, РБ, г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32

Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Камалтдинов, Ильнур Маккиевич, Уфа

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

04201 451 446

На правах рукописи

КАМАЛТДИНОВ ИЛЬНУР МАККИЕВИЧ

Специальность 01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Л.А. Ковалева

Уфа-2013.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................4

ГЛАВА I. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ АДСОРБЦИИ.............................11

1.1. Из истории возникновения теории адсорбции......................................11

1.2. Адсорбции на поверхности твердого тела.............................................12

1.3. Значение адсорбции в нефтегазовых пластах........................................15

ГЛАВА И. ВОЗДЕЙСТВИЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НА НЕФТЯНОЙ ПЛАСТ..........................20

2.1. Взаимодействие высокочастотного электромагнитного поля с веществом.........................................................................................................20

2.2. Влияние высокочастотного электромагнитного поля на гидродинамические процессы в пористой среде..........................................22

2.3. Применение высокочастотного электромагнитного поля при разработке нефтяных месторождений...........................................................28

ГЛАВА III. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА АДСОРБЦИИ НЕФТЯНЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ В ВЫСОКОЧАСТОТНОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ.............................33

3.1. Постановка задачи с учетом изотермы Генри.......................................33

3.1.1 Численный метод решеиия....................................................................37

3.1.2. Анализ результатов................................................................................46

3.2. Постановка задачи с учетом изотермы Ленгмюра................................59

3.2.1. Вывод уравнения Ленгмюра в высокочастотном электромагнитном поле....................................................................................................................59

3.2.2. Анализ результатов расчетов процесса адсорбции при фильтрации углеводородных систем с учетом кинетики Ленгмюра...............................62

3.2.3. Сопоставление результатов расчетов процесса адсорбции при фильтрации углеводородных систем с учетом кинетики

Генри и Ленгмюра...........................................................................................68

3.3. Оценка, методика определения параметров изотермы адсорбции......75

ГЛАВА IV. ЭСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА АДСОРБЦИИ НЕФТЯНЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ..................................83

4.1. Подготовка модели пористой среды, определение емкостных параметров........................................................................................................83

4.1.1 Определение коэффициента пористости насыпной модели пласта ..85

4.1.2 Определение коэффициента абсолютной проницаемости насыпной модели пласта...................................................................................................86

4.2. Насыщение модели нефтью. Определение проницаемости по нефти.88

4.3. Определение времени установления адсорбционного равновесия.....91

4.4. Методика обработки и анализа результатов исследований..................93

4.4.1. Создание остаточной нефти в пористой среде...................................93

4.4.2. Определение количества адсорбированной нефти...........................100

4.4.3. Определение константы адсорбционного равновесия.....................103

ГЛАВА V. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ДОБЫЧИ ВЫСОКОВЯЗКОЙ НЕФТИ В ПРИБЛИЖЕННЫХ К ПЛАСТОВЫМ УСЛОВИЯХ С УЧЕТОМ АДСОРБЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ.................................................................105

5.1. Постановка задачи...................................................................................105

5.2. Анализ результатов.................................................................................108

Заключение........................................................................................................113

Список литературы...........................................................................................115

Введение.

Задачи исследования:

2. Экспериментальное изучение адсорбционных процессов при высокочастотном электромагнитном (ВЧ ЭМ) воздействии с помощью атомно-силовой микроскопии.

4. Численное моделирование процесса разработки нефтяного пласта при использовании ВЧ ЭМП и, для сравнения, индукционного нагрева с учетом адсорбционных процессов в условиях конкретного месторождения.

Научная новизна

2. Численно рассчитан процесс фильтрации в пористой среде с учетом адсорбционных процессов по изотерме Генри и Ленгмюра под воздействием ВЧ ЭМ поля, при тепловом нагреве и без какого-либо воздействия на процесс. Определены критические значения константы адсорбционного равновесия, определяющих область использования этих изотерм при разных видах воздействия.

Апробация работы.

Основные результаты работы были представлены на следующих научных конференциях:

Научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике (Уфа, 2007г., 2009г., 2010г., 2012г.);

VIII Региональная школа-конференция для студентов, аспирантов и молодых учёных по математике, физике и химии (Уфа, 2008г.);

Российская конференция «Многофазные системы: природа, человек, общество, технологии», посвященная 70-летию академика Р.И. Нигматулина (Уфа, 2010г.);

Международная школа-конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании» (Уфа, 20 Юг, 2011г.);

Annual International Conference PetroPhase 2011 (Лондон, 2011г.);

Международный симпозиум «25th European Symposium on Applied Thermodynamics (ESAT) (Санкт-Петербург, 201 lr.);

Всероссийская конференция с международным участием "Фундаментальные проблемы разработки месторождений нефти и газа" (Москва, 2011г.);

V Российская конференция с международным участием «Многофазные системы: теория и приложения - 2012» (Уфа, 2012г.);

Научно-техническая конференция «Современные технологии освоения месторождений углеводородов на суше и море» ГЕОПЕТРОЛЬ 2012 (Краков, 2012г.);

III Международная научно-практическая конференция «Наноявле-ния при разработке месторождений углеводородного сырья: от наноминералогии и нанохимии к нанотехнологиям» NANOTECHOILGAS-2012 (Москва, 2012г.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в научных работах, в том числе 4 из них в журналах, рекомендованных ВАК РФ и получен 1 патент РФ.

Связь диссертационной работы с планами научных исследований

Структура и объем работы

Третья глава посвящена теоретическому исследованию влияния ВЧ

ЭМП на процессы фильтрации углеводородных систем, содержащих

поверхностно-активные компоненты, которые по мере движения в пористой

среде адсорбируются на ее поверхности. Представлена математическая модель данного процесса на основе изотермы Генри, исследованы три варианта фильтрации высоковязкой нефти в пористой среде: 1) под воздействием ВЧ ЭМП; 2) при тепловом нагреве (для выделения в первом случае только теплового действия); 3) без воздействия на процесс (базовый вариант для определения общего эффекта). Также рассматривается процесс неизотермической адсорбции на основе изотермы Лэнгмюра. Получено уравнение кинетики сорбции при воздействии высокочастотного электромагнитного поля, в основе которого лежит адсорбция Ленгмюра. Проведен численный эксперимент задачи фильтрации углеводородных систем с учетом адсорбционных процессов, происходящих по изотерме Ленгмюра при воздействии ВЧ ЭМ полем, тепловом прогреве и без внешнего воздействия при различных значениях константы адсорбционного равновесия Ь=0,01; 0,1 и 0,5. Приводится количественное сравнение результатов расчетов процесса адсорбции при фильтрации углеводородных систем с учетом кинетики Генри и Ленгмюра. Сопоставительный анализ расчетов показал, что для возможности использования математического моделирования процесса фильтрации при воздействии ВЧ ЭМ полем на углеводородные системы, содержащие поверхностно-активные компоненты, которые по мере движения в пористой среде адсорбируются на ее поверхности, в условиях конкретных месторождений нужно решить вопрос о необходимости применения либо изотермы Генри, либо Ленгмюра. Решение этой проблемы связано, в первую очередь, с экспериментальным определением величины константы адсорбционного равновесия. Приведены результаты специальных экспериментов по изучению адсорбционных процессов при ВЧ ЭМ воздействии с помощью атомно-силовой микроскопии (ACM Agilent 5500). Получены точные решения для нахождения концентрации адсорбированного вещества на поверхности пористой среды в различные моменты времени по изотерме Генри и Ленгмюра, также приведена методика определения параметров изотермы адсорбции.

В четвертой главе приводятся методика и экспериментальные результаты определения величины константы адсорбционного равновесия в условиях, приближенных к реальным. Для этого использовалась нефть конкретного нефтяного месторождения. Эксперименты проводились на насыпной модели длиной 1 м и внутренним диаметром 22 мм с использованием установки УИПК - 1М. По временным кривым тангенса угла диэлектрических потерь нефтяных дисперсных систем определено время установления адсорбционного равновесия в них с момента формирования системы

В пятой главе рассмотрена задача добычи тяжелой нефти в условиях реального пласта с учетом адсорбционных процессов при воздействии ВЧ ЭМП и индукционном нагреве.

ГЛАВА I. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ АДСОРБЦИИ 1.1. Из истории возникновения теории адсорбции

Первые систематические исследования молекулярно-поверхностных свойств нефтепродуктов принадлежат М.М. Русакову, который, в частности, показал, что, измеряя поверхностное натяжение нефтепродуктов на границе с чистой водой, можно судить о степени их очистки от полярных веществ [1].

Долгое время изучение адсорбции было направлено на накопление экспериментального материала и не существовало подлинной теории по изучению адсорбции газов и паров на твердой поверхности.

В 1915 году были предложены две независимые теории И.Лэнгмюра и Поляни. Наряду с теорией Лэнгмюра и Поляни в области теории адсорбции имеется ряд исследований: Эйкен, Магнус, Вильям, Жуховицкий и др. Но наиболее типичными и важными являются теории Лэнгмюра и Поляни.

Согласно теории Лэнгмюра адсорбция представляет химический процесс, и адсорбционный слой является мономолекулярным. Согласно теории Поляни адсорбция носит физический характер, и адсорбционный слой является полимолекулярпым. Как указывается в работе [2], Лэнгмюр дает кинетическое обоснование процессу адсорбции. Он считал, что соударение между молекулами газа и твердой поверхностью носит эластичный характер: молекулы газа остаются в соприкосновении с твердой поверхностью в течение некоторого времени, а затем отрываются от нее и переходят в газовую фазу. Время пребывания молекул на поверхности определяет явление адсорбции.

По Лэнгмюру в поверхности твердого тела должны находиться участки или места, отличающиеся сильным силовым полем. На поверхности раздела фаз всегда возникает силовое поле из-за нескомпенсированности молекулярных сил [2].

Влияние адсорбции на природу межфазных поверхностей раздела и устойчивость дисперсных систем было впервые качественно рассмотрено Л.Г. Гурвичем, а затем с привлечением представлений об ориентации поверхностно-активных молекул в адсорбционных слоях П.А.Ребиндером и его сотрудниками.

П.А. Рединдером было показано, что вещество будет адсорбироваться на границе раздела фаз, значит, понижать поверхностное натяжение в том случае, если оно своим присутствием на поверхности будет уравнивать разность полярностей этих фаз, т.е. если его полярность будет находиться между полярностями этих фаз. Это правило было названо П.А. Ребиндером правилом уравнивания полярностей.

1.2. Адсорбции на поверхности твердого тела.

Как и всякая система, которая обладает запасом свободной энергии, поверхность раздела фаз стремиться к уменьшению этой энергии самопроизвольно. Для гетерогенных систем уменьшение свободной поверхностной энергии происходит с уменьшением поверхностного натяжения путем адсорбции [3]. Адсорбция - это само�