Исследование нелинейных эффектов при течении дисперсных систем в капиллярах и пористых структурах тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Мавлетов Марат Венерович

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ЭФФЕКТОВ

ПРИ ТЕЧЕНИИ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ В КАПИЛЛЯРАХ И ПОРИСТЫХ СТРУКТУРАХ

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Уфа- 2006

Работа выполнена на кафедре прикладной физики Башкирского государственного университета и в лаборатории экспериментальной гидродинамики Института механики Уфимского научного центра РАН

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Ковалева Лиана Ароновна кандидат физико-математических наук Ахметов Альфир Тимирзянович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Житников Владимир Павлович кандидат физико-математических наук, Лебедев Юрий Анатольевич

Ведущая организация: • 'Тюменский филиал Института

теоретической и прикладной механики СО РАН

Защита состоится 21_ декабря 2006 г. в ^ часов на заседании диссертационного совета Д 212.013.09 при Башкирском государственном университете по адресу: 450074, г. Уфа, ул. Фрунзе, 32, в аудитории 216 физико-математического корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Башкирского государственного университета

Автореферат разослан ноября 2006 г.

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

Л. А. Ковалева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Многие технологические «• природные процессы связаны с движением дисперсных систем, в частности, к ним относятся течение нефти и эмульсий в пористой среде. Развитая межфазная поверхность приводит к необходимости учета поверхностных явлений, а высокая объемная концентрация дисперсной фазы в дисперсионной среде обуславливает нелинейный характер взаимодействия компонентов дисперсной фазы между собой, дисперсионной средой и твердой поверхностью.

Экспериментальные исследования адсорбционных явлений при фильтрации высоко вязких нефтей, которые можно рассматривать как дисперсные системы, где углеводородная часть является дисперсионной средой, а асфальто-смолистые вещества - дисперсной фазой, показывают наличие конкурентных эффектов, что приводит к нелинейному немонотонному распределению адсорбирующихся веществ на поверхности твердого тела, причем наблюдается взаимное влияние компонентов на степень адсорбции каждого из них. Для описания наблюдаемого эффекта требуется построение математических моделей сорбции, учитывающих взаимодействие компонентов между собой и конкуренцию за ограниченное число достижимых адсорбционных центров.

Водонефтяные эмульсии,' образующиеся в различных процессах нефтедобычи и транспортировки нефтепродуктов, являются дисперсными системами типа жидкость-жидкость. Наиболее интересный класс представляют высоко ко и центрированные обратные водонефтяные эмульсии. При их течении в капиллярах и пористой структуре обнаруживается нелинейный эффект динамического запирания, который заключается в том, что течение жидкости, несмотря на постоянно действующий перепад давления, практически полностью прекращается. Наличие данного эффекта, по всей видимости, обуславливает успех применения водонефтяных эмульсий в потокоотклоняющих технологиях и в качестве жидкостей для глушения скважин.

Цель работы. Теоретические исследования влияния конкурентного характера адсорбции на процесс фильтрации многокомпонентной углеводородной смеси, изучение механизма динамического запирания обратных вод оугл с во дородных "»мульснй в капиллярах путем экспериментального и математического моделирования.

Научная новизна Анализ устойчивости нелинейных уравнений кинетики адсорбции показал наличие различных типов колебаний концентраций адсорбированных компонентов.

В результате качественного исследования нелинейной модели, описывающей движение двух компонентной дисперсной фазы в пористой среде с учетом конкурентной адсорбции, показано наличие хаотических колебаний концентраций веществ в потоке, вызываемых колебаниями концентраций веществ в адсорбированном состоянии, которые наблюдаются в определенном диапазоне параметров.

При течении высококонцентрированных водогексановых эмульсий в капиллярах обнаружен нелинейный эффект динамического запирания, который заключается в том, что движение дисперсной системы типа жидкость-жидкость, несмотря на наличие постоянно действующего перепада, давления практически полностью прекращается.

Представлены математические модели, которые описывают эффект запирания при течении дисперсных систем в капиллярах.

Достоверность результатов диссертации обусловлена использованием общих законов и уравнений механики сплошной среды при построении нелинейной математической модели двухкомпонентной адсорбции и сопоставлением с экспериментальными данными.

Достоверность экспериментальных измерений обусловлена использованием стандартных. физических поверенных приборов и сравнением с результатами контрольных экспериментов по течению индивидуальных компонентов, слагающих дисперсную систему.

Практическая ценность заключается в теоретическом прогнозировании колебательных режимов адсорбции, что способствует более глубокому пониманию и описанию процессов, протекающих при движении высоковязких нефтей в пласте.

Обнаружение эффекта запирания для высококонцентрированных эмульсий различного состава дает возможность разработки новой теоретической базы для практического применения дисперсных систем типа жидкость-жидкость в потокоотклоняющих технологиях и технологиях глушения скважин.

Апробация работы Основные результаты, полученные в диссертационной работе, докладывались на региональных школах -конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых по физике и математике (Уфа, 2000-2005 г.), на Всероссийских научных конференциях студентов физиков и молодых ученых ВНКСФ-7 (Санкт-Петербург, 2001 г.), ВНКСФ-8 (Екатеринбург. 2002 г.), ВНКСФ-10 (Москва, 2004 г.). Международной конференции «Нелинейный динамический анализ 2» (Москва, 2002 г.), Международной конференции «Прикладная Синергетика II» (Уфа, 2004 г.), международной конференции «Потоки и структуры в жидкостях» (Москва, 2005 г.);' 21м Международном конгрессе по

теоретической и прикладной механике 1СТАМ, (Польша, 2004 г.), IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Нижний Новгород, 2006).

Публикации Основное содержание диссертации отражено в 37 публикациях, из них 3 научные статьи в центральной печати. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

Объем и структура работы Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 113 страниц текста, включая 61 рисунок, 3 таблицы и список литературы из 95 наименований. *

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность и практическая значимость темы диссертации, излагается краткое содержание диссертации по главам.

В первой главе представлен обзор литературы по гидродинамике дисперсных систем.

При движении многокомпонентных многофазных сред в различных структурах наблюдаются нелинейные эффекты, проявляющиеся как на микроуровне (адсорбционные эффекты), что в ряде случаев может сказаться на динамике макропоказателей, так и на макроуровне (эффекты запирания).

Одна из главных задач. теории адсорбции смесей - получение изотерм адсорбции многокомпонентных смесей из статистических данных для изотерм индивидуальных компонентов - до сих пор не решена. Кроме того, хотя в литературе имеются ссылки на то, что адсорбция может носить конкурентный характер, теоретического обоснование данного явления в настоящее время не существует.

Основным источником данных о дисперсных системах являются результаты реологических экспериментов. Однако в связи со сложностью динамических свойств дисперсных систем их невозможно изучать с помощью только реологического подхода. К ним относятся эффекты запирания, чтобы понять истинный механизм которых необходимо использовать иные методы.

Во второй главе описаны результаты экспериментальных исследовании по фильтрации высоковязких пефтей, которые показывает существенно неоднородное рас преде лепие адсорбированного остатка вдоль модели пористой среды, о чем свидетельствует немонотонная зависимость коэффициента светопоглощения, который линейным образом связан с

молекулярной массой, и, следовательно, может характеризовать изменение состава адсорбированного остатка. Данное обстоятельство связано со взаимодействием компонентов друг с другом и их конкуренцией за свободные адсорбционные центры на твердой поверхности. Многокомпонентную смесь, какой является нефть, необходимо рассматривать как коллоидную систему, в которой поверхностно-активные компоненты выступают в роли дисперсной фазы.

Для теоретического объяснения наблюдаемого эффекта предложена математическая модель движения двухкомпонентной дисперсной фазы с учетом конкурентной адсорбции и неравновесным характером массообмена между поверхностью скелета и дисперсной фазой:

дС)

т

да- „Эгс, дс.

Эг Эг

д*2 Эх '

с, - Ьа;

1

!

да- ^

п

I = 1,2,

(1)

(2)

(3)

где с„ а,* - концентрации первого и второго компонента в потоке и в адсорбированном состоянии, О — коэффициент диффузии, иг - пористость, - неравновесное значение концентрации вещества в адсорбированном состоянии, и — скорость фильтрации, Г - время релаксации, ¿>(- — коэффициент адсорбции, равный отношению скоростей десорбции к адсорбции, Д - эффективный коэффициент массообмена, характеризующий скорость адсорбции, Л* . - коэффициент, характеризую!ций степень заполняемое™ монослоя, - коэффициент межмоле кул яр но го взаимодействия адсорбирующихся компонентов,

Система уравнений (1)-(3) дополняется следующими начальными и граничными условиями:

Эс,

с, (0,0 =

Эл

= 0, г>0

1=1

а, <х,0) = 0, с, <х,0) = 0,. О < л: < Ь

(4)

(5)

Анализ устойчивости нелинейных уравнений кинетики адсорбции показал, что возможно два класса решений системы уравнений (1)-(5). К первому можно отнести все решения "классического" вида типа бегущей концентрационной волны, реализуемые в тех случаях, когда один из компонентов явно превосходит другой либо по скорости, либо по степени активности адсорбции на поверхность скелета пористой среды. Ко второму классу, представляющему наибольший интерес с точки зрения подтверждения конкурентного характера адсорбции, относятся решения в виде различных колебательных процессов.

Для более детального исследования системы была построена бифуркационная диаграмма для «вложенной» динамической системы уравнений (2) в фиксированной точке пространства 0е=О). В результате было выявлено, что в диапазоне значений параметров Ф/Е [-0.0) ,0], [-0.05,0], ¿/=-50, [-20,-10]) фазовый портрет состоит из неустойчивых узлов. Неустойчивый фокус наблюдается в диапазоне (£>/Е [-0.01,0], [0,0.1], £/=-30, ¿2=10), В остальной области параметров наблюдаются устойчивые узлы и седла, что соответствует затухающим колебаниям концентраций адсорбированных компонентов.

Во всех случаях, когда в системе наблюдаются колебания во вложенной «динамической» системе, проявляется отклик на них в виде немонотонного распределения концентраций веществ в потоке по пространству. Случай затухающих (а) и незатухающих колебаний (б) представлен на рис, 1.

Рис. 1. Распределение концентраций веществ в потоке (с/, Сг) и в адсорбированном состоянии (О/, 0-2) в пространстве:

а) затухающие колебания при ¿/=-0.005, ¿2=0.5, ¿/=-50, ¿2=10;

б) незатухающие колебания при ¿>/=-0.005, ¿2=0.1, ¿/=-30, ¿2=10.

Еще одной отличительной чертой предложенной модели является возникновение хаотических колебаний концентраций компонентов в потоке и в адсорбированном состоянии при появлении неустойчивого фокуса или предельного цикла и а фазовом портрете системы, описывающей кинетику адсорбции (2).

Примечателен тот факт, что если построить распределение концентраций «у, а2, Су и С? по пространству в какой-либо достаточно большой промежуток времени, то наблюдается хаотическое распределение концентраций веществ, как в потоке, так и в адсорбированной состоянии (рис. 2).

я1, а2, г2

О 02 О А 0.6 03 з. 1

Рис. 2. Зависимость концентраций веществ в потоке и в адсорбированном состоянии по пространству.

Для подтверждения того, что колебания носят хаотический характер, определяась кореляционная размерность по- процедуре Паккарда-Такенса. В качестве наблюдаемых неременных брались концентрации веществ в адсорбированном состоянии о/, (17 и в потоке С/ и Сг. В пространстве переменных су, с'г в системе наблюдается странный аттрактор, а колебания носят хаотический .; характер. Значение корреляционной размерности составило 2,603 для 'С; и 2,821 для С2- Конечность величин корреляционных

размерностей говорит о том, что процесс носит не шумовой, а детерминированный характер.

Выводы о поведении параметров многокомпонентной сорбции, полученные на основании математической модели, вполне согласуются с результатами ранее проведенных экспериментов, в которых изучались адсорбционно-хроматограф и ческ и е эффекты при фильтрации высоковязкой нефти Арланского месторождения с большим содержанием поверхностно-активных компонентов. Полученная зависимость коэффициента свето поглощен и я Кс„, вдоль длины модели приведена на рис. За.

Для сопоставления результатов экспериментальных и теоретических исследований задача (1)-(5) решалась при условиях, по возможности приближенных к экспериментальным. На рис. 36 приведены зависимости суммарной концентрации адсорбированных компонентов в фиксированных точках пространства (что соответствует условиям эксперимента).

Рис. 3. Распределение концентрации адсорбированного остатка по длине модели: а) эксперимент, б) численное моделирование

■л

Результаты не могут претендовать на количественное сравнение, так как в экспериментах значения Ка, дают лишь косвенное представление о содержании адсорбированных веществ, а в теоретической постановке используются приближенные значения коэффициентов. Полученные результаты показывают хорошее качественное сходство численных расчетов и экспериментальных данных и колебательный характер протекающих процессов конкурентной адсорбции.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований по движению-дисперсных сис тем типа жидкость-жидкость — высоко кон центрированных обратных эмульсий с различным компонентным составом дисперсной фазы н дисперсионной среды в цилиндрическихкапиллярах.

ш 16 го к м » ад

N

в 01 02 03 01 0.5 . 06 07 0( 0» 1

Эксперименты проводились со стеклянными капиллярами диаметром 100 мкм и длиной 4 см, перепад давления варьировался в диапазоне от 0,5 до 3 атм.

При течении стабилизированных в одо нефтяных эмульсий, используемых в нефгеной промышленности ЗАО «Химеко-ГАНГ» (состав: нефть - 20 %, минерализованная вода - 73 %, водный раствор хлорида кальция - 3 %, эмульгатор Нефтенол НЗ 40 Н - 4 %) в капиллярах обнаруживается эффект динамического запирания, который заключается в том, что движение жидкости, несмотря на постоянно действующий перепад давления, практически полностью прекращается. Течение пи одного из отдельных составляющих компонентов не приводит к наблюдаемому эффекту.

Опыты по течению стабилизированной эмульсии в капилляре диаметром 700 мкм показали отсутствие эффекта динамического запирания, что свидетельствует о том, что имеется некоторый радиус капилляра, при превышении Которого «запирание» не наблюдается.

Было обнаружено, что время выдержки эмульгатора существенно сказывается на проявлении эффекта динамического запирания: чем оно больше, тем дольше по времени происходит запирание.

Более детальное изучение структуры потока дисперсной системы под микроскопом обнаруживает, что на самом деле течение прекращается не полностью, а уменьшается со временем более чем на 4 порядка (рис. 45), поэтому обнаруженное явление было названо «эффектом динамического запирания».

Первоначальная картина течения однородна (рис. 5, кадр 1). При переходе в состояние «запирания» появляются квазипериодические структуры, которые с течением времени проявляются более ярко. При этом движение в капилляре становится ползучим, поршневым, скорость потока резко падает (по результатам, приведённым на кадр 2, в 250 раз). Далее в течение некоторого времени скорость ползучего движения носит пульсационный характер и постепенно затухает (кадр 3).

Следует отметить существенную особенность — образование перемежающейся структуры происходит у входа в капилляр (кадр 4, рис. 5). Слева темная непрозрачная зона - толстый слой эмульсин (1,5 мм) в подводящей полиэтиленовой трубке, из этой входной зоны поступают дозы эмульсии (темные полосы) и нефти (светлые полосы). Образования наблюдаются но всей длине капилляра (кадр 5).

0,4 0.35 с 0.3 ¿0.25

3 0.2

ю

°0,15 0,1 0,05 О

С£>|

1000

4О00

60000

2000 3000

Время, сек

Рис, 4. Зависимость объема водонефтяиой эмульсии, протекающей через капилляр при постоянном перепаде давления ДР=0,1 МПа от времени. Цифры в кружках соответствуют кадрам видеоизображений, приведенных на рис. 5.

. У=25 пин/в

У=100 шкш/з

40-90 шкш/8

, О . . Л .

. 1

; : 00-700 ткт/з '

врщШ

/у-О,:

М&.2 шкт/»

а б в

Рис. 5. Изменение структуры потока эмульсин и соответствующие им скорости в капилляре со временем. На кадре 6 буквами обозначены: а - эмульсия, б-вода, в - нефть.-

Постепенно скорость ползучего течения за 16 часов снижается на 2,5 порядка (кадр 6, рис. 5). Можно различить 3 составляющих: нефтяная — светлая, эмульсия - темная, и выделившаяся водная фаза - светлая с ограничивающими менисками. Полученную картину можно объяснить следующим образом. Нефтяная дисперсионная среда «выжимается» из эмульсии. По мере движения эмульсии у входа в капилляр в ней коалесцируют микрокашш воды, которые образуют представительную кашпо (около 100 мкм). Последняя при огромных градиентах давления у входа в капилляр прорывает эмульсионную «толчею», проталкивая часть ее перед собой, далее эта «толчея» запирает вход, из нее выжимается нефть, и процесс повторяется снова.

Как было упомянуто выше, нефть сама является дисперсной системой, и хотя при ее течении эффекта динамического запирания не наблюдается, тем не менее, он может обуславливаться взаимодействием ее дисперсной фазы с другими компонентами эмульсии. Для того чтобы проверить данное предположение на первом этапе было решено заменить дисперсионную среду нефть на конкретное химическое вещество - гексан. При течении таких эмульсий (состав: гексан - 23 %, пластовая вода — 73 % и Нефтенол -4%) а капиллярах также наблюдается эффект динамического запирания (рис. б).

0.6 -|-—;--:----

■ 0,5----------2—

0,4---:-----—

I /___1

с Q 3----

0.2-------30,1 ^-- " _

0 ¥ , ,—------А-

0 100 200 300 400 500 600

t,c

Рис. б. Зависимости объема протекшей через капилляр (Др=0,) МПа)

эмульсии «пластовая вода/гексан» от времени. Цифры соответствуют хронологическому порядку проведения экспериментов.

■9

1

У

Проявление эффекта запирания для эмульсии, где внешняя углеводородная фаза заменена гексаном, навело на мысль, о существовании более простых по составу дисперсных систем жидкость-жидкость, у которых также наблюдается эффект динамического запирания. Для того чтобы выявить влияние солей, содержащихся в пластовой воде, в качестве дисперсной фазы использовали дистиллированную воду. При течении таких эмульсий также проявлялся эффект динамического запирания.

Во всех проведенных экспериментах наблюдается значительный разброс в объеме протекшей эмульсии и времени наступления запирания. Однако расходные характеристики до начала перехода в состояние запирания мало отличаются друг от друга. Зависимости объема протекшей до запирания жидкости от времени выдержки эмульсии не наблюдается.

Эффект динамического запирания проявляется и на капиллярах меньшей длины. Для дисперсных систем вода в гексане сохраняется свойства эмульсии к возобновлению течения при увеличении перепада давления и последующей его остановке по истечения определенного промежутка времени.

Таким образом, было установлено, что ни дисперсность нефти, ни ее многокомпонентный состав, ни присутствие солей в воде, не обуславливают наличие эффекта запирания.

Далее в главе 3 рассмотрены математические модели течения дисперсных систем в капиллярах. Предварительно на ротационном вискозиметре были проведены измерения касательного напряжения в зависимости от прикладываемой скорости деформации сдвига. Экспериментальные значения аппроксимировались с использованием

реологических моделей Освальда — де Ваале (Г = Ку" ), Гершеля-Балкли

{Г = г0 + Ку*) И Кэссона (Г1'2 = г"2 + ¿CV"2)- Полученные

значения эмпирических коэффициентов подставлялись в соответствующие выражения для расходов, с их использованием строились зависимости объема протекшей жидкости от времени и производилось сравнение с экспериментальными зависимостями (рис. 7а). Видно, что предложенные модели достаточно хорошо описывают линейный участок экспериментальной кривой до состояния запирания, но не описывают перехода в состояние запирания.

В основу математического описания эффекта запирания было положено предположение о том, что в потоке растет упругое ядро, которое движется, как единое целое. При' достижении некоторого критического радиусЛ течение "должно прекратиться. В предположении линейного роста

ядра г0 (?) получены следующие выражения для объема

протекшей жидкости (на основе модели Гершеля-Балкли):

ПО

_ Ар

(4п + 1ХЗи+1)(2п 2л:Л

(3« + 1)(2* + 1)(и+1) пКг

^(л - г£ )ПГ - (л - - ^ +

(I /

(2и + 1Х«+1)1

где К — индекс консистентности, и — показатель неньютоновского поведения, а - скорость роста ядра, г" - начальный радиус ядра, ц -вязкость.

Аналогичным образом получено выражения для объема протекшей жидкости с учетом роста упругого ядра {на основе модели Кэссона):

4 гр1*/ 3 К

32

21 сс4Ж

(г™ + а1

р-к}

4 аг 6 Я

12/г4 6/г4

6Д

12Д4

60Л"

0,04

■ о.ог

0,05 0.04 , 0,00 ■ 0.02 0.01 О

1 а 1

\ / »4

/

/ б)

/

юо 1» 200 ги и зоо

Рис. 7. Зависимость объема протекшей жидкости от времени для обратной эмульсии в капилляре: 1 — экспериментальная кривая; 2 аппроксимация по модели Освальда — де Ваале; 3 и 4 аппроксимация по моделям Кэссона и Гершеля-Балкли, соответсвенно, без учета (а) и с учетом (б) роста в потоке упругого ядра.

По полученным выражениям строились зависимости объема протекшей жидкости от времени и производилось сравнение с экспериментальными зависимостями (рис. 76).

Видно достаточно хорошее совпадения в рамках обеих моделей, хотя переход в состояние запирания в эксперименте происходит скачкообразно, а теория дает более плавный переход.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:

1) Анализ устойчивости нелинейных уравнений кинетики адсорбции показал, что возможно два класса решений системы уравнений: к первому классу относятся решения типа бегущей концентрационной волны, ко второму классу — решения в виде различных колебательных процессов.

2) В результате проведения математического моделирования течения двухкомпонентной дисперсной фазы с учетом адсорбции было показано, что в определенном диапазоне параметров имеют место хаотические колебания концентраций веществ в потоке при появлении незатухающих колебаний адсорбированных компонентов.

3) В результате проведенных экспериментальных исследований течения обратных эмульсий различных по компонентному составу (как дисперсионной среды так и дисперсной фазы) установлено наличие эффекта динамического запирания, заключающегося в том, что движение жидкости, несмотря на наличие постоянно действующего перепада давления с течением времени практически полностью прекращается.

4) Изучение течения высоко концентрированных обратных водонефтяных эмульсий под микроскопом показало, что при переходе в состояние запирания наблюдается последовательная смена режимов течения (однородный поток, ползучий режим, пульсирующий переход в состояние запирания, четочная квазипериодическая структура в состоянии запирания).

5) Математическое моделирование движения дисперсной системы в капилляре с учетом роста в потоке упругого ядра показала возможность проявления эффекта запирания.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ахметов А.Т., Телин А.Г., Мавлетов М.В., Здольник С.Е. Новые принципы применения обратных водонефтяных эмульсий в потокоотклоняющих технологиях и глушении скважин // Нефтегазовое дело. Т.З, 2005. - С. 19-26.

2. Ахметов А. Т., Телин А. Г. Глухов В. В., Мавлетов М. В. ti др. Особенности течения высококонцентрированных водонефтяных эмульсий в трещинах и пористых средах. // Технологии ТЭК. Нефть и капитал, апрель, 2003. - С. 54-58.

3. Ковалева Л .А, Мавлетов М.В, Хаотические колебания при движении двух компонентных смесей в пористых средах // Нелинейный мир, № 3,2006. - С. 112-115.

4. A. Ahmetov, A. Telin, V. Glukhov and М. Mavletov Flow of Emulsion through Slot and Pore Structures / Progress in Mining and Oilfield Chemistry, Vol. 5,2003. P. 287-295.

5. A.T. Akhmetov, A.G. Telin, M.V. Mavletov "Invert Water-Oil Emulsions in Various Types of Flows and Effect of Dynamic Flow Blocking" //International Conference. Fluxes and Structures in Fluids, Moscow 2005. Selected Papers edited by YU.D.Chashechkin and V.G.BayduIov. Institute for Problems in Mechanics of the RAS M.V. Lomonosov Moscow State University. Moscow 2006. - P. 10-15.

6. A.T. Akhmetov, A.G. Telin, M.T. Mavletov, S.P. Sametov, M.J. Silin "Flow of Invert Water-Oil Dispersions in Capillaries" // International Conference. Fluxes and Structures in Fluids, Moscow 2005. Selected Papers edited by YU.D.Chashechkin and V.G.BayduIov. Institute for Problems in Mechanics of the RAS M.V, Lomonosov Moscow State University. Moscow 2006.-P. 16-21.

7. Kovaleva L.A., Mavletov M.V, Oscillatory modes of adsorption in the flow of multicomponent systems. / XXI International Congress of Theoretical and Applied Mechanics (ICTAM04). CD-ROM Proceedings. Published by IPPT PAN. Warsaw, Poland, August 15-21. .

8. A.T. Ахметов, А.Г, Телин, B.B. Глухов, М.В, Мавлетов Нелинейные явления ' и хаос при течении эмульсий / Сб. трудов международной конференции «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах», Махачкала, 2004. - С. 320-322 , '

9. Ахметов А.Т., Телин А.Г., Мавлетов М.В., Глухов В.В. Самоорганизация инвертных дисперсий при течении в капиллярах. // Труды международной конференции «Прикладная Синергетика II», Уфа, 2004.-С 108-111.

[0. Ахметов А. Т., Телин А. Г. Глухов В. В., Мавлетов М. В. Движение эмулЬсий в щелевых и пористых структурах / Труды 12-го Европейского симпозиума «Повышение нефтеотдачи пластов». Казань, 2003.-С. 212-217.

П. Ахметов А.Т., Глухов В.В., Мавлетов М.В., Телин А.Г. Парадоксы, возникающие при течении инвертных водонефтяных дисперсий в каналах / Труды Математического центра имени Н. И. Лобачевского. «Актуальные проблемы математики и механики» (Материалы международной научной конференции), - Казань: Издательство Казанского математического общества. Т. 25., 2004, - С. 3536.

12. Ахметов А.Т., Мавлетов М.В., Телик А.Г,, Саметов С.П. Течение высоко кон центрированных обратных эмульсий в микроканалах / Труды международной конференции «Современные методы физико-математических наук», Орел, Т.2. - Орел: Издательство ОГУ, 2006. - С. 79-82.

13. А.Т. Ахметов, В.В, Глухов, М.В. Мавлетов, А.Г. Тслин Физические основы применения потокоотклоняющих технологий на базе инвертных дисперсий / Материалы III Всероссийской научно-практической конференции.,- Томск, Издательство института оптики атмосферы СО РАН,2004,-С. 13-17.

14. Ахметов А.Т., Мавлетов М.В. Массоперенос эмульсионных систем в элементах пористой породы / Сборник трудов XXVHI Сибирского теплофизического семинара. - Новосибирск, 2005, Электронная версия, статья № 011. - С. 1-8.

15. Саметов С.П., Мавлетов М.В. Экспериментальное изучение течений водонефтяных и водогексановых эмульсий в капиллярах / Научная конференция молодых ученых по механике сплошных сред «Поздеевские чтение». Сборник научных трудов. — Екатеринбург: УрО РАН, 2006-, С. 113-115.

16. Ковалева JI. А., Бочкарева И. В., Мавлетов М. В., Неравновесные и колебательные эффекты в процессах многокомпонентной сорбции в пористых средах / Научная конференция по научно-техническим программам Минобразования России: сборник статей и тезисов. 41, Баш госуниверситет. - Уфа, 2000. - С. 50-60.

17. Мавлетов М. В. Различные режимы адсорбции при фильтрации многокомпонентных систем / Сборник трудов региональной щколы-конференцин для студентов, аспирантов и молодых ученых по математике и физике: Том II -Физика. - Уфа: РИО БашГУ, 2003. - С. 137-142.

18. Ахметов А.Т., Глухов В.В., Мавлетов М.В., Саметов С.П. Запирание плоских и цилиндрических каналов при течении дисперсий типа жидкость-ж ид кость // Физико-химическая гидродинамика: Межвузовский научный сборник. Часть 2. - Уфа: РИО БашГУ, 2004. - С. 74-81.

Мавлетов Марат Венерович

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ЭФФЕКТОВ ПРИ ТЕЧЕНИИ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ В КАПИЛЛЯРАХ И ПОРИСТЫХ СТРУКТУРАХ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Лицензия на издательскую деятельность ЛРМ 021319 от 05.01.99г.

Подписано в печать 21.11.2006 г. Бумага офсетная. Формат 60x84/16. Гарнитура Times. Отпечатано на ризографе. Усл. печ. л. 1,03. Уч.-изд. л. 1,12. Тираж 100 экз. Заказ 836.

Редсисционно-шдателъский центр Башкирского государственного университета 450074, РБ, г: Уфа, ул. Фрунзе, 32.

Отпечатано на множительном участке Башкирского государственного университета 450074, РБ, г. Уфа, ул. Фрунзе, 32.

Введение

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Особенности сорбционных процессов из многокомпонентных 8 смесей

1.2. Адсорбция поверхностно-активных компонентов нефти в 18 пористых средах

1.3. Особенности течения дисперсных систем в капиллярах

1.4. Краткие выводы по обзору литературы

2. КОНКУРЕНТНАЯ АДСОРБЦИЯ ПРИ ТЕЧЕНИИ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ В 33 ПОРИСТОЙ СРЕДЕ

2.1. Экспериментальные исследования адсорбционных эффектов 33 при фильтрации дисперсных систем

2.2. Постановка задачи фильтрации дисперсной системы с учетом 36 конкурентной адсорбции компонентов

2.3. Качественный анализ уравнений кинетики адсорбции

2.4. Численное решение задачи динамики сорбции

3. ТЕЧЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ ТИПА «ЖИДКОСТЬ- 64 ЖИДКОСТЬ» В КАПИЛЛЯРАХ

3.1. Реологические свойства высококонцентрированных обратных 64 водонефтяных эмульсий

3.2 Течения высококонцентрированных обратных водонефтяных 69 эмульсий в капиллярах

3.3. Изменение структуры течения дисперсной системы типа 78 жидкость-жидкость в капилляре

3.4. Течения высококонцентрированных обратных водогексановых 82 эмульсий в капиллярах

3.5. Практическое применение эмульсий в нефтяной 88 промышленности

3.6. Математическое моделирование течения дисперсных систем 92 типа жидкость-жидкость в капиллярах

Актуальность темы. Многие технологические и природные процессы связаны с движением дисперсных систем, в частности, к ним относятся течение нефти и эмульсий в пористой среде. Развитая межфазная поверхность приводит к необходимости учета поверхностных явлений, а высокая объемная концентрация дисперсной фазы в дисперсионной среде обуславливает нелинейный характер взаимодействия компонентов дисперсной фазы между собой, дисперсионной средой и твердой поверхностью.

Экспериментальные исследования адсорбционных явлений при фильтрации высоковязких нефтей, которые можно рассматривать как дисперсные системы, где углеводородная часть является дисперсионной средой, а асфальто-смолистые вещества - дисперсной фазой, показывают наличие конкурентных эффектов, что приводит к нелинейному немонотонному распределению адсорбирующихся веществ на поверхности твердого тела, причем наблюдается взаимное влияние компонентов на степень адсорбции каждого из них. Для описания наблюдаемого эффекта требуется построение математических моделей сорбции, учитывающих взаимодействие компонентов между собой и конкуренцию за ограниченное число достижимых адсорбционных центров.

Водонефтяные эмульсии, образующиеся в различных процессах нефтедобычи и транспортировки нефтепродуктов, являются дисперсными системами типа жидкость-жидкость. Наиболее интересный класс представляют высококонцентрированные обратные водонефтяные эмульсии. При их течении в капиллярах и пористой структуре обнаруживается нелинейный эффект динамического запирания, который заключается в том, что течение жидкости, несмотря на постоянно действующий перепад давления, практически полностью прекращается. Наличие данного эффекта, по всей видимости, обуславливает успех применения водонефтяных эмульсий в потокоотклоняющих технологиях и в качестве жидкостей для глушения скважин.

Цель работы. Теоретические исследования влияния конкурентного характера адсорбции на процесс фильтрации многокомпонентной углеводородной смеси, изучение механизма динамического запирания обратных водоуглеводородных эмульсий в капиллярах путем экспериментального и математического моделирования.

Научная новизна Анализ устойчивости нелинейных уравнений кинетики адсорбции показал наличие различных типов колебаний концентраций адсорбированных компонентов.

В результате качественного исследования нелинейной модели, описывающей движение двухкомпонентной дисперсной фазы в пористой среде с учетом конкурентной адсорбции, показано наличие хаотических колебаний концентраций веществ в потоке, вызываемых колебаниями концентраций веществ в адсорбированном состоянии, которые наблюдаются в определенном диапазоне параметров.

При течении высококонцентрированных водогексановых эмульсий в капиллярах обнаружен нелинейный эффект динамического запирания, который заключается в том, что движение дисперсной системы типа жидкость-жидкость, несмотря на наличие постоянно действующего перепада давления практически полностью прекращается.

Представлены математические модели, которые описывают эффект запирания при течении дисперсных систем в капиллярах.

Достоверность результатов диссертации обусловлена использованием общих законов и уравнений механики сплошной среды при построении нелинейной математической модели двухкомпонентной адсорбции и сопоставлением с экспериментальными данными.

Достоверность экспериментальных измерений обусловлена использованием стандартных физических поверенных приборов и сравнением с результатами контрольных экспериментов по течению индивидуальных компонентов, слагающих дисперсную систему.

Практическая ценность заключается в теоретическом прогнозировании колебательных режимов адсорбции, что способствует более глубокому пониманию и описанию процессов, протекающих при движении высоковязких нефтей в пласте.

Обнаружение эффекта запирания для высококонцентрированных эмульсий различного состава дает возможность разработки новой теоретической базы для практического применения дисперсных систем типа жидкость-жидкость в потокоотклоняющих технологиях и технологиях глушения скважин.

Апробация работы Основные результаты, полученные в диссертационной работе, докладывались на региональных школах-конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых по физике и математике (Уфа, 2000-2005 г.), на Всероссийских научных конференциях студентов физиков и молодых ученых ВНКСФ-7 (Санкт-Петербург, 2001 г.), ВНКСФ-8 (Екатеринбург, 2002 г.), ВНКСФ-10 (Москва, 2004 г.), Международной конференции «Нелинейный динамический анализ 2» (Москва, 2002 г.), Международной конференции «Прикладная Синергетика II» (Уфа, 2004 г.), международной конференции «Потоки и структуры в жидкостях» (Москва, 2005 г.); 21м Международном конгрессе по теоретической и прикладной механике ЮТАМ, (Польша, 2004 г.), IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Нижний Новгород, 2006).

Публикации Основное содержание диссертации отражено в 37 публикациях, из них 3 научные статьи в центральной печати. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 113 страниц текста, включая 61 рисунок, 3 таблицы и список литературы из 95 наименований.

1. Абдурагимова Л.А., Ребиндер П.А., Серб-Сербина Н.Н. Коллоид,журнал.Т.27№3,1955 с. 184

2. Ананенков А.Г., Ставкин ГЛ., Лобастова А, Хабибуллин И.Л. Экологические основы землепользования при освоении и разработкегазовых и газоконденсатных месторождений Крайнего Севера. - М.:0 0 0 «Недра-Бизнесцентр», 2000. - 316 с.

3. Анищенко В. Сложные колебания в простых системах. - М.: Наука, 1990.-312 с.

4. Аранович Г. Л. //ЖФХ, 1987, №12.

5. Аранович Г. Л. //ЖФХ, 1988, №11.

6. Аранович Г. Л. //ЖФХ, 1989, №3.

7. Ахметов А., Михальчук Т., Решетников А., Хакимов А, Хлебникова М., Телин А. «Физическое моделирование фильтрации водонефтяныхэмульсий в пористой среде». Вестник инжинирингового центраЮКОС. №4. 2002 г. 25-31

8. Баренблатт Г.И., Ентов В.М., Рыжик В.М. Теория нестационарной фильтрации жидкости и газа. М.: Недра, 1979,288 с.

9. Басниев К.С., Дмитриев Н.М., Розенберг Г.Д. Нефтегазовая гидромеханика: Учебник для вузов. - Москва-Ижевск: Р1нституткомпьютерных исследований, 2003,480 с.

10. БИКС0Н Я. М. Динамика сорбции двух компонентов нефти из смеси // ЖФХ, Т.28, №6,1954. 1017-1024.

11. Бондалетов В.Г., Троян А.А., Чернов Е.Б., Банникова Е.В., Дмитриева З.Т. Адсорбция газообразных углеводородов на поверхностимодифицированных нефтеполимерных смол // Журнал прикладнойхимии, Т.78, ВЫП.2., 2005, с. 245-248.

12. Бочкарева И. В, Ковалева Л. А. Колебательные режимы адсорбции при фильтрации многокомпонентных систем // ПММ, Т.67, Вып. 1, 2003. 81-87.П.Брунауэр Адсорбция газов и паров. Неревод с англ.-М.,Гостоптехиздат, 1948.-781 с.

13. Вольтерра В. Математическая теория борьбы за существование. - М.:Наука, 1976.-184С.

14. Герасимов Я. И. и др. Курс физической химии. Т1.М.: Госхимиздат, 1963.-624 с.106

15. Гиматудинов Ш.К., Ширковский А.И. Физика нефтяного и газового пласта. - М.: Недра, 1982,311с.

16. Громов Ю. А. Решение уравнений неравновесной фронтальной га- компонентной динамики сорбции для ленгмюровских изотерм смеси.//ЖФХ, 1993,№12.

17. Данилов В.Г., Логинов A.M., Лукашев Е.М. Нелинейные волны концентрации в задачах сорбции // Математическое моделирование,Т.12,№8,2000,С.107-126.

18. Добычин Д. Н., Каданер Л. И., Серпинский В. В. и др. Физическая и колоидная химия. - М.:Нросвещение, 1986. - 463 с.

19. ДОЛГОНОСОВ Б.М. Теор. основы хим. технол., 35,465 (2001)

20. ДОЛГОНОСОВ Б.М. Теор. основы хим. технол., 36, 592 (2002)

21. Калиничев А.И. Инженерно-физический журнал, 42,488,1982

22. Калиничев А.И. Теоретические основы химических технологий, 18, 468,1984ЗО.Калиничев А.И. Нелинейная теория многокомпонентной динамикисорбции и хроматографии // Успехи химии, Т. 65, № 2, 1996, с. 103-124..

23. Ковалева Л. А., Ишмурзина Н. М. /ЛГез.докл. Инст-та механики и матем. АН Азерб. ССР.Баку, 1990, 74-75.107

24. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. 6. Гидродинамика. Физматлит, Москва, 2003

25. Лоскутов А. Ю., Михайлов А. Введение в синергетику. - М.гНаука, 1990.-272 с.

26. Лютин Л. В., Олейник И. Н. Адсорбция асфальтенов кварцем. Тр. ВНИИ, вып. 16,1962, 78-80.

27. Мавлетов М. В. Математическое моделирование процессов конкурентной сорбции с учётом неравновесных эффектов // Сборниктезисов ВНКСФ-7. - -Нетербург, 2001. 315-317.108

28. Мавлетов М. В. Качественное исследование модели конкурентной сорбции // Сборник тезисов ВНКСФ-8. - Екатеринбург, 2002. 320-321.

29. Мавлетов М. В. Исследование параметрического нортрета системы, описывающей процесс конкурентной сорбции // Региональная щкола-конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых поматематике и физике. Тезисы докладов. Уфа, 2002. 62

30. Мартиросян Г.Г., Манукян А.Г., Овсепян Э.Б., Костанян К.А. Исследование адсорбционно-структурных свойств природных иобработанных диатомитов // Журнал прикладной химии, Т.76, вып.4.,2003, с. 551-555.

31. Мархасин И. Л. Физико-химическая механика нефтяного пласта. - М.:Недра, 1977.-215С.

32. Милешина А. Г., Калинко М. К., Сафонова Г. И. Изменение нефтей при фильтрации через породы. - М.:Недра, 1983. - 175 с.

33. Мирзаджанзаде А.Х., Хасанов М.М., Бахтизин Р.Н. Этюды о моделировании сложных систем нефтедобычи. Нелинейность,неравновесность, неоднородность. - Уфа: Гилем, 1999, - 464 с.

34. Мусабиров М.Х. Технологии обработки призабойной зоны нефтяного пласта в процессе подземного ремонта скважин. - М.: ОАО«ВНИИОЭНГ», 2002. - 224 с.

35. Мухаметзянов Р.Н., Сафин Г., Каюмов Л.Х. Промысловые испытания эмульсионных композиций для выравнивания профиля приемистостинагнетательных скважин // Геология, геофизика и разработканефтяных месторождений, 1999, >Г24, с. 30-33.

36. Муравленко СВ. и др. Разработка нефтяных месторождений. Т.З. М.: ВНИИОЭНГ, 1994.-149 с.

37. Николаевский В. Н., Бондарев Э. А., Миркин М. И. и др. Движение углеводородных смесей в пористой среде. - М.:Недра, 1968. - 192 с.109

38. Орлов Г.А., Кендис М.Ш., Глущенко В.Н. Применение обратных эмульсий в нефтедобыче. М.: Недра, 1991,224 с.

39. Патанкар Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. - М.: Энергоатомиздат, 1984.- 150с.

40. Ребиндер П.А. Избранные труды. Наука, Москва, 1979

41. Ролдугин В.И., Кирш А.И., Стечкина И.Б. Диффузия и осаждение частиц в неоднородных пористых средах // ЖФХ, Т.79, №5, 2005, 889-894.

42. Самарский А. А. Теория разностных схем. - М.:Наука, 1983. - 616 с.

43. Самонин В.В. Слуцкер Е.М. Кинетика адсорбции паров органических растворителей на фуллереновых сажах // Журнал физической химии,т.79,№1,с.95-99.

44. Самонин В.В. Слуцкер Е.М. Адсорбционная способность фуллереновых саж по отношению к адсорбатам различной природы изгазовой фазы // Журнал физической химии, т.79, №1, с. 100-105.

45. Сафиева Р.З. Физикохимия нефти. М.: Химия, 1998. - 448 с.

46. Тарасевич Ю.И., Бондаренко СВ., Брутко В.В., Жукова А.И., Малыш Г.Н., Полякова И.Г. Адсорбционные свойства природных углеродныхадсорбентов и терморасширенного графита // Журнал прикладнойхимии, Т.76, вып. 10., 2003, с. 1619-1624.

47. Тимофеев Д.П. Кинетика адсорбции. М.: Изд-во АН СССР, 1962,252 с.

48. Толмачев A.M., Годовиков И.А. К вопросу о создании компьютерного банка данных по адсорбции //Вестник московского университета.Сер.2. Химия, Т.42, №4, с.241-244.бб.Уилкинсон У.Л. Неньютоновские жидкости. - М.: Мир, 1964, - 216 с.

49. Урьев Н.Б. Коллоид, журнал., 60 (5), 662 (1998)

50. Урьев Н.Б. Физико-химические основы технологии дисперсных систем и материалов. Химия, Москва, 1988

51. Урьев Н.Б., Потанин А.А. Текучесть суспензий и порошков. Химия, Москва, 19927О.Урьев Н.Б.. Успехи химии, 73,39 (2004)

52. Урьев Н.Б., Кучин И.В. Моделирование динамического состояния дисперсных систем // Успехи химии, Т. 75, № 1,2006, с. 36-63.

53. ФИЛЛИПОВ Л.К., Филлипова И.В. О модельных уравнениях кинетики физической адсорбции однокомпонентных смесей при коэффициентахвнутренней диффузии, зависящих от концентрации // ЖФХ, 1986, т.60,№12, с. 3053-3060.

54. Филлипов Л.К., Филлипова И.В. О модельных уравнениях кинетики физической адсорбции многонокомпонентных смесей прикоэффициентах внутренней диффузии, зависящих от концентрации //ЖФХ, 1986, т.60, №12, с. 3061-3068.

55. ФИЛЛИПОВ Л.К., Филлипова И.В. О модельных уравнениях изотермической динамики адсорбции смесей в недеформируемойпористой среде // ЖФХ, 1987, т.61, №7, с. 1866-1874.111

56. ФИЛИППОВ Л. К., Фролова И. Н., Филиппова И. В. Динамика адсорбции при повышенных значениях концентрации компонентов смеси. //ЖФХ,1989, Т.63,№1.-С. 146-153.

57. Франк-Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. - М.:Наука, 1987. - 425 с.

58. Хакен Г. Синергетика: Иерархии неустойчивостей в самоорганизующихся системах и устройствах. - М.: Мир, 1985,424 с.

59. Хаппель Дж., Бреннер Г. Гидродинамика при малых числах Рейнольдса. Мир, Москва, 1976

60. Чапайкина А. Исследование физико-химических свойств адсорбированных пленок с целью разработки профилактическихпокрытий // Дис. Канд. Тех. Наук, Уфа, 1982. - 240 с.8О.Шкилев В. П. Модификация изотермы Арановича // ЖФХ, Т.76, N^2,2002. 325-330.

61. Akhmetov А., Telin А., Glukhov V., Mavletov М. Flow of Emulsion through Slot and Pore Structures. Advances in Incremental PetroleumProduction // Progress in Mining and Oilfield Chemistry. Vol. 5. AkademiaiKiado. Budapest. 2003. P. 287-29

62. Basmadjian D., Coroyannakis P., Karayannopoulos C. Chem.Eng.Sci., 42,1752(1987)

63. Demiy D.A.,Brodkey R.S. //. Appl. Phys., 33,2269 (1962)

64. Hellferich F., Klein. G. Multicomponent Chromotagraphy. Theory of Interference. Marcel Dekker, N.Y., 1970

65. Katti A., Guiochon G. J.Chromatogr., 499,21 (1990)

66. Krieger. I.M. Adv. Colloid Interface Sci., 3,111 (1972)

67. LeVan M.D., Vermeulen T. J.Phys.Chem., 85,3247 (1981)

68. Ma Z., Katti A., Lin В., Guiochon G.. J.Phys. Chem., 94,6911 (1990)

69. Mooney. M. J. Colloid Interface Sci., 6,584 (1951) 112

70. Ogawa A., Yamada H., Matsuda S., Okajima K., Doi M.. J. Rheol, 41,769(1997)

71. Qiao S., Hu X. Binary adsorption kinetics of ethane and propane in a large heterogeneous microporous particle // Separation and PurificationTechnology 1999,16, pp. 261-271

72. Qiao S., Wang K., Hu X. Study of binary adsoфtion equilibrium of hydrocarbons in activated carbon using micropore size distribution //1.angmuir 2000,16, pp. 5130-5136

73. Shaф V. Kendra, Adrian J. Ronald. Shear-induced arching of particle-laden flows in microtubes // CD-ROM Proceedings of 2001 ASME InternationalMechanical Engineering Congress and Exposition, November 11-16, 2001,New York.

74. Wurster D.E., Alkhamis K.A., Matheson L.E. Prediction of adsorption from multicomponent solutions by activated carbon using single-soluteparameters // AAPS PharmSciTech, 2000 1(3), article 25.