Исследование поглощения электромагнитного излучения в нефтяных средах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

ГГ6 од

/ 6 [?:пл 1993

На правах рукописи

ФАДЕЕВ Александр Михайлович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГЛОЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В НЕФТЯНЫХ СРЕДАХ

01.04.14 — теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Тюмень 1998

Работа выполнена на кафедре механики многофазных систем Тюменского государственного университета и в Институте механики многофазных систем Сибирского отделения Российской Академии наук

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ:

доктор физико-математических наук, профессор А. А. Кислицын кандидат физико-математических наук, с. н. с. А. Т. Ахметов

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

академик РАЕН, член-корр. АН РБ, доктор физико-математических наук, профессор Ф. Л. Саяхов доктор физико-математических наук, профессор А. Г. Кутушев

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

Тюменский нефтегазовый университет

Защита состоится . ¿с А^7/^^ 1998 г. в час. на

заседании диссертационного совета Д 064.23.01 при Тюменском государственном университете по адресу: 625003, г. Тюмень, ул. Перекопская, 15а, ауд. 118 физического факультета

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменского государственного университета

Автореферат разослан ис&Я_ 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к. ф.-м. н., с. н. с.

1 Н. И. Куриленко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Изучение свойств различных веществ методом диэлектрической спектроскопии является актуальной задачей для различных областей науки: физики и химии поверхности, физики диэлектриков, молекулярной физики, коллоидной химии, биофизики, геофизики и т. д. Особый интерес представляет исследование областей релаксации диэлектрических параметров, из которых можно выявить природу и механизмы поляризации, а следовательно, и описать те или иные процессы. При этом нужно иметь в виду, что молекулярные и макроструктурные теории приводят к тождественным видам дисперсионной формулы, поэтому формы кривых дисперсии и поглощения еще не дают никакой информации о механизме. Однако для расшифровки наблюдаемых в эксперименте частотных зависимостей они необходимы.

В настоящее время имеется большое количество работ, в которых исследованы области релаксации различных веществ и предложены модели их описания. Нефтяные среды, к которым относятся водонефтегазонасыщенная порода, нефть и ее фракции, водонефтяная эмульсия, представляют собой многокомпонентные сложные системы, что вносит определенные сложности при проведении измерений и интерпретации полученных результатов. Поэтому к настоящему времени недостаточно полно исследованы основные закономерности поведения нефтяных сред в переменном поле.

Исследование поглощения электромагнитного излучения в нефтяных средах актуально также в различных технологических процессах добычи, транспорта и переработки нефти и нефтепродуктов. Как известно, одним из перспективных тепловых методов, способствующих существенному увеличению притока нефти к скважине, является высокочастотный электромагнитный нагрев пласта, приводящий к многократному уменьшению вязкости нефти. Эта же технология может успешно применяться для предупреждения и ликвидации различного вида отложений, которые возникают на поверхности скважин и трубопроводов. Для выбора оптимальных параметров электромагнитного излучения (мощности, частоты), при которых наблюдается наибольшая эффективность прогрева, необходимо знать не только теплофизические, но и электрофизические свойства нефтяных сред в зависимости от частоты, температуры, давле-

йия, водонефтенасыщенности и других факторов, так как они определяют эффективность нагрева. Однако если теплофизиче-ские свойства исследованы достаточно хорошо, то электрофизические свойства изучены недостаточно. Результаты электрофизических измерений применяются также для диэлькометрических методов анализа: определения влажности и солесодержания нефтей и нефтепродуктов, эффективности действия различных химреагентов, прогнозирования поведения нефтяных дисперсных систем и т. д.

Поглощение, электромагнитных волн происходит не только в диэлектрической среде, но в стенках передающей линии. Для нагрева пласта и отложений в качестве линии передачи используют, как правило, саму скважину. Однако в реальности скважина представляет собой нерегулярную линию передачи, что связано с ее поперечно-продольной неоднородностью. Поэтому определение затухания в такой линии передачи расчетным путем является приблизительным.

Целью работы является экспериментальное исследование поведения электрофизических параметров нефтяных дисперсных сред (высоковязких и высокопарафинистых нефтей, их водонефтяных эмульсий, водонефтенасыщенных пород) в широкой области частот, температур и влажностей методами диэлектрической спектроскопии; изучение влияния температуры и влажности на параметры диэлектрической релаксации, позволяющее описать основные закономерности поглощения электромагнитного излучения в этих средах; экспериментальное изучение особенностей распространения и поглощения высокочастотного электромагнитного излучения в модели скважины с парафиновыми отложениями.

Научная новизна работы:

1. Впервые измерены электрофизические параметры высоковязких и высокопарафинистых нефтей некоторых месторождений Тюменской области, республики Коми, Казахстана и Вьетнама в зависимости от частоты, и температуры; их водонефтяных эмульсий в зависимости от содержания воды; песка при разной водонефтенасыщенности.

2. В исследованных средах в диапазоне радиочастот экспериментально обнаружены области релаксации диэлектрических параметров и установлены закономерности поведения электрофизических параметров различных нефтяных дисперсных сред в широких диапазонах частот, температур и влажностей. При этом показано:

а) зависимость комплексной диэлектрической проницаемости е*((й) высоковязких нефтей от частоты описывается либо обобщенной моделью диэлектрической релаксации Гаврильяка-Негами, либо моделью Коула-Коула. С ростом температуры некоторые релаксационные параметры нефтей изменяются и при высоких температурах е*(со) для всех нефтей описывается моделью Коула-Коула.

б) зависимость комплексной диэлектрической проницаемости е*(©) эмульсии высоковязкой нефти Русского месторождения от частоты описывается также обобщенной моделью диэлектрической релаксации Гаврильяка-Негами. С ростом концентрации воды релаксационные параметры эмульсии изменяются, и при концентрациях воды свыше 20% е*(со) описывается моделью Коула-Коула, свыше 60% — моделью Дебая.

в) зависимость комплексной диэлектрической проницаемости 8*(ю) водонефтенасыщенных пород от частоты описывается правилом т-степени. С ростом влажности пород релаксационные параметры увеличиваются.

4. Определены молекулярные и энергетические параметры исследованных высоковязких нефтей, значения которых используются для асимптотического описания поведения поглощения электромагнитного излучения в широких диапазонах частот, температур, влажностей и поведения реологических параметров этих нефтей в зависимости от температуры.

5. Обнаружено существенное различие показателей поглощения электромагнитных волн, полученных опытным и расчетным путем.

Практическая ценность:

1. Результаты измерений электрофизических и реологических параметров нефтяных дисперсных сред использованы для расчета оптимальных параметров (мощности, частоты) электромагнитного излучения при математическом моделировании высокочастотного нагрева призабойной зоны скважины, насыщенной высоковязкой нефтью Русского месторождения, и при плавлении высокопарафинистой нефти месторождения "Белый тигр" (Вьетнам) из трубопровода.

2. Результаты измерений электрофизических параметров нефтяных дисперсных сред могут быть использованы для получения информации о составах, размерах структурных образований, фазовых переходах в этих средах и об изменении этих структур при тепловых воздействиях, для установления опти-

мальных частот электромагнитного поля при диэльгеометрическом методе определения влажности высоковязких нефтей.

3. При измерениях диэлектрических параметров веществ методом куметра на частотах свыше 3 МГц необходимо учитывать обнаруженную зависимость паразитной емкости двухэлек-тродной измерительной ячейки от величины диэлектрической проницаемости.

4. Установлена существенная зависимость поглощения высокочастотных электромагнитных волн в коаксиальных линиях передачи от состояния их поверхности (шероховатости и наличия окисного слоя).

5. Продемонстрирована ликвидация парафиновых отложений в лабораторной модели скважины энергией сверхвысокочастотного электромагнитного излучения.

Достоверность результатов экспериментальных измерений проверялась тестовыми измерениями температурной и частотной зависимости диэлектрической проницаемости е' и тангенса угла диэлектрических потерь tgS химически чистых жидкостей. Отклонение данных для е' не превышало 2%, а для tgS — 5% от данных, полученных авторитетными авторами. Кроме того, при анализе полученных результатов наблюдалось качественное и количественное согласие с результатами, полученными другими авторами на подобных, но других нефтяных средах.

Апробация работы. Основные результаты, полученные в диссертационной работе, докладывались на научных семинарах по механике многофазных сред (ТО ММС ИТ СО АН СССР, ИММС СО РАН, Тюмень, 1990-1997), на школе-семинаре по проблемам трубопроводного транспорта (ВНИИСПТнефть, Уфа, 1990), на VII Европейском симпозиуме по повышению нефтедобычи (Москва, 1993), на международной конференции по проблемам комплексного освоения трудноизвлекаемых запасов нефти и природных битумов (Казань, 1994), на международной научно-технической конференции "Нефть и газ Западной Сибири" (Тюмень, 1996), на Всероссийской научно-практической конференции "Тюменская нефть — вчера и сегодня" (Тюмень, 1997).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 21 работе, список приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 184 страницы, включая 57 рисунков, 8 таблиц и список литературы из 121 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность проблем, рассматриваемых в диссертации; сформулированы цель, основные задачи и новизна работы; а также практическая значимость результатов исследований.

В первой главе изложены разлйчйые физико-химические способы повышения эффективности добычи и транспорта неньютоновских нефтей и показано преимущество высокочастотного электромагнитного нагрева по сравнению с другими тепловыми методами. Приводятся общие закономерности поглощения высокочастотного электромагнитного излучения в многофазных средах, основанные на особенностях поведения их электрофизических параметров в переменном электромагнитном поле. Рассмотрены физические процессы в диэлектрических материалах, находящихся в переменном поле, основные модели диэлектрической релаксации, которые могут проявляться в гомогенных и гетерогенных средах.

Во второй главе приведен обзор литературных данных по поведению электрофизических свойств материалов нефтяной технологии (нефтей, водонефтяных эмульсий, водонефтенасы-щенных пород) в зависимости от частоты, температуры, влажности и давления. Показано, что для нефтей и водонефтяных эмульсий наблюдается частотная зависимость диэлектрических параметров, обусловленная дипольно-ориента-ционной поляризацией полярных высокомолекулярных компонентов нефтей (асфальтенов и смол) и поверхностной поляризацией на границе раздела фаз нефть-вода. При этом в цитируемых работах предполагается, что зависимость комплексной диэлектрической проницаемости нефтей и эмульсий от частоты подчиняется модели Дебая, но не доказывается. Для водонефте-насыщенных пород также обнаружена частотная зависимость диэлектрических параметров, но не приводится модель их описания.

В третьей главе с целью описания поглощения высокочастотного электромагнитного излучения в нефтяных дисперсных средах экспериментально исследуются их электрофизические свойства в зависимости от частоты, температуры, водонасыщен-ности. Измерения проводились с использованием мостов переменного тока ВМ 559 и Е7-12, измерителей добротности ВМ 560 и Е4-11, измерителей комплексных коэффициентов передачи Р4-11 и Р4-38, которые в целом охватывают диапазон частот от

1 кГц до 5 ГГц. Здесь же приводятся методики и описание установок, с помощью которых измерялись электрофизические параметры. Значительная часть измерений была выполнена на измерителе добротности ВМ 560 (диапазон частот 50 кГц — 35 МГц), а также на мостах переменного тока ВМ 559 (частота 1 кГц) и Е7-12 (частота 1 МГц) с использованием двухэлектрод-ной измерительной ячейки (цилиндрического конденсатора). При использовании таких устройств основным является расчет и разработка соответствующей конструкции измерительного конденсатора, обеспечивающего измерения в требуемом диапазоне частот. Диэлектрические параметры вычислялись по формулам:

с' —

С"! ~ С; - Сп

гдЗ =

(^(ЗДС^-С,) '

(1)

где С 2 и С г — емкости колебательного контура до и после подключения измерительного конденсатора Сх (рис.1 а), (¡1 и (¿2 — добротности колебательного контура с пустым и заполненным конденсатором, С0 и Сп — рабочая и паразитная емкости конденсатора. Для данной конструкции конденсатора рабочая емкость составила С0 = 11,185 пФ, а паразитная емкость на частотах свыше 3 — 10 МГц увеличивалась не только с ростом частоты, но и с ростом е' (рис. 16). Это связано, очевидно, с зависимостью влияния краевых эффектов от величины £'. С учетом этих поправок точность измерений для е' и tg5 в диапазоне частот от 50 кГц до 10 МГц составила соответственно 2% и 5%, а свыше 10 МГц соответственно 5% и 10%.

С„

20 15 10 5

1-е'-2

2-е' = 20

№

Рис. 1. Схема измерителя добротности (а) и зависгииостпъ паразитной емкости измерительного конденсатора от частоты при разных е' (б)

Описанными выше методами исследовались нефти различных месторождений, эмульсии высоковязких, высокопарафини-стых нефтей и парафинов, водонефтенасыщенного песка. В результате в вязких и высоковязких нефтях, в эмульсиях высоковязких нефтей и парафинов, в водонефтенасыщенном песке были обнаружены области дисперсии диэлектрических параметров. В качестве примера на рис. 2 приведены результаты экспериментальных зависимостей е' и некоторых неф-

тяных дисперсных сред. Для нефтей, как было установлено И. М. Свансоном, Ф. Л. Саяховым и др., в радиочастотном диапазоне дисперсия г' и поглощение tg5 связаны с дипольно-ориентационной поляризацией полярных высокомолекулярных соединений (асфальтенов и смол). Значения г' и е" (в максимуме) отличаются для разных нефтей, что связано с разной концентрацией полярных соединений (рис. 2 а и б). Для одинаковых по размеру диполей а время релаксации т (положение максимума е") определяется только вязкостью растворителя г|:

г = 4ща3/кТ , (2)

Поэтому были проведены реологические измерения нефтей на ротационном вискозиметре Нео1ез1 2, которые показали, что при 20 °С нефти Русского и Ван-Еганского месторождений имеют приблизительно одинаковые вязкости (около 0,5 Па-с), а вязкость Лыа-Ельской нефти равна 9 Па-с. Для высоковязких нефтей при небольших скоростях сдвига проявляются неньютоновские свойства, а вязкость уменьшается с увеличением скорости сдвига, что объясняется разрушением их пространственных структур.

Для эмульсии Русской нефти также наблюдается дисперсия г' и резонансный характер г" в зависимости от частоты. При этом в эмульсии возникает дополнительная поляризация поверхности раздела фаз, которая при повышенных концентрациях воды значительно превышает дипольно-ориентационную поляризацию полярных компонентов нефтей. Эта поляризация имеет место не только в полярных, но и неполярных средах, например, в эмульсии воды в октадекане, которая также исследовалась в работе. Для водонефтенасыщенного песка уменьшение е" с ростом частоты связано с уменьшением потерь проводимости, а дисперсию в' можно связать с частотной зависимо-

стыо поверхностной проводимости и диэлектрический проницаемости дисперсной фазы (рис. 2 д и е). .

8 6 4

2

1 - сухой песок 2,3, 4 - еодонеф-теиасищенний , песок

сдхиарозд^в-

3 4 5 6 7 ДО

3 4 8 6 7 ДО

2-10 % воды и нефти;

3-10 % води и 20 % нефти;

4-20 % води и

7 ДО

7 ДО

Рис. 2. Частотные зависимости е' и е" для высоковязких нефтей Русского (1), Ван-Еганского (2), Лыа-Ельского (3) месторождений (а, б), для эмульсии нефти Русского месторождения при разных концентрациях воды в % объемн. (в, г) и песка, насыщенного Русской нефтью, при разных концентрациях воды и нефти (д, г)

и

В четвертой главе исследуется диэлектрическая релаксация в высоковязких нефтях Русского, Ван-Еганского и Лыа-Ельского месторождений, в эмульсии нефти Русского месторождения и водонефтенасыщенных I породах. Для описания поведения диэлектрических параметров^.высоковязких нефтей от частоты была взята обобщенная модель диэлектрической релаксации Гаврильяка-Негами. Согласно этой модели зависимости е*, е' и е" от частоты представляются в виде выражений:

о уш) - сх -г I - ^ ~ /"»

= г"г/ 2(е, - ех) зтув + <т/со£0 ,

(4)

(5)

где

г =

в = агНд

|з + (ют0)'~1> згп [5л!2|2 + |(й)г„)гсох (о}т0)' Р со$Рж!2

(7)

(6)

1 + (а)г0)'^

х0 — наиболее вероятное время релаксации; е3 и — пределы е' соответственно при ш—>0 и со—>со; а — сквозная проводимость; Р и у — параметры, характеризующие соответственно ширину и асимметрию спектра времен релаксации, их значения лежат в пределах: 0<Р<1, 0<у<1. При у=1 модель Гаврильяка-Негами переходит в модель Коула-Коула с симметричным спектром времен релаксации. При Р=0 и у=1 модель переходит в модель Дебая с одним временем релаксации. Таким образом, формулы (4) и (5) содержат шесть параметров: е5, е«,, т0, а, Р и у, которые характеризуют процесс диэлектрической релаксации. В определении этих параметров и заключалась цель обработки экспериментальных данных. Процедура обработки заключалась в подборе на компьютере по определенному алгоритму такого набора указанных выше параметров, при котором модельные зависимости (3) — (5) наилучшим образом соответствовали экспериментальным точкам, как это принято в методе наименьших квадратов. Для сравнения качества соответствия различных кривых (например, е' и е") бралась не сама остаточная дисперсия, а критерий Фишера. Алгоритм обработки экспериментальных данных по формулам (3) — (5) разработан А. А. Кислицыным, а вычисления выполнялись методом покоординатного спуска. На первом этапе обрабатывались зависимости е', е" и а для трех высоковязких нефтей при разных температурах. Результаты обработки представлены на рис. 2. Как видно, модельные зависимости (4) — (5) для нефтей достаточно хорошо описывают экспериментальные результаты.

На втором этапе исследовались температурные зависимости £<;, т0) о, р, у (рис. 3), а также вязкости т| для нефтей и их связь с молекулярными параметрами. При этом использовались формула (2) и следующие известные формулы:

(8)

о- = <гв ехр(~ Еа/ПТ) , ехр[Е„/й(т - Т,)] .

Необходимо отметить, что формула (2) не может быть использована для определения абсолютного размера диполей, т. к. время релаксации зависит от формы частиц и взаимодействия диполей, а а зависит от природы растворителя и растворенного вещества. В работе эта формула использовалась для определения отношения плотности нефти р к ее молекулярной массе М. Для оценки размеров диполей были проведены измерения дисперсности нефти Русского месторождения в нейтральном растворителе (смесь гептана с толуолом) методом све-торассеивания. В результате получено, что величина а составляет менее 200 А.

Анализируя зависимости Р и у от температуры, было установлено, что для всех нефтей Р(Т) хорошо аппроксимируется зависимостью вида:

^ехр^/н^Г-Т,)], (9)

а у{Т) для нефти Русского месторождения хорошо аппроксимируется (за исключением последней точки при Т = 90 °С) зависимостью:

Г=егр[с(2-/?('Г))], (10)

где параметр С определяется усреднением отношения

а = ыг/(1-А). (И)

Формула (10) пригодна и для нефти Ван-Еганского месторождения, если положить С = 0. Для нефти Лыа-Ельского месторождения точность аппроксимации значительно хуже. Формула (9) предсказывает монотонное увеличение ширины спектра с

ростом температуры (/7 —> 1, при Т -> со), и уменьшение ширины спектра при стремлении Т к Тр (при этом у9->0).

е5+2 0,45

0,4

0,35

0,3

о- г

Л 2

1

1пт,, -10

2 2,5 3 Ю3/Т, К"1

2 2,5 3 103/Т, К"1

1по -18 -20 -22 -24

X К

V

V Ч/

\

2 2,5 3 «Лт.К*1

0,8 0,6 0,4 0,2 0

2 2,5 3 103/Т, К"1

0,8 0,6 0,4 0,2 0

ЯХУГТУУ 2

3

□ э

X ъ-

2 2,5 3 ю3/Т, 1С1

Рис. 3. Зависимости параметров релаксации от температуры для высоковязких нефтей. 1 — Русская, 2 — Ван-Еганская, 3 — Лыа-Елъская

Молекулярные и энергетические параметры высоковязких нефтей, полученные в результате второго этапа обработки экспериментальных данных ___ Таблица

Параметр Русская нефть Ван-Еганская нефть Лыа-Ельская нефть

Средний радиус ассоциатов а, А 10.1+1.0 7.010.3 1211.7

Средняя упругая Поляризуемость

а -Ю27 , м3 3.0±1.1 1.410.3 5.910.7

Средний дипольный момент

р„10м, к-м 1312 7.210.8 2010.5

Энергия активации электропровод-

ности Еа, МДж/кмоль 42.510.3 48.410.3 85.710.8

Высокотемпературный предел элек-

тропроводности с«, Сим/м (5.61+0.08)-10"2 3.5510.04 (4.32+0.07)-105

Энергия активации вязкости, Еп,

МДж/кмоль 11.110.6 38.313.5 13.511.4

Высокотемпературный предел вяз-

кости 1Пас (9.810.6)-10~6 (6.3+0.05)-10"6 (1.410.2)-10"5

Температура Т„, °С -101.711.5 ' -23315 -101.512.5

Энергия активации времени

релаксации Е„ МДж/кмоль 67.6 62.8 '76.1

Высокотемпературный

предел Тощ 10~18 с 1.86 3.87 1.39

Энергия активации параметра ши-

рины спектра релаксации Ер,

МДж/кмоль 0.4010.04 0.4310.02 0.1610.03

Температура Тр, °С -10.710.5 -89.610.3 -8.110.7

Параметр й -1.51 0.0 -0.34

Высокочастотный предел 2.26810.061 2.34510.041 2.66510.044

При Т <Тр формула (9) теряет смысл, что указывает на ограниченную область ее применения.

Результаты второго этапа обработки (энергетические и молекулярные параметры), представленные в таблице, дают возможность описать поведение электрофизических параметров исследованных нефтей в широком диапазоне частот и температур.

Далее в четвертой главе исследуется диэлектрическая релаксация в эмульсии рефти Русского месторождения. Для описания поведения диэлектрических параметров использовалась также модель Гаврильяка-Негами (3) — (5). Обработка экспериментальных результатов выполнялась аналогичным образом, как и для нефтей. Результаты обработки приведены на рис. 2 (в, г)

сплошной линией и на рис. 4. Для нефтяной эмульсии с ростом концентрации воды в нефти до 10% увеличивается ширина спектра времен релаксации, что объясняется возникновением новой поляризации на границе раздела фаз нефть-вода. Это приводит к размыванию общего максимума е".

Проводимость эмульсии до этой концентрации резко увеличивается, а затем растет более медленно. При концентрации воды в нефти свыше 20% возникают агломераты диспергированных капель воды, наблюдаемых под микроскопом. Это приводит к увеличению времени релаксации. Максимум е" становится при этом уже, и исчезает асимметрия спектра времен релаксации (у=1). С практической точки зрения более интересно знать изменение е' от содержания воды в нефти, потому что на этом принципе основан диэлькометрический метод определения влажности нефти и нефтепродуктов. Йз рис. 4 видно, что величина и характер изменения е' зависят не только от содержания воды, но и частоты, на которой проводится измерение. С ростом концентрации воды нелинейность в поведении г' связана с взаимной поляризацией капель воды, а е3 чувствительна к возникновению агломератов капель воды. Для данной эмульсии проанализировано поведение е5 и е„ от влажности и было установлено, что ни одна из имеющихся в литературе формул не описывает их поведение в широком диапазоне концентраций.

о

-а

о

20 40 <*. %

0 20 40 а. %

1па

-14

-11

0

0 20 40 а, */• 0 20 40 а. %

Рис. 4. Зависимости параметров релаксации эмульсии нефти Русского месторождения от объемной концентрации воды при Т = 20 С

е5 достаточно хорошо описывается формулой Бруггемана до 25% концентрации воды:

(12)

е2 — е1 V е ^

и формулой Арамяна до 35% концентрации воды:

2е, + е, + ще? - £, ) е —- п у !>, (13)

щ +£г- 2а\ег - е1 )

£,л до 20% концентрации воды хорошо описывается формулой Пиекара:

+ а(£

е2 + 2 - а{£г - ь)

Для описания диэлектрических свойств водонефтенасыщен-ных пород было взято правило т-степени для распределения времен релаксации. Согласно этой модели, зависимости £*, е' и б" от частоты электромагнитного поля могут быть представлены в виде соотношений:

е ^еа+А{гсо) т, (15)

= + Асо«(ят/2)йГт, (16)

е" = А8т(лт/2)со'т , (17)

е"1{е' - е3) = ^ят/2) , (18)

где А и т — эмпирические константы.

По данной модели были обработаны результаты е' и е" песка, насыщенного Русской нефтью (рис. 2 д и е), при разных концентрациях воды и нефти, а также песчаника при разных концентрациях эмульсии Мордово-Кармальской нефти. В результате обработки найдены значения А, т и е«, и установлена их зависимость от содержания нефти и воды. Более заметное влияние оказывает вода: с ростом содержания воды эти параметры увеличиваются. Если более детально проанализировать поведение ем от содержания воды, то можно, очевидно, определить количество свободной и связанной воды в подобных средах.

Таким образом, результаты такой обработки дают возможность с хорошей точностью вычислять значения е' и е", что позволяет полностью описать поглощение каждой исследуемой среды в высокочастотном поле. В качестве примера на рис. 5 приведены зависимости показателя поглощения от частоты для некоторых материалов нефтяной технологии и от температуры для Русской нефти при разных частотах. Показатель поглощения вычислялся по формуле

Рис. 5. Зависимости показателя поглощения электромагнитного излучения в Русской нефти (1), в эмульсии Русской нефти (2) при ав-58.6%, в водонефтенасыщенном песке (3) при ав=20% и а^-20% от частоты, при 20 °С (а) и отношение а/а0 для Русской нефти от температуры при разных частотах (б). аа — показатель поглощения при О "С

Как видно из частотных зависимостей, представленных на рис. 5 а, значения и характер изменения показателей поглощения исследованных сред связаны как с величиной электрофизических параметров, так и с характером поведения диэлектрических параметров от частоты. При этом для эмульсии Русской нефти показатель поглощения на частотах выше 108 Гц становится меньше показателя поглощения в этой нефти. Это связано с тем, что в данной модели диэлектрической релаксации не была учтена поляризация молекул воды. Если это учесть, то величина диэлектрических потерь возрастет и показатель поглощения в этой области частот будет больше, чем в нефти. Из температурных зависимостей показателя поглощения в Русской нефти

(рис. 5 б) следует, что при определенных частотах в заданном диапазоне температур наблюдается его резонансная зависимость. Такое поведение поглощения от температуры можно использовать для. разогрева данной среды с удаленного конца.

В пятой главе экспериментально исследуется поглощение высокочастотных электромагнитных волн в стенках коаксиальной линии, моделирующей насосно-компрессорную трубу скважины, оборудованной штанговым гидравлическим насосом (рис. 6). Поглощение определялось с помощью исследования распределения напряженности электрического поля вдоль трубы и методом импульсной рефлектометрии (рис. 7). Для приближения к реальным условиям поверхности труб не обрабатывались и были покрыты небольшим слоем ржавчины. Из рисунка 7 а видно, что амплитуда волны по мере удаления от генератора уменьшается по экспоненциальному закону, т.е. происходит затухание волны, обусловленное потерями высокочастотной энергии в стенкых линии. Затем по формуле

«™ = 1п(#,/^)/(х2-х1) (20)

вычислялись значения затухания в диапазоне частот 300 МГц — 3 ГГц. В методе импульсной рефлектометрии в линию посылается импульс напряжения, который распространяется по линии с определенной скоростью, последовательно возбуждая каждый участок линии в отдельности, и отражается. Зная длину линии I, длительности и амплитуды зондирующего и отраженного сигналов, наблюдаемых на экране стробоскопирующего осциллографа (рис. 7 б), по формулам, приведенным в описании к прибору Р5-15, определяют затухание. Этим методом определяется затухание и на постоянном токе, что невозможно сделать с помощью исследования распределения поля вдоль линии. Точность определения коэффициента затухания этими методами составила ±20%. Результаты экспериментальных зависимостей показателя поглощения электромагнитных волн от частоты для данной линии изображены на рис. 8 прямой 3. На данном рисунке приведена зависимость затухания электромагнитной волны для этой же линии, полученная расчетным путем (прямая 2):

Зокловм Детектор ГОЛОВКА

Микровольтметр В7-34А

Канал измерительной линии

К ГСПС-

Рис. 6. Схема измерительной коаксиальной линии

и, мкВ

4с0

200

О 50 100 150 Х|СМ

О

-»■ Т„. Щ

/ /. \ т„

Рис. 7. Распределение напряжения вдоль линии на частоте 600 МГц (а) и амплитудно-частотная характеристика зондирующего и отраженного сигналов, наблюдаемая на измерителе неоднородности линий Р5-15 (б)

Рис. 8. Зависимости показателей поглощения от частоты поля, рассчитанные для коаксиальной линии из меди (1), стали (2) и полученные экспериментально для стали (3) и парафина (4)

НМсшРсш^о Г 1 . Л • ,01ч

ст ~-ь--1 — + 7"). (21)

а

где д,те и Рстл — экспериментальные значения магнитной проницаемости и удельного электрического сопротивления металла, из которого изготовлена данная линия. Различие значений затухания электромагнитных волн, полученных экспериментальным и расчетным путем, связано с состоянием поверхности труб (шероховатостью и наличием окисного слоя), что приводит к существенному росту рст. Уменьшение аст можно достичь также, например, омеднением поверхности (прямая 1).

На этом же рисунке показана зависимость сед(/) для парафина (генэйкозана), которая вычислялась по формуле (19), где значения е' и е" находились из эксперимента.

Рис. 9. Схема экс пери- Рис. 10. Изменение температуры

ментальной установки в парафине от времени действия СВЧ для исследования прогрева излучения при размерах пробки 10 см парафиновой пробки (кривые слева) и 25 см (кривые справа),

модели скважины находящейся на расстоянии соответст-

венно 2 ми 4 м от источника излучения.

Далее в пятой главе приводится описание экспериментальной установки, на которой исследовалась возможность ликвидации парафиновой пробки в модели насосно-компрессорной трубы СВЧ излучением (рис. 9). Длина модели НКТ составляла 4,5 м, внутренний диаметр трубы 40 мм, диаметр стержня 12 мм. В верхней части трубы находился поршень, с помощью которого в линии возбуждались колебания. Источником энергии являлся магнетрон с рабочей частотой 2.4 ГГц и мощностью излучения 500 Вт. В нижней части трубы располагался поглотитель СВЧ энергии, представляющий смесь песка и угольного порошка. Моделью парафиновой пробки являлся генэйкозан, температура плавления которого около 40 °С. На рис. 10 приведены некоторые результаты СВЧ нагрева парафиновой пробки. На начальном этапе нагрев пробки происходит за счет разогрева труб, т. к. аСТ>а.д и энергия в основном поглощается ее стенками (температуры в верхней и нижней пристенной области приблизительно одинаковы). Через некоторое время в зависимости от расстояния, на котором находится пробка от источника излучения, начинается объемное поглощение энергии (разница температур становится заметной) и при температуре около 40 °С происходит плавление парафина, т. е. пробка ликвидирована.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В исследованных вязких и высоковязких нефтях экспериментально обнаружены области релаксации диэлектрических параметров. Из анализа их частотно-температурных зависимостей следует, что они подчиняются дипольно-ориентационной поляризации полярных жидкостей. Для трех высоковязких нефтей Русского, Ван-Еганского и Лыа-Ельского месторождений исследован процесс диэлектрической релаксации. Зависимость комплексной диэлектрической проницаемости от частоты с хорошей точностью описывается моделями Коула-Коула или Гаврильяка-Негами; это связано с различным распределением времен релаксации. Установленные зависимости параметров релаксации от температуры, молекулярные и энергетические характеристики позволяют полностью описать их поведение в широком диапазоне частот и температур.

2. В исследованных эмульсиях высоковязких и высокопарафи-нистых нефтей экспериментально обнаружены области релаксации диэлектрических параметров, которые связаны как с молекулярной, так и поверхностной поляризацией на гра-

нице раздела фаз нефть-вода. Для эмульсии высоковязкой нефти Русского, месторождения определены параметры релаксации и. показана _их зависимость от концентрации воды в нефти., С ростом концентрации воды поведение комплексной диэлектрической проницаемости от частоты переходит от модели Гаврильяка-Негами к модели Коула-Коула, а при концентрациях свыше 0,6 :— к модели Дебая, что связано с изменением структуры диспергированных капель воды.

3. В водонасыщенном песке с Русской нефтью экспериментально обнаружена дисперсия диэлектрической проницаемости, которую можно связать с частотной зависимостью поверхностной проводимости и диэлектрической проницаемости адсорбированных молекул воды от частоты. Зависимость комплексной диэлектрической проницаемости от частоты в этом случае описывается правилом т-степени.

4. На основе установленных закономерностей изменения параметров релаксации описано поглощение электромагнитного излучения в исследованных средах от частоты. Для высоковязких нефтей в диапазоне низких частот (в зависимости от электрофизических параметров и температуры) поглощение не зависит от частоты; в области релаксации слабо нелинейно увеличивается, а в области высоких частот линейно увеличивается с ростом частоты. Для нефтяной эмульсии в области релаксации немонотонность поглощения проявляется более ярко с ростом концентрации воды. Для водонефтенасыщен-ных пород поглощение электромагнитного излучения линейно увеличивается с ростом частоты. При этом если значения показателей поглощения для разных сред сильно отличаются на низких частотах, то в области сверхвысоких частот это различие практически исчезает.

5. Исследована зависимость поглощения электромагнитного излучения на фиксированных частотах от температуры для нефти Русского месторождения. Поглощение для этой нефти имеет резонансный вид, т. е. достигает максимума при определенной температуре, которая, в свою очередь, зависит от частоты излучения. Такое поведение связано с наличием релаксационных максимумов диэлектрических параметров от температуры.

6. Экспериментально исследовано поглощение электромагнитных волн в стенках стальной коаксиальной линии, моделирующей насосно-компрессорную трубу скважины с гидравлическим насосом. Обнаружено существенное различие показа-

телей поглощения, полученных опытным и расчетным путем, что связано с состоянием поверхности линии (шероховатостью и наличием окисного слоя). Но даже без учета этого факта поглощение в стенках имеет достаточно высокое значение, что необходимо принимать во внимание при теплофизических и экономических расчетах данного процесса нагрева.

7. Экспериментально исследован процесс нагрева парафиновой пробки энергией СВЧ излучения на лабораторном стенде, моделирующем насосно-компрессорную трубу скважины с гидравлическим насосом, и показана возможность ликвидации парафиновых пробок в скважине.

8. На частотах свыше 3 МГц установлена зависимость паразитной емкости двухэлектродной измерительной ячейки от величины диэлектрической проницаемости. Неучет этого факта приводит к неправильной интерпретации полученных результатов, а именно к кажущемуся увеличению диэлектрической проницаемости с ростом частоты.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Кислицын А. А., Фадеев А. М. Диэлектрическая релаксация в высоковязких нефтях // ЖФХ. 1994. Т. 68. № 2. С. 340-343.

2. Kislitsin A. A., Fadeev А. М. Investigation of dielectric relaxation in the high-viscosity oils. 7-h Europan Symposium on Improved Oil Recovery. 27-29 October. 1993. Moscow, Russia. P. 370-374.

3. Кислицын А. А., Фадеев A. M. Высокочастотный электромагнитный прогрев нефтяных, парафиновых и газогидратных пробок в скважинах и трубопроводах // Труды международной конференции по проблемам комплексного освоения трудноизвлекаемых запасов нефти и природных битумов. Казань. 4-8 октября. 1994.

4. Кислицын А. А., Фадеев А. М. Диэлектрические свойства нефгенасыщен-ного песка и водонефтяных эмульсий высоковязких и высокопарафинистых нефтей // Труды международной конференции по проблемам комплексного освоения трудноизвлекаемых запасов нефти и природных битумов. Казань. 4-8 октября. 1994.

5. A.c. 1344756 СССР. Способ ликвидации ледяных, газогидратных и парафиновых пробок в выкидных линиях скважин и трубопроводах / А. Т. Ахме-тов, А. А. Кислицын, А. Г. Малышев, А-. М. Мезенцев, Р. И. Нигматулин, А. М. Фадеев и др. // Открытия. Изобретения. 1992. № 3.

6. A.c. 1739011 СССР. Способ ликвидации ледяных, гидратных и гидратопара-финовых пробок в выкидных линиях скважин и трубопроводах /А. Т. Ах-метов, А. А. Кислицын, А. Г. Малышев, А. М. Мезенцев, Р. И. Нигматулин, А. М. Фадеев и др. // Открытия. Изобретения. 1992. № 21.

7. Ахметов А. Т., Зыонг Нгок Хай, Кислицын А. А., Фадеев А. М. Особенности поглощения электромагнитного излучения парафиносодержащими нефтями и численное моделирование тепломассопереноса при воздействии электромагнитного излучения // Итоги исследований ТО ММС ИТ СО АН СССР. Тюмень, 1990. № 1. С. 55-61.

8. Ахметов А. Т., Кислицын А. А., Фадеев А. М., Чебаков А. А. Экспериментальное исследование диэлектрических свойств материалов нефтяной технологии // Итоги исследований ИММС СО АН СССР. Тюмень, 1990. № 2. С. 96-102.

9. Ахметов А. Т., Кислицын А. А., Фадеев А. М., Чебаков А. А. Диэлектрические свойства нефтей и водонефтяной эмульсии в высокочастотном электромагнитном поле // Итоги исследований ИММС СО РАН. Тюмень, 1992. № 3. С. 75-85.

10. Кислицын А. А., Фадеев А. М., Ахметов А. Т., Чебаков А. А. Исследование диэлектрической релаксации в вязких нефтях // Итоги исследований ИММС СО РАН. Тюмень, 1993. № 4. С. 72-80.

11. Фадеев А. М., Ахметов А. Т., Бакуменко А. П. Лабораторное моделирование процесса прогрева парафиновой пробки в скважине СВЧ излучением // Итоги исследований ИММС СО РАН. Тюмень, 1994. № 5. С. 105-113.

12. Ахметов А. Т., Кислицын А. А., Фадеев А. М., Чебаков А. А. Исследование диэлектрических свойств гетерогенных сред // Итоги исследований ИММС СО РАН. Тюмень, 1994. Ks 5. С. 81-88.

13. Кислицын А. А., Фадеев А. М. Диэлектрическая релаксация в нефтяных дисперсных средах // Итоги исследований ИММС СО РАН. Тюмень, 1997. № 7. С. 105-112.

14. Ахметов А. Т., Кислицын А. А., Фадеев А. М. О возможности ликвидации нефтяной пробки в трубопроводе большой длины с помощью высокочастотного электромагнитного прогрева: Тезисы докладов всесоюзной школы-семинара по проблемам трубопроводного транспорта. Уфа, 1990. С. 18.

15. Кислицын А. А., Фадеев А. М. Диэлектрические свойства нефтяных дисперсных сред: Тезисы докладов международной научно-техн. конференции "Нефть и газ Западной Сибири". Тюмень, 1996. С. 76-77.

16. Фадеев А. М. Исследование поглощения высокочастотного электромагнитного излучения в модели нефтяной скважины // Известия вузов, Нефть и газ. № 6. 1997. С. 97. Тезисы докладов всероссийской научной конференции "Тюменская нефть — вчера и сегодня". Тюмень, 1997.

17. Ахметов А. Т., Кислицын А. А., Фадеев А. М. Высокочастотный электромагнитный прогрев пробок из застывающих и высоковязких компонентов продукции скважин // Проблемы освоения нефтегазовых ресурсов Западной Сибири: Межвузовский сборник научных трудов. Тюмень, 1990. С. 53-57.

18. Ахметов А. Т., Кислицын А. А., Фадеев А. М., Чебаков А. А. Исследование диэлектрических свойств материалов нефтяной технологии // Проблемы освоения нефтегазовых ресурсов Западной Сибири: Межвузовский сборник научных трудов. Тюмень, 1991. С. 53-60.

19. Исследование электрофизических и реологических свойств материалов нефтегазовой технологии / А. Т. Ахметов, А. А. Кислицын, А. М. Фадеев, А. А. Чебаков: Отчет о НИР ТюмГУ, инв. № 02.9.20008294, 1991. 70 с.

20. Физическое и численное моделирование процессов тепломассопереноса в многофазных системах нефтегазовой технологии / А. Т. Ахметов, А. А. Кислицын, А. М. Фадеев, А. А. Чебаков: Отчет о НИР ТюмГУ. Тюмень, 1992. № г. р. 01920007658, инв. № 02.9.30001449. 74 с.

21. Лабораторное и численное моделирование процесса прогрева парафиновой пробки высокочастотным электромагнитным излучением в скважине / А. Т. Ахметов, А. А. Кислицын, А. М. Фадеев, А. П. Бакуменко: Отчет о НИР ТюмГУ. Тюмень, 1993. № г. р. 01920007658.