Математическое моделирование процессов тепло- и массопереноса при воздействии электрических полей на водонефтяную эмульсию тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

ЗАКИРЬЯНОВА Г АЛИЯ ТИМЕРГАЗИЕВНА

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО-И МАССОПЕРЕНОСА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ НА ВОДОНЕФТЯНУЮ ЭМУЛЬСИЮ

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

- 7 ОКТ 20Ю

Уфа-2010

004609907

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

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Ковалева Лиана Ароновна

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор

Фатыхов Миннихан Абузарович

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Михайленко Константин Иванович

Ведущая организация: Государственное унитарное предприятие

«Институт проблем транспорта энергоресурсов»

Защита диссертации состоится £ » октября 2010 г. в 14 .00 час, на заседании диссертационного совета Д 212.013.04 в Башкирском государственном университете по адресу: 450074, г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32, физико-математический корпус, ауд. 216.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Башкирского государственного университета по адресу: 450074, г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.

Автореферат разослан « /5 » сентября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, д.ф.-м. н., профессор Р-Ф. Шарафутдинов

¿ЯцН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема разрушения водонефтяных эмульсий обусловлена необходимостью обезвоживания и обессоливания нефтей, ликвидации нефтешламовых амбаров и утилизации их продукции. Из-за прогрессирующего роста числа обводненных месторождений на многих крупнейших месторождениях России доля воды в продукции доходит до 90%, а в целом по России превышает 83,5%. С другой стороны, существует огромное количество загрязненных водно-почвенных сред на территории объектов добычи нефти и ее транспортировки, которые нарушают экологический баланс природных систем.

Проблемой разрушения водонефтяных эмульсий физическими полями занимались многие отечественные и зарубежные ученые (Чефранов К.А., Панченков Г.М., Цабек J1.K., Саяхов Ф.Л., Хакимов B.C., Ковалева JI.A., Фатыхов М.А., Морозов Г.А., Логинов В.И., Тронов В.П., Макси-мочкин В.И., Roy N. Lucas, Christine Noik, Cindy Jackson и др.).

Одним из широко внедряемых методом разрушения высокоустойчивых водо-нефтяных эмульсий является использование низкочастотного (НЧ) электрического поля промышленной частоты. Однако, при повышении напряженности такого поля больше некоторого критического значения возникает побочный процесс, ведущий к электрическому диспергированию капель на более мелкие капли. Это весьма нежелательное явление, так как при этом затрудняется слияние капель, и эмульсия становится еще более устойчивой. Кроме того, при повышенном содержании воды в эмульсии может произойти электрический пробой. Поэтому в промышленные электродегидраторы для обезвоживания принимается эмульсия с содержанием воды не более 30%.

Для высокочастотного (ВЧ) электрического поля критической напряженности не существует, при этом может обрабатываться эмульсия с содержанием воды до 80 - 90%. В этом диапазоне частот эмульсия поглощает электромагнитную (ЭМ) энергию, в результате в среде появляются распределенные источники тепла. Под действием неоднородного электрического поля происходит движение капель в сторону увеличения напряженности электрического поля, а под действием неоднородного температурного поля происходит движение капель в сторону меньшей температуры. Это приводит к столкновению, слиянию и укрупнению капель, в результате чего капли воды, более тяжелые, чем нефть, опускаются вниз, происходит гравитационное расслоение эмульсии на нефть и воду.

В диссертационной работе рассматриваются процессы тепло- и мас-

Ъ

сопереноса при воздействии ВЧ электрического поля на отдельную каплю воды в эмульсии, проведено сопоставление результатов с известными экспериментальными исследованиями воздействия различных электрических полей на водонефтяную эмульсию в объеме вертикального цилиндрического конденсатора. При моделировании учитываются пон-деромоторные силы, действующие на среду со стороны ЭМ поля, перекрёстные эффекты тепломассопереноса, возникающие при неизотермическом течении жидкости.

Цель работы. Математическое моделирование процессов тепло- и массопереноса в водонефтяной эмульсии при воздействии на неё высокочастотных (ВЧ) и низкочастотных (НЧ) электрических полей.

Задачи исследования:

- анализ методов воздействия различных физических полей на водонефтяную эмульсию;

- постановка и решение термогидродинамической задачи влияния ВЧ электрического поля на эмульсионную каплю;

- математическое моделирование процессов воздействия различных электрических полей на водонефтяную эмульсию и разделения её на нефть и воду;

- сопоставление результатов расчетов с известными экспериментальными данными.

Методы исследования. Исследования проводились путём математического моделирования рассматриваемых процессов: выбора системы уравнений и краевых условий, численного решения уравнений, сравнения результатов вычислений с известными экспериментальными данными.

Научная новизна. Исследована термогидродинамика эмульсионной капли в ВЧ ЭМ поле. Сформулированы математические модели процессов воздействия различных электрических полей (ВЧ и НЧ, а также их совместного действия) на водонефтяную эмульсию в вертикальном цилиндрическом конденсаторе.

Поставлены и численно решены двумерные задачи воздействия ВЧ и НЧ электрических полей на водонефтяную эмульсию в вертикальном цилиндрическом конденсаторе.

Предложена усовершенствованная методика вычисления кинетики расслоения эмульсии на нефть и воду в процессе воздействия с использованием результатов математического и экспериментального моделирования.

Практическая ценность работы заключается в возможности использования результатов исследований для анализа и прогнозирова-

ния показателей разделения эмульсии на нефть и воду, определения оптимальных режимов технологических процессов при воздействии на эмульсию различных электрических полей: ВЧ, НЧ, их совместного действия.

Основные защищаемые положения.

1. Математическая модель воздействия ВЧ электрического поля на отдельную каплю воды в эмульсии, учитывающая наличие термоконвективных потоков внутри и вне капли. Результаты численных исследований термогидродинамических процессов, происходящих вне и внутри эмульсионной капли при воздействии на неё ВЧ электрического поля.

2. Численные исследования воздействия ВЧ и НЧ электрических полей, а также их совместного действия на водонефтяную эмульсию в вертикальном цилиндрическом конденсаторе с учётом пондеромоторных сил, действующих на среду со стороны ЭМ поля, перекрёстных эффектов тепломассопереноса, возникающих при неизотермическом течении жидкости.

3. Усовершенствованная методика расчета кинетики расслоения эмульсии на нефть и воду при воздействии на эмульсию различных электрических полей.

Степень обоснованности положений, выводов и рекомендаций

Достоверность результатов диссертации основана на использовании фундаментальных уравнений тепло- и массопереноса в эмульсионной капле и водонефтяной эмульсии при воздействии электрических полей, физической и математической непротиворечивости построенных моделей общим гидродинамическим и термодинамическим представлениям, удовлетворительным совпадением результатов численных расчетов с известными экспериментальными данными.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на 15 международных, российских и региональных научных конференциях, среди которых: Башкирская республиканская научная конференция студентов и аспирантов по физике «Нелинейные и резонансные явления в конденсированных средах» (г. Уфа, 14 мая 1998 г.); V Международная научная конференция «Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей» (г. Санкт-Петербург, 29 июня - 4 июля 1998 г.); Всероссийская научно-техническая конференция «Новосёлов-ские чтения» (г. Уфа, 1998 г.); Региональная конференция «Резонансные и нелинейные явления в конденсированных средах» (г. Уфа, 1999 г.); Научная конференция по научно-техническим программам Минобразования России (г. Уфа, 1999 г.); Республиканская научная конференция студентов и аспирантов по физике 14-15 мая 1999 г., посвященной 80-

летию физического образования в Республике Башкортостан (г. Уфа, 1999 г.); Республиканская научно-практическая конференция «Состояние и перспективы использования геофизических методов для решения актуальных задач поисков, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых» 23-27 августа 1999 г. (г. Октябрьский, 1999 г.); Научно-практическая конференция «Решение проблем освоения нефтяных месторождений Башкортостана» (г. Уфа, 1999 г.); Юбилейная конференция «Молодые учёные Волго-Уральского региона на рубеже веков» (г.Уфа, 24-26 октября 2001 г.); 14-я Всероссийская научно-техническая конференция студентов-физиков и молодых учёных (Екатеринбург, Уфа: АСФ России, 2008 г.); Международная юбилейная научная конференция, посвящённая 15-летию образования Кыргызско-Российского Славянского университета «Актуальные проблемы теории управления, топологии и операторных уравнений» (г. Бишкек, 2008 г.); Научно-практическая конференция «Обратные задачи в приложениях» 19-21 июня 2008 г. (г. Бирск); VII Международная научно-техническая конференция 15-21 сентября 2008 г., посвященной 150-летию со дня рождения A.C. Попова (г. Самара); Международная конференция «Наноявления при разработке месторождений углеводородного сырья: от наноминералогии и нанохи-мии к нанотехнологиям» (г. Москва, 18-19 ноября 2008 г.); V Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные задачи математического моделирования и информационных технологий» (г. Сочи, 1015 мая 2009 г.); 10th Annual International Conference «Petroleum Phase Behavior and Fouling». (PETROPHASE 2009), JUNE 14 - 18, 2009. Rio de Janeiro (Brazil); Российская конференция «Многофазные системы: природа, человек, общество, технологии», посвященная 70-летию академика Р.И. Нигматулина (г. Уфа, 21-24 июня 2010 г.).

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 121 стр. машинописного текста, 79 рисунков, 1 таблицу, список литературы содержит 99 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность исследований по данной теме, сформулирована цель диссертационной работы, показана научная новизна, представлено краткое содержание разделов работы. Изложены результаты, выносимые на защиту.

В первой главе рассматриваются физико-химические свойства водо-нефтяной эмульсии, приводится обзор исследований воздействия различных физических полей на водонефтяную эмульсию: магнитного по-

ля, НЧ электрического поля промышленной частоты, ВЧ и сверхвысокочастотного (СВЧ) ЭМ полей. Описываются результаты известных опытов использования ВЧ ЭМ поля для расслоения эмульсии и экспериментальных исследований воздействия различных электрических полей на эмульсию.

К основным характеристикам устойчивости нефтяных эмульсий относят степень разрушения за определенный период времени, эффективную (в ряде случаев структурную) вязкость, средний поверхностно-объемный диаметр эмульгированных капель водной фазы. В совокупности эти параметры отражают интенсивность эмульгирования нефти и ее физико-химические свойства. Об интенсивности разрушения эмульсии можно судить по разности между плотностями воды и нефти Ар, а также отношению суммарного содержания асфальтенов (а) и смол (с) к содержанию парафинов (и) в нефти (а+с)/п. Последний показатель предопределяет способ деэмульгирования нефтяных эмульсий. Величина Ар соответствует движущей силе гравитационного отстаивания. Оба показателя являются качественными характеристиками эмульсий и позволяют разделять их на группы. В зависимости от соотношения плотностей воды и нефти эмульсии классифицируют на трудно расслаиваемые (Ар = 0,2+0,25 г/см3), расслаиваемые (До = 0,25+0,3 г/см3) и легко расслаиваемые (Др = 0,3+0,35 г/см3).

Вторая глава посвящена изучению термогидродинамических процессов внутри и вне эмульсионной капли в ВЧ ЭМ поле. Рассматриваются тепловое и силовое воздействие поля на эмульсионную каплю.

В разделе 2.1. рассматривается тепловое воздействие ЭМ поля на каплю. Каждая эмульсионная капля имеет так называемую бронирующую оболочку, возникающую в результате отложения смолисто-парафиновых веществ и нефти на поверхности глобулы воды. Эта оболочка обеспечивает агрегативную устойчивость одиночной эмульсионной капли.

При воздействии на каплю ВЧ ЭМ поля резонансное взаимодействие с полем полярных молекул нефти, образующих бронирующую оболочку, приводит к тому, что данную оболочку можно рассматривать как поверхностный источник тепла. Кроме того, действие ВЧ поля вызывает движение жидкости в приграничной области вне и внутри капли, известное как явление электроконвекции.

В разделе 2.2 рассматривается силовое воздействие ЭМ поля на каплю. В пограничной области бронирующей оболочки действует пондеро-моторная сила возникающая из-за скачка в этой области диэлектрической проницаемости среды. Величина пондеромоторной силы, обусловленной поляризационным взаимодействием среды с ЭМ полем,

пропорциональна градиенту диэлектрической проницаемости Vexejel-e^j/A, где с[ ,е[ - относительные диэлектрические проницаемости воды и нефти; Л - толщина бронирующей оболочки капли. Вследствие большой разницы между е\ « 80 и е\ ~ 2,5 и малой толщины бронирующей оболочки величина становится существенной.

В расчётах принято, что на эмульсионную каплю действует внешнее однородное электрическое поле, направление которого составляет угол в с радиус-вектором от точки наблюдения. Из-за различия электрических свойств вещества капли и окружающей среды внешнее однородное электрическое поле вблизи поверхности эмульсионной капли деформируется, появляются нормальные (радиальные) и тангенциальные (направленные по в) составляющие. Они обуславливают возникновение электрических сил, которые действуют на поверхность раздела двух соприкасающихся сред.

В разделе 2.3 моделируется тепло- и массообмен в эмульсионной капле в ВЧ ЭМ поле. Решается система уравнений теплопроводности только в областях, соответствующих глобуле воды и дисперсионной среде, ввиду малости толщины бронирующей оболочки А« г0. Здесь г о - радиус капли.

Задача записывается в виде следующей системы уравнений и краевых условий:

о)

а г2 дг\ дг) r2sm0de\ дв) дг г дв

Индексами / = 1, 2, 3 обозначены соответственно области: 1 - глобула воды: 0< г < г0; 2 - бронирующая оболочка: r0<r<ro + А; 3 - дисперсионная среда (нефть): т+А < г < /.

Г, (г ДО) = Г3(г Д0) = Т0 = const(2)

ШМ=о- г,(л*,о=г0; (3)

дг

Щ(гМ=0: 8Г,(г,л/2,1) (4)

дв дв где а - коэффициент температуропроводности; Т, - температура области г; / - граница теплового воздействия; г, в - полярные координаты; центр капли принят за центр полярных координат. Ur и Ug - компоненты вектора скорости для жидкостей, которые находятся через функции тока уКг, в) внутри и вне капли:

{/(г>^)=6г/о1^(г//о )' -(/•//•„)5^п2 в-сов в; О ¿г<г„; 11/(г,е)=иг|г0/г)! -фп2 бсоэ0; г0 <г<ю

Здесь ¿7 - максимальная скорость индуцированного электрическим полем движения жидкости. Она соответствует тангенциальной скорости движения жидкости на границе раздела при угле в= л/4.

Количество тепла, выделяемого в бронирующей оболочке, выражается в граничном условии на поверхности капли:

дГМП ; (6)

л дг * дг 2

Т^ЛО^Т^ЛО' (7)

(8)

Чг

Е 02

2

где Xi - коэффициент теплопроводности области /; Ц2 - плотность тепловых источников, обусловленных действием электромагнитного поля, со = Inf - круговая частота ЭМ поля и/- циклическая частота; е0 - электрическая постоянная; È02 - амплитуда напряженности электрического

поля в бронирующей оболочке.

Задача решалась конечно-разностным методом по неявной схеме методом прогонки. В результате вычислений были определены поля скоростей и температур внутри эмульсионной капли и вне нее. При ^расчетах использовались следующие параметры среды: ai-1,39-10" м2/с; Я/=0,582 Вт/м-К; а2=6,73-10"8 м2/с; А2=0,118 Вт/м-К; »;=5,5-10"5м; А=3-10" V Г„=20 °С; tgôr*0,0025; /£<ЗН>,1; ///=0,001 Пас; ^=0,01 Па-с; £^=81; е'з=2,5;/ИЗ,56 МГц; £=3-105В/м.

В результате вычислений были определены распределения скоростей движения жидкостей и температурные поля Т{г) внутри и вне капли при различных углах 9. На рис. 1 приведено распределение температуры при угле 0=4°, на рис. 2 - поле скоростей конвективного движения жидкости внутри эмульсионной капли. 1-й пик температуры связан с внутренней конвекцией и соответствует точке, где скорость движения жидкости минимальна. 2-й пик температуры обусловлен интенсивным поглощением ЭМ энергии в бронирующей оболочке. С увеличением угла в температура понижается из-за уменьшения плотности тепловых источников. При достижении в оболочке капли температуры, достаточной для плавления асфальтено-смоло-парафиновых компонентов, которая составляет, как правило, от 30 до 90 °С, происходит её разрушение. Такая температура в бронирующей оболочке может быть достигнута намного раньше,

чем в целом в эмульсии. Поэтому ВЧ воздействие на эмульсию намного эффективнее, чем просто нагрев эмульсии, например, контактным спо-

Рис. 1. Радиальное распределение Рис. 2. Поле скоростей движения температуры при ВЧ воздействии жидкости внутри капли

В третьей главе рассматривается воздействие ВЧ, НЧ и совместно ВЧ и НЧ электрических полей на водонефтяную эмульсию в вертикальном цилиндрическом конденсаторе. Формулируются математические модели и приводятся результаты численных расчетов в виде пространственно-временного распределения полей температуры, концентрации и скорости движения капель воды в эмульсии.

При формулировке математической модели полагается, что ось координат совпадает с осью цилиндрического конденсатора. На капли воды, движущихся в покоящейся жидкости со скоростью и, действует сила сопротивления Стокса: Р = ки, к = 6щ г0> гДе г" ~ радиус капли; т)я -

вязкость дисперсионной среды (нефти).

При постановке задач используется диффузионное приближение, которое правомерно в тех случаях, когда инерционные эффекты относительного движения фаз несущественны, например, при не очень быстрых течениях концентрированных эмульсий, когда истинные плотности фаз достаточно близки между собой. Учитываются силы ЭМ происхождения (пондеромоторные силы) и перекрестные явления переноса, обусловленные действием ЭМ поля и порожденного им теплового поля. Таким образом, система уравнений, описывающих процесс воздействия различных электрических полей на водонефтяную эмульсию в одномерном приближении, включает в себя уравнения движения глобул воды, теплопроводности и диффузии:

Яа adr 2 э- 2 fr

(10)

(П)

р{ = Р/(1 - с), = co«sí; р„ = р,"с; = coras/; ps=pj+pv; cs=Cj(\ - c)+c-cv; A.S=AX1 -c)+ cdv;

rjf =t]0 exp( - y ÁT), AT = T - T0;

tgS,=(tgS,Y •M/)(b,)-

Здесь v,f,s,RF,LF - индексы, относящиеся к воде, нефти, их смеси, ВЧ и НЧ воздействию на эмульсию, соответственно; Г - температура эмульсии; Го - температура эмульсии в начальный момент времени; q -плотность распределённых источников тепла; и р° - истинные плотности несущей (нефти) и диспергированной (воды) фаз; а,, а, -параметры термодиффузии и электротермодиффузии; Е- напряженность электрического поля; so - электрическая постоянная; £s\ - относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь смеси нефти и воды; £/ - разность потенциалов между обкладками конденсатора; r¡, г2 - радиусы внутреннего и внешнего обкладок конденсатора; rio - вязкость нефти в начальный момент времени; у - коэффициент, учитывающий зависимость вязкости нефти от температуры; ps, cs, Xs - плотность, удельная теплоемкость и теплопроводность смеси нефти и воды; с - объемная концентрация глобул воды в эмульсии; D -коэффициент диффузионного перемешивания воды в нефти.

Краевые условия. При расчетах было принято, что обкладки конденсатора теплоизолированы, непроницаемы для капелек воды и гидро-фобны. Поэтому концентрация частиц воды на них принята равной нулю:

т(г,0)= ^> = 0, MkíLo,

У' ' 0' я„ '

u(r,o)=o, v{r2,t)=о; с(/\0) = с„, c(r¡,/) = 0, c(r2,t)=0,

(12)

(13)

(14)

где с0 - исходная объемная концентрация капель воды в эмульсии.

При моделировании избирательно ВЧ и НЧ воздействий на эмульсию учитывается, что на капли воды действует только соответствующая составляющая пондеромоторной силы (2-е или 3-е слагаемое в правой части уравнения (9)). Таким образом, в 1-м случае в уравнении движения (9) отсутствует третье слагаемое в правой части, во 2-м - исключается второе слагаемое и не решается уравнение теплопроводности.

Принятые для расчетов параметры среды: =0,0025 К"1; «;=0,115 К" '; р®=848 кг/м3; рМ000 кг/м3; си=1885 Дж/кг-К; св=4190 Дж/кг-К; А„=0,125 Вт/м-К; ^=0,582 Вт/м-К; Го=20 °С; ^0,01561 Па-с; 7=0,02902 К" '; е'в =81; &<5в=0,0025; е'вч =2,5; #<5=0,1; /»=5,5-Ю"5 м; о=0,006 м; г2=0,02

м; 17= 1300 В; с<г=0,1, 0,2, 0,3; й = 4-10"5 м2/с.

Результаты численных расчетов показали, что при ВЧ и совместно ВЧ и НЧ воздействии характер распределения температуры имеет вид спадающей экспоненты от внутренней обкладки конденсатора к внешней. При совместном воздействии на эмульсию ВЧ и НЧ полей значения скоростей заметно больше, чем в случае только ВЧ поля (рис. 3). При воздействии НЧ поля значения скоростей на 1-2 порядка меньше, чем при ВЧ. При всех вариантах воздействия движение глобул воды направлено от обкладок конденсатора в его центральную область. Поэтому концентрация воды со временем увеличивается и достигает некоторого максимального значения: при избирательном ВЧ и совместном ВЧ и НЧ воздействии ближе к внутренней обкладке конденсатора, а при НЧ воздействии - в центральной его части (рис. 4).

о, м/с

0.006 0.008 0.010 0.012 0.014

Рис. 3. Распределение скорости движения капель воды в момент времени 1=30 с. 1 - совместное ВЧ и НЧ воздействие; 2 - воздействие ВЧ поля.

0.012

г, м

0.016 0.020

Рис. 4. Распределение концентрации капель воды в момент времени 1=30 с. с0=0,2. 1 - совместное ВЧ и НЧ воздействие; 2,3 -воздействие ВЧиНЧ

В четвертой главе поставлены и численно решены двумерные задачи в цилиндрической системе координат (г, ср, г), ось которой направлена вдоль оси конденсатора снизу вверх. Принимается аксиальная симметрия задачи, т.е. предполагается, что рассматриваемые процессы от координаты <р не зависят. Исследуется воздействие ВЧ и НЧ электрических полей на эмульсию в вертикальном цилиндрическом конденсаторе. Рассматриваются случаи открытого и закрытого сверху гидрофобной поверхностью конденсатора.

Система уравнений, описывающая движение капель воды в эмульсии под действием сил ЭМ происхождения и тяжести, а также их пространственно-концентрационное распределение имеет вид:

диг <1ц с!иг 1кц сфе^), (15)

ди. с/и яЦ 34еи , (16)

дс Од( 5слI д2с дс дс I д ( / ■ г^йЛ

Тх~-7а?[гТг\(17)

! 5 Ы гдг{ 5 дг) дг{ * д2)

При постановке задачи НЧ воздействия на эмульсию 5-е и 6-е слагаемые в правой части уравнения (17) и уравнение (18) отсутствуют.

Краевые условия

иг !(г,г,0)=0, иг(г2,:г,/)=0, 1>г {г,Л,/) = 0, (19)

с(г, г,0)= с0, с(г,, г, <)=0, с(г2 ,*.,)= О, = 0, (20)

Т(г,0)=7-0, = = ШШ^о, дЛМ = о, (21)

дг дг дг дг

где Н - высота цилиндрического конденсатора.

В верхней части конденсатора в соответствии с тем, открытый он сверху или закрытый, в точке г=Н принимались граничные условия:

= 0 „„ С(,Л,)=0 (22)

&

В разделах 4.1 и 4.2 приведены результаты расчетов воздействия ВЧ и НЧ электрических полей на эмульсию, которые показали заметную разницу в распределении капель воды в эмульсии и температуры в случаях открытого либо закрытого конденсатора. Результаты расчетов показали, что как при ВЧ, так и при НЧ воздействии в случае открытого конденсатора капли воды в эмульсии распределяются равномерно по

высоте вблизи внутренней обкладки конденсатора. В случае закрытого конденсатора капли воды концентрируются в основном в нижней его части, вследствие водоотталкивающей верхней поверхности (рис. 5). При этом температура в верхней части несколько выше, чем в случае открытого конденсатора (рис. 6). Это - следствие повышенного содержания в этой точке нефти, которая больше поглощает ЭМ энергию и поэтому больше нагревается. С течением времени температура во всех точках растёт.

Рис. 5. Распределение концен- Рис. б. Распределение температу-трации капель воды в эмульсии. ры в конденсаторе.

Закрытый сверху конденсатор, / = 20 с; А = 0,02 м

В разделе 4.3. описывается усовершенствованная методика расчета динамики расслоения эмульсии, учитывающая, что реальные эмульсии состоят из коагулирующих капель различного размера. Проводится сравнение с известными экспериментальными данными. Для использования в методике полученных результатов численных расчетов полагается, что эмульсию можно условно считать состоящей из самых больших и самых маленьких капель (усреднённых размеров). При помещении эмульсии во внешнее электрическое поле капли поляризуются и взаимодействуют друг с другом как диполи. Для маленьких капель, в силу незначительности диполь - дипольного взаимодействия, фактором их сближения является тепловое, или броуновское, движение (тепловая коагуляция). Наличие взаимодействия между коагулирующими каплями приводит к изменению константы коагуляции, т.к. большие капли опускаются быстрее и попутно захватывают маленькие.

Константа гравитационной коагуляции капель воды определяется выражением:

V 1-Ё! Ррё

где = {с!д /п0 )2; А>, «о - диаметры большой и маленькой капель; X - коэффициент, компенсирующий завышенное значение силы диполь-дипольного взаимодействия (Х.<1); иу,ик - скорости оседания большой и маленькой капель, соответственно, определяемые известной формулой Стокса:

где УУн,~ объём большой или маленькой капли; g - ускорение свободного падения; рр - разность плотностей воды и нефти.

Параметр "к и соотношение / д, подбирались из условия максимальной близости экспериментальных и расчетных кривых кинетики отстоя эмульсии. Наилучшее совпадение результатов получено при следующих значениях: г/0/оа =0,26! А.=0,99 - при совместном воздействии ВЧ и НЧ электрических полей; 1=0,90 и 1=0,006 - при избирательном действии ВЧ и НЧ поля, соответственно.

Вследствие слияния капель воды, число их в эмульсии уменьшается. Время, в течение которого число капель уменьшается в 2 раза, определя-

где 1Ч(г) - число капель в единице объёма.

Число капель в единице объёма конденсатора в предположении, что эмульсия состоит преимущественно из больших капель можно опреде-

где с(г) - объемная концентрация капель воды в эмульсии. Распределение с(г) берется из решения уравнения (17).

На рис. 7 и 8 приведены результаты численных расчетов и экспериментальные данные, полученные Ф.Л.Саяховым, B.C. Хакимовым, Н.Ш. Имашевым и др., в виде зависимостей от времени количества расслоившейся эмульсии в процентах в открытом сверху конденсаторе. Как видно из сравнения приведенных кривых, можно говорить о хорошем качественном совпадении результатов расчетов с экспериментальными данными.

ется выражением:

tf(V,w)N(r)'

лить по формуле:

О -<-[-——>-1-1-] I, мин.

О 10 20 30

Рис. 7. Расчетная динамика расслоения эмульсии. 1 -НЧ поле; 2 -ВЧ поле; 3 -совместно НЧ и ВЧ поля.

5 Ю 15 20 25 Ь,мин

Рис. 8. Экспериментальные кривые расслоения: 1 - без обработки полями; 2, 3,4 —НЧ, ВЧ и совместно ВЧ иНЧ полями.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. Сформулирована и решена термогидродинамическая задача о поведении эмульсионной капли в ВЧ ЭМ поле с учетом теплового действия поля и возникающих внутри и вне капли конвективных течений. Обнаружено возникновение больших градиентов температуры на поверхности капли в ВЧ ЭМ поле, которые приводят к ослаблению прочности бронирующей оболочки.

2. Рассмотрены процессы тепло- и массопереноса в водонефтяной эмульсии при избирательном и одновременном воздействии ВЧ и НЧ электрических полей. Проведенное сопоставление результатов показало, что в обоих случаях капли воды концентрируются ближе к внутренней обкладке конденсатора, но концентрация воды в точке максимума при ВЧ воздействии примерно на 20% больше. Такое распределение концентрации воды объясняется встречным движением капель воды под действием пондеромоторных сил к внутренней обкладке конденсатора, а под действием электротермодиффузии - к внешней обкладке конденсатора.

3. Решена двумерная задача о воздействии ВЧ и НЧ электрических полей на водонефтяную эмульсию в случаях открытого и закрытого сверху цилиндрического конденсатора. Обнаружена заметная разница в распределении капель воды в эмульсии и температуры в рассмотренных случаях: при ВЧ воздействии в случае открытого конденсатора распределение капель воды в эмульсии и температуры равномерно по высоте, а в случае закрытого конденсатора капли воды концентрируются в основном в нижней его части, а тепло - в верхней. При НЧ воздействии в случае открытого конденсатора распределение капель воды в эмульсии рав-

номерно по высоте, а в случае закрытого конденсатора, как и при ВЧ воздействии, капли воды концентрируются в основном в нижней части.

4. Предложена усовершенствованная методика расчета динамики расслоения эмульсии на нефть и воду при воздействии на неё различных электрических полей, учитывающая наличие в эмульсии капель различного размера. Получены близкие к экспериментальным исследованиям значения температуры и кривые динамики расслоения эмульсии. Расчеты показали, что при наложении ВЧ поля практически полное разрушение эмульсии после 30 секундного воздействия происходит за 12 минут, при совместном действии ВЧ и НЧ полей - за 4 минуты, при избирательном НЧ воздействии - за 50 минут.

5. Показано, что вклад в процесс расслоения эмульсии ВЧ поля связан не только с действием собственно пондеромоторных сил, но и неоднородностью возникающего теплового поля, что делает процесс расслоения наиболее эффективным. Установлено, что при всех видах воздействия расслоение эмульсии начинается приблизительно в центре конденсатора с образованием двух фронтов расслоения, расположенных у внутренней и внешней обкладках. В области внутренней обкладки расслоение происходит быстрее. Это объясняется тем, что возле внутренней обкладки конденсатора температура выше и максимум концентрации воды сдвинут к этой же обкладке.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

В изданиях, входящих в перечень ВАК РФ:

1. Закирьянова Г.Т., Ковалева JI.A., Насыров Н.М. Исследование процессов тепломассопереноса и динамики расслоения эмульсии при воздействии электрических полей // Вестник ЮУрГУ. Серия «Математика. Механика. Физика». - 2009. - Вып. 1. - № 22(155). - С. 59-66.

2. Закирьянова Г.Т., Ковалева Л.А., Насыров Н.М. Моделирование процессов тепломассопереноса и разделение эмульсии под воздействием электрических полей.// Вестник НГУ. Серия «физика». - 2009. - Т 4, вып. 4.-С. 15-22.

3. Закирьянова Г.Т., Ковалёва Л.А., Мусин A.A., Насыров Н.М. О влиянии высокочастотного и низкочастотного электрических полей на кинетику отстоя эмульсии // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2010. - Т. 13, № 2. - С. 83-89.

4. Закирьянова Г.Т., Ковалёва Л.А, Насыров Н.М. Двумерное математическое моделирование воздействия высокочастотного электрического поля на эмульсию// Вестник УГАТУ. -Т. 14, № 2 (37). - 2010 - С. 91-96.

В других изданиях:

5. Закирьянова Г.Т. Математическое моделирование движения водонеф-тяной эмульсии в высокочастотном электромагнитном поле // Нелинейные и резонансные явления в конденсированных средах: Тез. докладов Башкирской республиканской научной конференции студентов и аспирантов по физике 14 мая 1998 г. - Уфа, 1998. - С. 62 - 63.

6. Закирьянова Г.Т. Исследование поведения водонефтяной эмульсии в высокочастотном электромагнитном поле // Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей: Доклады V Международной научной конференции 29 июня - 4 июля 1998 г. - Санкт-Петербург, 1998. - С. 250 - 253.

7. Саяхов Ф.Л., Закирьянова Г.Т. О применении высокочастотного электромагнитного поля для разрушения водонефтяных эмульсий // Новосё-ловские чтения: Тез. докладов Всероссийской научно-технической конференции. - Уфа, 1998. - С. 35 - 36.

8. Саяхов Ф.Л., Закирьянова Г.Т. Расчет температурных полей в эмульсионной капле водонефтяной эмульсии при воздействии высокочастотного электромагнитного поля // Региональная конференция «Резонансные и нелинейные явления в конденсированных средах»: Сб. статей в 3-х т., Т. И. - Уфа, 1999. - С. 92 - 93.

9. Саяхов Ф.Л., Закирьянова Г.Т. Исследование тепломассопереноса в эмульсионной капле водонефтяной эмульсии при воздействии высокочастотного электромагнитного поля // Научная конференция по научно-техническим программам Минобразования России: Сборник статей и тезисов. Часть I. - Уфа, 1999. - С. 121 - 126.

10. Саяхов Ф.Л., Закирьянова Г.Т., Закирьянов Ф.К. Предупреждение эмульсообразования в призабойной зоне при использовании высокочастотного электромагнитного поля // Состояние и перспективы использования геофизических методов для решения актуальных задач поисков, разведки и разработки месторождений полезных ископаемы: Материалы Республиканской научно-практической конференция конференции 2327 августа 1999 г. - Октябрьский, 1999. - С. 384 - 388.

11. Закирьянова Г.Т. Интенсификация процессов разрушения стойких водонефтяных эмульсий воздействием высокочастотных электромагнитных полей// Решение проблем освоения нефтяных месторождений Башкортостана: Тез. докл. научно-практической конференции. - Уфа, 1999. -С. 147- 148.

12. Закирьянова Г.Т., Сулейманова P.A. Тепло- и массообмен в эмульсионной капле в высокочастотном электромагнитном поле: Тез. докладов Республиканской научной конференции студентов и аспирантов по

физике 14-15 мая 1999 г., посвященной 80-летию физического образования в Республике Башкортостан. - Уфа, 1999. - С. 60 - 61.

13. Закирьянова Г.Т. Термогидродинамика эмульсионной капли с бронирующей оболочкой в высокочастотном электромагнитном поле // Физико-химическая гидродинамика: Межвузовский научный сб. Юбилейный выпуск. - Уфа, 2000. - С. 100 - 105.

14. Закирьянова Г.Т. Электротермодинамика эмульсионной капли в электромагнитном поле // Молодые учёные Волго-Уральского региона на рубеже веков. Материалы юбилейной конференции, г. Уфа, 24-26 октября 2001 г. Т. И. - С. 25-26.

15. Закирьянова Г.Т. Математическое моделирование воздействия высокочастотного электромагнитного поля на водонефтяную эмульсию //14-я Всероссийская научно-техническая конференция студентов-физиков и молодых учёных: Тез. докладов. - Екатеринбург, Уфа: АСФ России, 2008.-Т.1-С. 230-231.

16. Ковалёва Л.А., Насыров Н.М., Закирьянова Г.Т. Использование численных методов при моделировании воздействия высокочастотного электромагнитного поля на водонефтяную эмульсию// Международная юбилейная научная конференция, посвященная 15-летию образования Кыргызско-Российского Славянского универ-та «Актуальные проблемы теории управления, топологии и операторных уравнений».- Бишкек-2008.-С.40-43.

17. Закирьянова Г.Т., Насыров Н.М., Мусин A.A. Диффузионный подход при математическом моделировании поведения водонефтяных эмульсий в электромагнитном поле // Обратные задачи в приложениях: Сб. статей научно-практической конференции. - Бирск: БирГСПА, 2008. - С. 193 -199.

18. Закирьянова Г.Т. Обработка водонефтяной эмульсии электромагнитным полем // Физика и технические приложения волновых процессов: Тез. докладов VII Международной научно-технической конференции 15-21 сентября 2008 г., посвящённой 150-летию со дня рождения A.C. Попова: Приложение к журналу «Физика волновых процессов и радиотехнические системы» / Под ред. В.А. Неганова и Г.П. Ярового. - Самара: Самарское книжное издательство, 2008. - С. 244 - 245.

19. Закирьянова Г.Т., Насыров Н.М. Моделирование влияния электромагнитного поля на процесс разрушения водонефтяных эмульсий // Материалы Международной конференции «Наноявления при разработке месторождений углеводородного сырья: от наноминералогии и нанохи-мии к нанотехнологиям», Москва, 18-19 ноября 2008 г. - С. 145 - 148.

20. Закирьянова Г.Т. Математическое моделирование воздействия элек-

трических полей на кинетику отстоя водонефтяной эмульсии: Материалы V Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные задачи математического моделирования и информационных технологий». - Сочи, 10-15 мая 2009 г./ Соч. гос. ун-т туризма и курорт, дела; научный ред.: И.Л. Макарова, А.Р. Симонян. - С. 11-13.

21. Liana Kovaleva, Galiya Zakiryanova, Nur Nasyrov, Airat Musin. Using of electromagnetic radiation for destruction of water-oil emulsions. // 10th Annual International Conference «Petroleum Phase Behavior and Fouling». (PETROPHASE 2009), JUNE 14 - 18,2009. Rio de Janeiro (Brazil). -P. 35.

22. Ковалева Л.А., Насыров H.M., Закирьянова Г.Т. Исследование кинетики расслоения эмульсии при одновременном воздействии высокочастотного и низкочастотного электрических полей /Сборник научных трудов «Актуальные проблемы естественных и технических наук». - Уфа, БашГУ, 2009- С. 200 - 204.

23. Kovaleva L.A., Nasyrov N.M., Zakiryanova G.T. Use of Numerical Methods at Modelling Influence of the Radio-Frequency Electromagnetic Field Impact on Water-Oil Emulsion / «Actual Problems of Control Theory, Topology and Operator Equations». - Shaker Verlag Aachen (Germany), 2009. - P. 57-61.

24. H.M. Насыров, Г.Т. Закирьянова, E.A. Лепихин. Расчет температурных полей в эмульсионной капле при воздействии ВЧ и СВЧ электромагнитных полей/ Тезисы докладов Российской конференции «Многофазные системы: природа, человек, общество, технологии», посвященной 70-летию академика Р.И. Нигматулина. - Уфа: Изд-во Нефтегазовое дело, 2010.-С. 158-159.

Автор выражает благодарность своему научному руководителю профессору Ковалевой Л.А. за помощь и полезные обсуждения работы. Автор признателен доценту Насырову Н.М. и профессору Морозову Г.А. (г. Казань) за ценные советы и замечания.

Закирьянова Галия Тимергазиевна

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ НА ВОДОНЕФТЯНУЮ ЭМУЛЬСИЮ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Лицензия на издательскую деятельность ЛР № 021319 от 05.01.99 г.

Подписано в печать 31.08.2010 г. Формат 60x84/16. Усл. печ.л. 1,38. Уч.-изд. л. 1,37. Тираж 100 экз. Заказ 668.

Редащионно-издательский центр Башкирского государственного университета 450074, РБ, г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.

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

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РАБОТ ПО ВОЗДЕЙСТВИЮ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ НА

ВОДОНЕФТЯНУЮ ЭМУЛЬСИЮ

1.1. Физико-химические и теплофизические свойства эмульсии

1.2. Влияние внешних физических полей на эмульсию

1.3. Теоретические исследования воздействия электромагнитных полей на эмульсию

1.4. Экспериментальные исследования воздействия различных электромагнитных полей на эмульсию 26 Выводы к разделу

2. ТЕРМОГИДРОДИНАМИКА ЭМУЛЬСИОННОЙ КАПЛИ В ВЫСОКОЧАСТОТНОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ

2.1. Тепловое действие электромагнитного поля на каплю

2.2. Силовое действие электромагнитного поля на каплю

2.3. Тепло- и массообмен в эмульсионной капле в ВЧ электромагнитном поле

2.3.1. Постановка задачи

2.3.2. Анализ результатов вычислений 43 Выводы к разделу

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ ВОДОНЕФТЯНОЙ ЭМУЛЬСИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПОЛЯМИ 49 3.1. Особенности взаимодействия эмульсии с ВЧ электромагнитным полем

3.1; 1. Система уравнений

3.1.2. Краевые условия

3.1.3. Анализ результатов расчетов

3.1.4. Постановка задачи с учетом пространственной неоднородности диэлектрической проницаемости среды 61 3.1.5. Сопоставление с результатами экспериментальных исследований

3.2. Взаимодействие эмульсии с низкочастотным электрическим полем

3.2.1. Постановка задачи

3.2.2. Решение задачи и анализ результатов

3.3. Одновременное воздействие на эмульсию высокочастотного и низкочастотного электрических полей

3.3.1. Постановка задачи

3.3.2. Решение задачи и анализ результатов вычислений 74 Выводы к разделу 3 76 4. ДВУМЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ШЛЕЙ НА ЭМУЛЬСИЮ

4.1. Моделирование воздействия ВЧ электрического поля

4.1.1. Постановка задачи и система уравнений

4.1.2. Краевые условия

4.1.3. Решение задачи и анализ результатов вычислений

4.2. Моделирование воздействия низкочастотного электрического

4.2.1. Постановка задачи и основные уравнения

4.2.2. Краевые условия

4.2.3. Решение задачи и анализ результатов вычислений

4.3. Методика расчета динамики расслоения эмульсии и сравнение с экспериментом

Выводы к разделу

Разрушение водонефтяных эмульсий связано с необходимостью обезвоживания и обессоливания нефтей вследствие прогрессирующего роста числа обводненных месторождений. На многих крупнейших месторождениях России доля воды в продукции составляет 90%, а в целом по России превышает 83%. С другой стороны - существует огромное количество загрязненных водно-почвенных сред на территории объектов нефтегазодобывающего комплекса и транспорта нефти и газа, нарушающих экологию.

Актуальность темы. Обычно для разрушения высокоустойчивых эмульсий используют электрическое поле промышленной частоты (в дальнейшем это поле для краткости будем называть низкочастотным (НЧ)). Однако, известно, что при повышении напряженности электрического поля больше некоторого критического значения возникает побочный процесс, ведущий к электрическому диспергированию капель на более мелкие капли. Это весьма нежелательное явление, так как при этом затрудняется слияние капель, и эмульсия становится еще более устойчивой. Кроме того, при высоком содержании воды в эмульсии может произойти электрический пробой, поэтому в промышленные электродегидраторы для обезвоживания принимается эмульсия с содержанием воды не более 30%.

В случае высокочастотного (ВЧ) электрического поля обе эти проблемы снимаются: не существует какого-либо предельно допустимого значения критической напряженности поля и ограничения по содержанию воды в эмульсии. Дополнительным эффектом при действии поля в высоком диапазоне частот является поглощение эмульсией электромагнитной (ЭМ) энергии и появление в ней распределенных источников тепла.

В настоящей работе рассматриваются процессы тепло - и массопереноса при воздействии ВЧ электрического поля на отдельную каплю и различных электрических полей на водонефтяную эмульсию в вертикальном цилиндрическом конденсаторе. При моделировании учитываются пондеромоторные силы, действующие на среду со стороны ЭМ поля, перекрёстные эффекты тепломассопереноса, возникающие при неизотермическом течении жидкости, и сила тяжести в поле Земли. Проводится сопоставление результатов расчетов с известными экспериментальными данными.

Цель работы. Моделирование особенностей процессов тепло- и массо-переноса в водонефтяной эмульсии и расслоения её на нефть и воду при воздействии на неё различных электрических полей: ВЧ, НЧ, совместно ВЧ и НЧ. Технология промысловой подготовки нефти с использованием энергии ВЧ ЭМ полей основывается на физико-химических и термогидродинамических процессах, возникающих в средах из-за резонансного взаимодействия ВЧ ЭМ полей с высокомолекулярными полярными компонентами нефти.

Задачи исследования.

• анализ методов воздействия различных физических полей на водонефтя-ную эмульсию;

• постановка и решение термогидродинамической задачи воздействия ВЧ электрического поля на эмульсионную каплю;

• математическое моделирование процессов воздействия различных электрических полей на водонефтяную эмульсию и разделения её на нефть и воду, сравнение с известными экспериментальными данными.

Методы исследования. Исследования проводились путём математического моделирования рассматриваемых процессов: постановки задачи, выбора системы уравнений и краевых условий, численного решения уравнений, сравнения результатов вычислений с известными экспериментальными данными.

Научная новизна. Исследована термогидродинамика эмульсионной капли в ВЧ ЭМ поле.

Сформулированы математические модели процессов воздействия различных электрических полей на водонефтяную эмульсию, высокочастотного и низкочастотного электрических полей, их совместного действия. Предложена методика вычисления кинетики расслоения эмульсии на нефть и воду при действии электрических полей. Проведено сопоставление результатов расчетов с известными экспериментальными данными. Получено, что результаты вычислений близки к экспериментальным-значениям температуры и кривым динамики расслоения эмульсии.

Поставлены и численно решены двумерные задачи о воздействии ВЧ и НЧ электрических полей на водонефтяную эмульсию в вертикальном цилиндрическом конденсаторе.

Практическая ценность работы заключается в. возможности использования результатов исследований для анализа и прогнозирования показателей разделения эмульсии на нефть и воду, определения оптимальных режимов технологических процессов при воздействии на эмульсию различных электрических полей: ВЧ, НЧ, совместно ВЧ и НЧ. В работе создана теоретическая основа и разработан путь для моделирования промысловой подготовки высоковязких тяжелых нефтей воздействием на них различных электрических полей.

Основные защищаемые положения. к

1. Математическая модель воздействия ВЧ электрического поля на отдельную каплю воды в эмульсии, учитывающая наличие термоконвективных потоков внутри и вне капли. Результаты численных исследований термогидродинамических процессов, происходящих вне и внутри эмульсионной капли при воздействии на неё ВЧ электрического поля.

2. Численные исследования воздействия ВЧ и НЧ электрических полей, а также их совместного действия на водонефтяную эмульсию в вертикальном цилиндрическом конденсаторе с учётом пондеромоторных сил, действующих на среду со стороны ЭМ поля, перекрёстных эффектов тепломассопереноса, возникающих при неизотермическом течении жидкости.

3. Усовершенствованная методика расчета кинетики расслоения эмульсии на нефть и воду при воздействии на эмульсию различных электрических полей.

Объем и структура диссертации: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Изучена термогидродинамика эмульсионной капли в ВЧ ЭМ поле. Рассмотрено тепловое и силовое воздействие ЭМ поля на эмульсионную каплю. Обнаружено возникновение больших температур и градиентов температуры на поверхности капли в ВЧ ЭМ поле, которые очевидно, приводят к ослаблению прочности бронирующей оболочки. При достижении в оболочке капли температуры плавления (30+90 °С), происходит её разрушение. Отдельная капля воды с разрушенной оболочкой может слиться с другой каплей и образовать более крупную каплю. Крупная капля под действием сил гравитации стремится вниз и таким образом происходит расслоение эмульсии на нефть и воду. Температура плавления в бронирующей оболочке может быть достигнута намного раньше, чем в целом в эмульсии.

2. Рассмотрены процессы тепло- и массопереноса в водонефтяной эмульсии при воздействии на неё различных электрических полей: ВЧ, НЧ, одновременно ВЧ и НЧ. Показано, что при ВЧ воздействии на эмульсию капли воды концентрируются ближе к внутренней обкладке конденсатора и концентрация воды в точке максимума приблизительно на 20% больше, чем при НЧ воздействии. Такое распределение концентрации воды объясняется тем, что пондеромоторные силы двигают капли воды к внутренней обкладке конденсатора, а электротермодиффузия - к внешней обкладке конденсатора.

3. Предложена методика расчета динамики расслоения эмульсии на нефть и воду при воздействии на неё различных электрических полей. Проведено сравнение экспериментальных и расчётных данных по разделению эмульсии на нефть и воду. Получены близкие к экспериментальным исследованиям значения температуры и кривые динамики расслоения эмульсии. Расчеты показали, что при наложении ВЧ поля практически полное разрушение эмульсии после 30-и секундного воздействия происходит за 12 минут, при совместном действии ВЧ и НЧ полей - за 4 минуты, при избирательном НЧ воздействии - за 50 минут. Вклад в процесс расслоения эмульсии ВЧ поля связан не только с действием собственно пондеромоторных сил, но и неод

109 нородностью возникающего теплового поля, что делает процесс расслоения наиболее эффективным.

4. Решена двумерная задача о воздействии ВЧ и НЧ электрических полей на водонефтяную эмульсию. Рассмотрены случаи открытого сверху и закрытого гидрофобной поверхностью цилиндрического конденсатора. Расчёты показывают заметную разницу в распределении капель воды в эмульсии и температуры в различных случаях. При ВЧ воздействии в случае открытого конденсатора распределение капель воды в эмульсии и температуры приблизительно равномерно по высоте, а в случае закрытого сверху конденсатора — капли воды концентрируются в основном внизу, а тепло наверху. При НЧ воздействии в случае открытого сверху конденсатора распределение капель воды в эмульсии равномерно по высоте, а в случае закрытого сверху конденсатора, как и при ВЧ воздействии, капли воды концентрируются в основном внизу.

5. Получены распределения концентрации капель воды в эмульсии после начала отстоя в различные моменты времени. Установлено, что при всех видах воздействия расслоение эмульсии начинается приблизительно посередине между обкладками конденсатора. Образуется 2 фронта расслоения. Один фронт движется к внутренней, другой - к внешней обкладке конденсатора. В области внутренней обкладки расслоение происходит быстрее. Это объясняется тем, что возле внутренней обкладки конденсатора температура выше и максимум концентрации воды сдвинут к этой же обкладке.

6. Определено распределение времени расслоения эмульсии на нефть и воду в различных точках между обкладками конденсатора. Установлено, что при всех видах воздействия на эмульсию распределение имеет вид вогнутой кривой с максимумом возле внешней обкладки конденсатора, т.е. последняя капля воды в эмульсии осядет там. При НЧ воздействии на эмульсию время расслоения во всех точках на много больше, чем при воздействии ВЧ поля. Время расслоения эмульсии на нефть и воду во всех точках между обкладками конденсатора при совестном действии ВЧ и НЧ полей меньше, чем при других видах воздействия.

1. Эмульсии / под. ред. А.А. Абрамзона. - М.: Наука, 1972. - 321 с.

2. Хавкин А.Я. Нанотехнологии в добыче нефти и газа. М.: Нефть и газ. ПЦ «НТИС», 2008. - 171 с.

3. Панченков Г.М., Цабек JI.K. Поведение эмульсии во внешнем электрическом Ополе. М.: Химия, 1969. - 190с.

4. Левченко Д.Н., Бергштейн Н.В., Худякова А.Д., Николаева Н.М. Эмульсии нефти с водой и методы их разрушения. М.: Химия, 1967. - 200 с.

5. Тронов В.П. Промысловая подготовка нефти. М.: Недра, 1977. - 271 с.

6. Шайдаков В.В., Лаптев А.Б., Инюшин Н.В., Халитов Д.М., Каштанова Л.Е.// Влияние магнитной обработки на водонефтяные эмульсии ТШ1 "Ко-галымнефтегаз", УГНТУ Уфа, 2001. - 10 с. Деп. в ВИНИТИ. № 1173 - В 2001.-07.05.2001.

7. Инюшин Н.В., Каштанова Л.Е., Лаптев А.Б., Мугтабаров Ф.К., Хайдаров Р.Ф., Халитов Д.М., Шайдаков В.В. Магнитная обработка промысловых жидкостей. Уфа: ГИНТЛ «Реактив», 2000. - 58 с.

8. Лаптев А.Б., Инюшин Н.В., Каштанова Л.Е. Мугтабаров Ф.К., Хайдаров Р.Ф., Халитов Д.М., Шайдаков В.В. Аппараты для магнитной обработки жидкостей. -М.: Недра, 2001. 145 с.

9. Пат. 32485, Российская Федерация. МПК С 02 F 1/48. Устройство для коагуляции ферромагнитных частиц жидкости. /Лаптев А.Б. Шайдаков В.В., Ха-санов Ф.Ф., Емельянов А.В., Гарифуллин И.Ш. № 2003112858/20; заявл. 05.05.2003; опубл. 20.09.2003. Бюл. № 26.

10. Пат. 38469, Российская Федерация, МПК С 10 G 33/02. Устройство для магнитной обработки жидкости /Лаптев А.Б., Максимочкин В.И., Емельянов А.В., Шайдаков В.В. № 2002127715/20; заявл. 16.10.2002; опубл. 20.06.2004. Бюл. № 17.

11. Пат. 47875, Российская Федерация, МПК С 02 F 1/64 . Устройство для магнитной обработки жидкости /Лаптев А.Б., Гаязова Г.А. — № 2005111418/22; заявл. 08.04.2005; опубл. 10.09.2005. Бюл. № 25.

12. Пат. 2272126, Российская Федерация, МПК Е 21 В 43/34 . Способ обработки пластовых флюидов /Аминов О.Н., Бугай Д.Е., Вольцов А.А., Лаптев А.Б., Максимочкин В.И., Фозекош Д.И. № 2004123721/03; заявл. 21.07.2004; опубл. 10.06.2006. Бюл. № 16.

13. Пат. 54035, Российская Федерация, МПК С 02 F 1/48. Устройство для магнитной обработки жидкости /Лаптев А.Б., Черепашкин С.Е., Ахияров Р.Ж. № 2005136594/22; заявл. 24.11.2005; опубл. 10.06.2006. Бюл. № 16.

14. Грановский М.Г., Лавров И.С., Смирнов О.В. Электрообработка жидкостей. Л.: Химия, 1976. - 216 с.

15. Roy N. Lucas. Dehydration of Heavy Crudes by Electrical Means // SPE 1506. Dallas, Tex. Oct. 2-5, 1966. - 9 p.

16. Торза С., Кокс P., Мейсон С. Электродинамическая деформация и разрыв капель // Реология суспензий. М.: 1975. - С. 285 - 333.

17. Christine No'ik, Jiaqing Chen, and Christine Dalmazzone. Electrostatic Demul-sification on Crude Oil: A State-of-the-Art Review // SPE 103808. China. - 5-7 December 2006. - 12 p.

18. Christine NOIK, Christine DALMAZZONE, Philippe GLENATT. Pre-electrocoalescer Unit Adapted to the Extra-heavy Oil Characteristics // SPE/PS/CHOA 117563. Calgary, Alberta, Canada. - 20-23 October 2008. - 121. P

19. Саяхов Ф.Л., Хакимов B.C., Арутюнов А.И., Демьянов А.А., Байков Н.М. Диэлектрические свойства и агрегативная устойчивость водонефтяных эмульсий // Нефтяное хозяйство. 1979. - № 1. - С. 36 - 39.

20. Денисова Н.Ф., Чистяков С.И., Саяхов Ф.Л. К вопросу о диэлектрических свойствах водонефтяных эмульсий // Нефтяное хозяйство. 1972. - № 9. — С. 58 — 60.

21. Саяхов Ф. Л., Хакимов В. С. Обработка водонефтяных эмульсий высокочастотными и сверхвысокочастотными электрическими полями // Электронная обработка материалов. 1978. - № 5. - С. 61 - 63.

22. Саяхов Ф. Л., Хакимов В. С., Куватов 3. X. Влияние радиоволн в сантиметровом диапазоне на диэлектрические свойства водонефтяных эмульсий // Нефтепромысловое дело. 1979. - № 10. - С. 47 - 48.

23. Баширова P.M., Саяхов Ф.Л., Хакимов B.C. Зависимость степени разрушения водонефтяных эмульсий от частоты электромагнитного поля // Нефтепромысловое дело. 1982. - № 2. - С. 25 - 26. .

24. Баширова P.M., Саяхов Ф.Л., Хакимов B.C. Влияние высокочастотного поля на устойчивость водонефтяной эмульсии // Химия и технология топлив и масел. 1983. -№ 2. - С. 23-28.

25. Бенин С.Д., Гершгорен В.А., Романько К.С. и др. Диэлектрическая проницаемость нефтяных эмульсий // Нефтяное хозяйство. 1975. - № 11. - С. 34 — 37.

26. Саяхов Ф.Л., Хакимов B.C. Исследование устойчивости водонефтяной эмульсии в ВЧ электромагнитном поле // Электронная обработка материалов. 1983. — № 6. — С. 15-18.

27. Чистяков С.И., Денисова Н.Ф., Саяхов Ф.Л. Экспериментальное исследование зависимости диэлектрических свойств нефти и её фракций от частоты // Известие ВУЗов. Нефть и газ. 1972. - №5. - С. 53 - 56.

28. Демьянов А.А. Исследование диэлектрической проницаемости нефти и её фракций в диапазонах сантиметровых и миллиметровых волн с целью создания влагомеров: Автореф. диссер. . к.т.н. М. МИНХ и ГП. 1969 г. - 27 с.

29. Куркова З.Е. Исследование и использование диэлектрических свойств нефти и и водонефтяной эмульсии при эксплуатации нефтепроводов и нефтебаз: Автореф. дисс. . на соискание к.т.н. — Уфа. 1980. 27 с.

30. Лукьянов Е.П. Экспериментальное исследование диэлектрической проницаемости нефтей и водонефтяных смесей. Дисс. . к.т.н. Бугульма, 1966. — 278 с.

31. Хмунин С.Ф. Диэлектрическая проницаемость нефтяных эмульсий. -Колл. журн., 1959, т.21, № 6, с.731-736.

32. Исследование диэлектрической проницаемости нефтей в диапазоне сверхвысоких частот. / С.И.Чистяков, Г.А.Бабалян,Ф.Л., Саяхов и др. — В кн.: Сборник аспирантских работ. Вып.- Ш, Уфа, УфНИИ, 1969. С. 194 -204;

33. Саяхов Ф.Л., Чистяков С.И. О зависимости диэлектрической проницаемости нефти от количества воды в диапазоне СВЧ. В кн. Приборы и методы контроля и регулирования влажности: тез. Ш-й научно-техн. конф. - Ленинград, 1969.-С. 37-38.

34. Чистяков С.И., Саяхов Ф.Л., Бондаренко П.М. Экспериментальное исследование диэлектрических свойств безводных и обводненных нефтей в диапазоне частот 1000-3600 МГц // Нефтяное хозяйство. 1969. - № 11. - С. 51 -53.

35. Grant Е.Н., Buchanan T.J., Cook H.F. Dielectric behavior of water at microwave frequencies // Journ. Chem. Phys. 1957. - V. 26, №1. - P. 156-161.

36. Чистяков СИ., Саяхов Ф.Л., Бондаренко П.М. Исследование диэлектрических свойств водонефтяных эмульсий в диапазоне сверхвысоких частот. — В кн.: Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. Труды ВНИИСПТ-нефть, вып. 9. - Уфа, 1972. - С. 346 - 352.

37. Низкоинтенсивные СВЧ-технологии (проблемы и реализации) / Под ред. Г.А. Морозова и Ю.Е. Седельникова. М,: Радиотехника, 2003. - 112 с.

38. Галимов Р.Х., Морозов Г.А., Морозов О.Г. и др. Микроволновые технологии для нефтегазодобывающего комплекса // НТК «Нефть, газ, вода -2002»: Тез. докл. Казань, 2002. - С. 36 - 46.

39. Camila Vega, Mayolett Delgado. Treatment of waste-water/oil emulsions using microwave radiation. // SPE 74167. Kuala Lumpur, Malaysia. - 20-22 March 2002.-12 p.

40. Cindy Jackson. Upgrading a Heavy Oil Using Variable Frequency Microwave Energy // SPE 78982. Calgary, Alberta, Canada. November. 4-7, 2002. - 8 p.

41. Гогосов B.B., Налетова В.А., Шапошникова Г.А. Новые эффекты при техчении двухфазных сред в электрическом поле // ДАН СССР. 1980. - Т. 251, №2. - С. 315-319.

42. Седов Л.И. Механика сплошной среды. М.: Наука, 1976. Т.1.- 536 е., Т.2. - 573 с.

43. Гогосов В.В., Налетова В.А., Шапошникова Г.А. Гидродинамика дисперсных систем, взаимодействующих с электромагнитным полем // Изв. АН СССР. МЖГ. 1977. - №3. - С. 59 - 70.

44. Гогосов В.В., Налетова В.А., Шапошникова Г.А. О конструировании моделей поляризующихся дисперсных и многокомпонентных сред // ПММ. -1979. Т. 43, №3. - С. 489 - 400.

45. Гогосов В.В., Налетова В.А., Шапошникова Г.А. О некоторых моделях многофазных поляризующихся и намагничивающихся сред // В сб.: Некоторые вопросы механики сплошной среды. М.: Изд-во МГУ, 1978. - С. 97 -113.

46. Гогосов В.В., Налетова В.А., Шапошникова Г.А. Диффузионная и многоскоростная модели двухфазных сред в электрическом поле // ПММ. 1980. -вып. 2.-С. 290-300.

47. Саяхов Ф.Л., Фахретдинов И.А., Хакимов B.C. Исследование воздействия высокочастотного поля на каплю // Физика жидкого состояния. Киев, 1980. -Вып. 8.-С. 105- 111.

48. Моррисон (мл.) Нестационарный тепло- и массообмен между каплей и окружающей средой при наличии электрического поля // Теплопередача — 1971.- №2. -С. 121-126.

49. Ландау Л.Д. и Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1982.-620с.

50. Taylor G.J. Studis in Electrohydrodynamics J. The Circulation Produced in Drop by en Electric Filled // Proceedings of the Royal Society. V. 291 A. — 1966. -P. 159-166.

51. Ганиева 3.K., Саяхов Ф.Л. Исследование температурного поля на поверхности эмульсионной капли в высокочастотном электромагнитном поле методом вычислительного эксперимента // Численные методы в прикладной математике: Сб. ст. Уфа, 1986. - С. 68 - 77.

52. Низаева И.Г. Термогидродинамика эмульсионной капли с бронирующей оболочкой в ВЧ электромагнитном поле // Физико-химическая гидродинамика: Межвузовский научный сборник. Уфа, 1989. - С. 58 - 65.

53. Большая советская энциклопедия. Т. 20. М.: Советская энциклопедия, 1975.-С. 348.

54. Меттус А.А., Ольшанский А.П. Пондеромоторные силы в системах из запредельных волноводов //Электрооборудование промышленных установок и автоматизация производственных и электротехнологических процессов. Алма-Ата: КазПТИ. 1977. Вып. 4 С. 139-143.

55. Саяхов Ф.Л., Фатыхов М.А. Высокочастотная электромагнитная гидродинамика: Учебное пособие. Уфа: Издание Башкирского ун-та, 1990. - 79 с.

56. Саяхов Ф.Л., Фахретдинов И.А. К гидродинамике полярной диэлектрической жидкости в высокочастотном электромагнитном поле // Физика жидкого состояния. Киев, 1981. - Вып. 9. - С. 145 - 148.

57. Саяхов Ф.Л., Фахретдинов И.А. Пондеромоторные силы в диспергирующих жидких диэлектриках. Область нормальной дисперсии // Известия ВУЗов: Физика. 1981. -№3. - С. 60 - 64.

58. Мелчер Дж. Р. Электрогидродинамика // Магнитная гидродинамика. -1974.-№2.-С. 3-30.

59. Седов Л.И. О пондеромоторных силах взаимодействия электромагнитного поля и ускоренно движущегося материального континуума с учётом деформации // ПММ. 1965. - Т. 29. - С. 4 - 17.

60. Питаевский Л.П. Электрические силы в прозрачной среде с дисперсией // ЖЭТФ. 1960. - Т. 39. - вып. 5 (11). - С. 1450 - 1458.

61. Штейн А.А. Модели поляризующихся сред и усреднённые соотношения, соответствующие им в случае высокочастотного электромагнитного поля // ПММ. 1977. - Т. 41. - вып. 2. - С. 271 - 281.

62. Макогон Ю.Ф., Саяхов Ф.Л., Хабибуллин И.Л. Способ добычи нетрадиционных видов углеводородного сырья // ДАН СССР. 1989. - Т. 306. - № 4. -С. 941-944.

63. Торнтон И. Электрические стимуляторы для химической промышленности //New Scientist. 1965. - 28. -№466. - С. 188.

64. Ахиезер А.И., Ахтезер И.А. Электромагнетизм и электромагнитные волны: Учеб. пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1985. — 504 с.

65. Общая физика. Электрические и магнитные явления: Справочное пособие / А.И. Ахиезер. Киев: Наукова думка, 1981. - 472.

66. Абрагам-Беккер. Теория электричества. Ленинград, Москва: ГОНТИ НКТП СССР, 1939. - 259 с.

67. Тамм И.Е. Основы теории электричества: Учеб. пособие для вузов. М.: Наука, 1989.-504 с.

68. Саяхов Ф.Л. Исследование термо- и гидродинамических процессов в многофазных средах в ВЧ ЭМ поле применительно к нефтедобыче. Диссертация доктора физ.-мат. наук. М., 1984. - 449 с.

69. Саяхов Ф.Л., Ковалева Л.А. Термодинамика и явления переноса в дисперсных системах в электромагнитном поле. Уфа: Издание Башкирского ун-та, 1998.-176 с.

70. Саяхов Ф.Л., Ковалева Л.А., Галимбеков А.Д., Хайдар A.M. Электорофи-зика нефтегазовых систем: Учебное пособие. Уфа: РИО БашГУ, 2003. — 190 с.

71. Ersoy G., Yu М., Sarica С. Modeling of Inversion Point for Heavy Oil-Water Emulsion Systems // SPE 115610. Denver, Colorado. September. 21 - 24, 2008. -lip.

72. Чефранов K.A. Электрообезвоживание и электрообессоливание нефтей. -М., Л.: Гостоптехиздат, 1948. 104 с.

73. Логинов В.И. Обезвоживание и обессоливание нефтей. — М.: Химия, 1979г.—216 с.

74. Саяхов Ф.Л., Закирьянова Г.Т. О применении ВЧ ЭМ поля для разрушения водонефтяных эмульсий // Всероссийская научно-техническая конференция «Новосёловские чтения»: Тез. докл. Уфа, 1998. — С. 35 - 36.

75. Саяхов Ф.Л., Хакимов B.C., Арутюнов А.И., Демьянов А.А., Дыбленко В.П. Установка для разрушения водонефтяной эмульсии // А.с. СССР № 700163 кл. В 01 D 17/06 С 10 G 33/02. Опубликовано 30.11.1979. Бюллетень № 44 Дата опубликования описания 05.12.1979 г.

76. Саяхов Ф.Л., Имашев Н.Ш., Гирфанов А.А., Латыпова А.Х. Способ обезвоживания эмульсии тяжелой нефти // А.с. СССР № 1490940 кл. С 10 G 33/02, 22.09.1986 г.

77. Саяхов Ф.Л., Хакимов B.C., Арутюнов А. И., Демьянов А.А., Минхайров Ф.Л. Установка для разрушения эмульсии //А.с. СССР №749399 (51) кл. В 01 D 17/06 С 10 G 33/02. Опубликовано 23.07.1980 г. Бюллетень № 27. Дата опубликования описания 28.07.1980 г.

78. Тронов В.П. Разрушение эмульсии при добыче нефти. — М.: Недра, 1974. -271 с.

79. Закирьянова Г.Т. Термогидродинамика эмульсионной капли с бронирующей оболочкой в ВЧ ЭМ поле // Электромагнитная физико-химическая гидродинамика: Межвузовский научный сб. Юбилейный выпуск. Уфа,2000.-С. 100-105.0

80. Саяхов Ф.Л., Хабибуллин И.Л., Ковалева Л.А. Фундаментальные и прикладные проблемы электромагнитных процессов в дисперсных системах // Физика в Башкортостане: сб. статей. — Уфа: Гилем, 1996. — С. 283 295.

81. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. Ч. I. М.: Наука, 1987. -464 с.

82. Нигматулин Р.И., Саяхов Ф.Л., Ковалева Л.А. Перекрестные явления переноса в дисперсных системах, взаимодействующих с высокочастотным электромагнитным полем // ДАН 2001. - Т. 377, №3. - С. 340 - 343.

83. Саяхов Ф.Л., Ковалева Л.А., Насыров Н.М., Галимбеков А.Д. Влияние высокочастотного электромагнитного поля на перекрестные эффекты переноса в многокомпонентных системах // Магнитная гидродинамика. — 1998. -Т. 34, №2.-С. 148- 157.

84. Калашников С.Г. Электричество. -М.: Наука, 1985. 576 с.

85. Физические величины: Справочник / Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мей-лихова.-М.: Энергоатомиздат, 1991 1232 с.

86. Закирьянова Г.Т., Ковалёва Л.А., Насыров Н.М. Исследование процессов тепломассопереноса и динамики расслоения эмульсии при воздействии электрических полей // Вестник ЮУрГУ. Серия «Математика. Механика. Физика», выпуск 1. 2009. - №22. - С. 71 - 77.

87. Закирьянова Г.Т., Ковалева Л.А., Насыров H.M. Моделирование процессов тепломассопереноса и разделение эмульсии под воздействием электрических полей.// Вестник НГУ. Серия физика. 2009. — Т 4, вып. 4. - С. 15 - 22.

88. Закирьянова Г.Т., Ковалёва Л.А., Мусин А.А., Насыров Н.М. О влиянии высокочастотного и низкочастотного электрических полей на кинетику отстоя эмульсии // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. — 2010. Т. 13. № 2. - С. 83-89.

89. Закирьянова Г.Т., Ковалёва Л.А, Насыров Н.М. Двумерное математическое моделирование воздействия высокочастотного электрического поля на эмульсию// Вестник УГАТУ.-Т 14, № 2 (37). 2010 - С. 91-96.