Тепло-и массоперенос многокомпонентных углеводородных систем в высокочастотном электромагнитном поле

Ковалева, Лиана Ароновна

Тепло-и массоперенос многокомпонентных углеводородных систем в высокочастотном электромагнитном поле тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Ковалева, Лиана Ароновна АВТОР

доктора технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Уфа МЕСТО ЗАЩИТЫ

1998 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Тепло-и массоперенос многокомпонентных углеводородных систем в высокочастотном электромагнитном поле»

Автореферат диссертации на тему "Тепло-и массоперенос многокомпонентных углеводородных систем в высокочастотном электромагнитном поле"

Г Б ОД 1 Ц ДЕК 1998

На правах рукописи

КОВАЛЕВА ЛИАНА АРОНОВНА

ТЕПЛО- И МАССОПЕРЁНОС МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ СИСТЕМ В ВЫСОКОЧАСТОТНОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

МОСКВА -1998

Работа выполнена на кафедре физической гидродинамик Башкирского государственного университета.

Научный консультант:

Доктор физико-математических наук, академик РАЕН, член-корр. АН РБ профессор ФЛ.САЯХОВ

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Доктор физико-математических наук, профессор В.В.ГОГОСОВ

Доктор физико-математических наук, профессор К.М.ФЕДОРОВ

Доктор*технических наук, профессор А.К.КУРБАНОВ

Институт механики Уфимского научного центра РАН

№

Защита состоится " Х.И" 1992г. час в

заседании диссертационного совета Д.053.27.12 Российско: государственного университета нефти и газа им. И.М.Губкина по адрес 117917 Москва. Ленинский проспект, 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Росси государственного университета нефти и газа им. И.М.Губкина.

Автореферат разослан

И" // 199 2 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. техн. наук. , ^

СК1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Известно, что около 30% мировых нефтяных запасов приходится на месторождения высоковязких и битумных нефтей, и наблюдается тенденция к росту этой доли. Для добычи таких нефтей требуются специальные технологии. В настоящее время наиболее приемлемой считается тепловая обработка таких залежей с применением либо закачки теплоносителя (пара, горячей воды млн парогаза), либо осуществления внутрипластового горения. Однако в случае сверхвязких и битумных нефтей эти способы малоэффективны, к тому же они экологически небезопасны. Методом, принципиально отличающимся от традиционных, является использование энергии высокочастотного (ВЧ) электромагнитного (ЭМ) поля. Основное его преимущество - осуществление объемного прогрева пласта с возможностью регулирования подаваемой через скважину ЭМ энергии без экологического ущерба окружающей среде. Технологии ВЧ ЭМ воздействия активно прорабатываются и уже успешно реализуются на месторождениях США, Канады, Венесуэлы и др., хотя приоритет научных исследований в этом направлении несомненно принадлежит России, где еще в 60-х годах под руководством профессора Саяхова Ф.Л. были начаты работы по изучению влияния ЭМ полей на среды нефтяной технологии. Наряду с созданием физических основ технологии, многочисленных лабораторных экспериментов были успешно осуществлены опытно -промышленные испытания на Мордово-Кармальском месторождении Татарии.

Более широкому распространению метода ВЧ ЭМ воздействия препятствует наряду с чисто техническими, но преодолимыми сложностями то, что область теплового прогрева призабойной зоны все же остается сравнительно небольшой и составляет 10-15 метров.

В связи с этим разработан новый комбинированный способ разработки месторождений высоковязких и битумных нефтей, включающий осуществление ВЧ ЭМ воздействия в сочетании с закачкой смешивающегося агента и предусматривающий обработку не только эксплуатационных, но и нагнетательных скважин.

Теоретические и экспериментальные исследования показали, что преимущество предложенного автором способа состоит не только в сочетании достоинств того и другого способа, но, кроме того, в проявлении дополнительных эффектов, связанных с особенностями физико - химических явлений в многокомпонентных углеводородных системах при воздействии ВЧ ЭМ поля.

Таким образом, для реализации такой технологии необходимо изучение термодинамики происходящих процессов, сопровождающихся

сложными явлениями тепло- и массопереноса и перекрестными термодинамическими эффектами.

Цель работы: Создание научных основ применения ВЧ ЭМ полей в сочетании со смешивающимся вытеснением на месторождениях высоковязких и битумных нефтей для обеспечения интенсификации их добычи.

Основные задачи исследования:

построение теории взаимодействия многокомпонентных углеводородных систем с внешним ВЧ ЭМ полем;

- экспериментальное изучение особенностей тепло- и массопереноса многокомпонентных углеводородных систем в пористой среде под воздействием ВЧ ЭМ поля;

- математическое моделирование различных вариантов ВЧ ЭМ воздействия на пласт в сочетании со смешивающимся вытеснением и выявление особенностей термогидродинамического поведения системы в пласте и при^абойной зоне нагнетательных скважин;

прогнозирование эффективности ВЧ ЭМ обработки эксплуатационных скважин при различных исходных параметрах и режимах воздействия.

Методы исследования. Поставленные задачи решались путем теоретических и экспериментальных исследований, численных расчетов на ЭВМ, обобщения и анализа публикаций отечественных и зарубежных ученых и опыта промысловых испытаний.

• Достоверность научных выводов и рекомендаций проверялась:

сопоставлением теоретических выкладок и результатов специально поставленных лабораторных экспериментов;

- сравнением результатов численных расчетов и автомодельных решений.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. В результате построения теории взаимодействия многокомпонентных систем с ВЧ ЭМ полем - новом направлении в электромагнитной гидродинамике - обнаружен и экспериментально подтвержден не описанный ранее эффект, характеризующий явление термодиффузионного массопереноса электромагнитного происхождения («электротермодиффузия»),

2. Разработана математическая модель процесса нестационарной фильтрации многокомпонентных систем в ВЧ ЭМ поле с фазовым переходом на подвижной границе, отличающаяся от обычных задач типа Стефана наличием движения флюидов по обе стороны границы и более

общим случаем их взаимного растворения, в том числе - с расплавом твердой фазы, а также зависимостью температуры фазового перехода от концентрации флюидов. Обнаружен эффект локального понижения пластовой температуры в области фазового перехода с образованием «температурных ям» при плавлении твердой фазы парафинового типа. Установлено, что в случае высоковязких нефтей ВЧ ЭМ воздействие является более эффективным.

3. Показано, что воздействием ВЧ ЭМ излучения на призабойную зону нагнетательных скважин возможно управлять ее температурным режимом при закачке растворителя. Сформулирована математическая модель технологического режима вытеснения нефти растворителем при одновременном ВЧ ЭМ воздействии с учетом согласования работы системы «скважина-пласт», что, как правило, не делается при расчетах фильтрационных течений.

4. Предложен новый способ комбинированного воздействия на залежи высоковязких нефтей, предусматривающий ВЧ ЭМ воздействие в сочетании со смешивающимся вытеснением, подтвержденный авторскими свидетельствами и патентами. Теоретически и экспериментально доказано, что эффективность процесса в этом случае будет определяться не только преимуществами каждого из этих методов, но и дополнительными эффектами, обусловленными особенностью взаимодействия ВЧ ЭМ полей с многокомпонентными углеводородными системами.

Результаты, представленные к защите.

1. Термодинамическое описание явлений переноса с учетом перекрестных эффектов в многокомпонентных системах под воздействием ВЧ ЭМ поля. Новый перекрестный эффект, обусловленный воздействием ВЧ ЭМ поля на многокомпонентные системы, - электротермодиффузия.

2. Экспериментальная установка, методика проведения и оценки результатов экспериментов по исследованию диффузионных процессов в фильтрационных потоках под действием теплового и ВЧ ЭМ полей.

3. Математические модели тепло- и массопереноса углеводородных систем в насыщенных пористых средах с учетом фазовых переходов во внешних тепловом и ВЧ ЭМ полях. Эффект локального понижения пластовой температуры. в области фазового перехода с образованием "температурных ям" при плавлении твердой фазы парафинового типа.

4. Математические модели расчета тепловых и концентрационных полей в призабойной зоне нагнетательных скважин при закачке растворителя с одновременным электромагнитным воздействием с учетом электро-физико-химических свойств пластовых систем и особенностях моделирования В системе "скважина - пласт".

5. Методика инженерных расчетов параметров ВЧ ЭМ воздействия на высоковязкие нефти и оценки технологического и энергетического эффектов обработки эксплуатационных скважин.

Научная и практическая ценность работы.

Результаты, полученные в диссертации, расширяют теоретические представления о тепло- и массопереносе в многокомпонентных системах во внешнем ВЧ ЭМ поле. Обнаружены новые, не описанные ранее, перекрестные эффекты, связанные со взаимодействием теплового и ВЧ ЭМ полей. Разработанная методика экспериментальных исследований позволяет изучать и количественно оценивать влияние внешних ВЧ ЭМ полей на многокомпонентные углеводородные системы в пористых средах.

Рекомендации по ВЧ ЭМ воздействию дают возможность выбора оптимальных режимов обработки скважин.

Предложенный способ разработки месторождений высоковязких и битумных нефтей, сочетающий их смешивающееся вытеснение с ВЧ ЭМ обработкой пласта, способствует интенсификации притока и, в конечном итоге, увеличению нефтеизвлечения.

Апробация работы. Основные результаты работы представлялись и обсуждались на научных конференциях, симпозиумах и семинарах, среди которых: Всесоюзное совещание - семинар "Краевые задачи теории фильтрации" (Ровно, 1979); Всесоюзная научно - техническая конференция "Нефть и газ Западной Сибири" (Тюмень,1983,1985); Международная конференция "Free-Boundary Problems"

(Новосибирск,1991); Международная конференция "Flow through porous media" (Москва, 1992); 1-я Всероссийская научная конференция "Фундаментальные проблемы нефти и газа" (мссхва, 1996); Всероссийская школа-семинар "Системный анализ процессов разработки нефтяных месторождений" (Уфа,1996); 2-я научно - техническая конференция "Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России" (Москва, ¡997); 1-й Международный симпозиум "Наука и технология углеводородных дисперсных систем" (Москва, 1997); 111 Международная конференция "Новые идеи в науках о Земле (Москва, 1997); научно-техническая конференция "Методы и технические средства повышения нефтеотдачи" (Москва, 1997); IV Международная конференция "Современные проблемы электрофизики и электродинамики жидкости" (С. - Петербург, 1998); IV Всероссийская школа-семинар "Аналитические методы и оптимизация процессов в механике жидкости и газа" (Уфа, 1998); научный семинар института механики УНЦ РАН под руководством академика Р.И.Нигматулина (Уфа, 1996), научный семинар лаборатории физико - химической гидродинамики института механики

МГУ под руководством профессора В.В.Гогосова (Москва,1997), Всесоюзная к Всероссийская школа-семинар под руководством академика А.Х.Мирзаджанзаде (Уфа, 1988-1997); научные семинары под руководством профессора Ф.Л.Саяхова (Уфа,1989-1997); научно-технические и научно - методические советы БашНИПИнефть, НИИ "Нефтеотдача", НИЦ НК "Лукойл" (1985-1998).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 88 работ, в том числе 19 авторских свидетельств и патентов. Материалы диссертации содержатся в монографии (в соавторстве с Ф.Л.Саяховым) и отражены в научных отчетах, выполненных под научным руководством автора или в качестве ответственного исполнителя, переданных с 1985 по 1997 гг. в "НИИнефтсотдача", НГДУ "Ишимбайнефть", НГДУ "Суторминскнефть", НИЦ НК "Лукойл", ОАО "Ноябрьскнефтегаз", УНЦ РАН и АН РБ.

По теме диссертации под руководством автора подготовлена и защищена кандидатская диссертация.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 225 страниц, в том числе 70 рисунков и 11 таблиц. Список литературы содержит 265 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель и задачи исследования, охарактеризованы основные результаты работы и приведены защищаемые положения.

1. Термо-. и гидродинамика многокомпонентных систем при воздействии высокочастотного электромагнитного поля.

Основное содержание этой главы посвящено теоретическому обоснованию и описанию процессов тепло- и массопереноса в многокомпонентных системах, взаимодействующих с ВЧ ЭМ полем, , на базе современных представлений неравновесной термодинамики, являющейся признанной феноменологической теорией. Начало ее было положено работами Онзагера, а затем она развивалась многими отечественными и зарубежными учеными: В.В.Гогосовым, А.В.Лыковым, Ю.А.Михайловым, Г.А.Остроумовым, В.А.Полянским, Л.И.Седовым,

П.Гленсдорфом, С.Р. де Гроотом, И.Дьярмати, П.Мазуром, Дж. Мелчером, И.Пригожиным, Р. Р.Е.Розенцвейгом, Хаазе и другими.

Зарождается электромагнитная термодинамика, изучающая процессы, происходящие при взаимодействии различных сред с электромагнитными полями. Однако подавляющее большинство исследований в этом направлении описывает поведение сред в квазистационарных электромагнитных полях. Это работы Л.Д.Ландау, Ю.С.Бортникова, К.П.Гурова, И.Б.Рубашова, И.Е.Тарапова, Боа-Те-Чу, Дж.Мелчера и др.

В настоящее время можно говорить о возникновении новой области науки - высокочастотной электромагнитной гидродинамики (ВЧ ЭМГД), становление которой базируется на работах Ф.Л.Саяхова, Л.П. Питаевского, А.А.Штейна и др., в которых изучается взаимодействие однородных по компонентному составу сплошных сред с ВЧ ЭМ полями. В случае же многокомпонентных систем, поляризующихся в ВЧ ЭМ поле (именно таковыми являются нефти и ее составляющие), основной задачей является выделение и описание явлений переноса и, в особенности, возникающих при этом перекрестных эффектов (Соре, Дгофура, Пельтье и ДР-)-

Рассмотрение ВЧ ЭМ воздействия в сплошных средах предполагает, что оно представляет собой квазимонохроматическое поле вида:

£ = £0(г,/)ехр((<у/), //= Я0О,/)ехр(/'йл), (1)

где Ё0{г), Н[}(г) - комплексные значения амплитуд напряженностей электрического и магнитного полей, зависящие от пространственных координат; г - координата; / - время; / - мнимая единица; со - угловая частотаВЧ ЭМП.

Среда подчиняется следующим уравнениям состояния:

Ь = ей£{р,Т)Ё, В = ^{р,Т)Н, (2)

ТрЛ

¿ = Л-- = 11скек, (3)

Р к

где диэлектрическая проницаемость к-го компонента есть комплексная величина, зависящая от частоты поля, плотности р и температуры Т среды:

£ = £\оз,р,Т)-1е'\со,р,Т). (4)

Здесь рк и ск = — - плотность и массовая концентрация к-го компонента; Р

е0 - диэлектрическая проницаемость вакуума, е'к , ек" - действительная и мнимая части диэлектрической проницаемости к-го компонента. Закон сохранения массы для компонента к и системы в целом имеют вид:

{

+ ("V)c4J = -div Jk, ^- = -pdivü,

(5)

где ü — p ~ ~ скорость центра масс, причем:

к к

ХЛ=о, P=Y.pk> Zc*=1- (б)

* к к

На базе принципов линейной термодинамики необратимых процессов и законов сохранения среды в ВЧ ЭМ поле получены выражения для диффузионного и теплового потоков:

Л=vc -

Й v >Г2 Г[<?р y pydCj J

d_ dco

dp 2p 2p

Vp-

2p 2p

(7)

2 P

Vp-

2 p

Ч&-

(8)

(¡та)

где ^-fr, ^ = (9)

энтальпии /-го компонента без учета и с учетом ВЧ ЭМ воздействия;

параметр ик = носит название энергии переноса массы.

Более подробное рассмотрение выражения для диффузионного потока к-то компонента, в пренебрежении слагаемыми, содержащими 1^7=0, Уса= 0, а также зависимостью диэлектрической проницаемости от температуры, дает:

1 I I И-у

(я -И*)

\УГ

2р + 2р е0ер(Е-Ё*) щУ(й-н')

УГ

Г2

(10)

2 р

Анализ полученного выражения показывает, что диффузионный поток складывается из следующих эффектов переноса: концентрационного (прямого) переноса, определяемого первым слагаемым . в правой части (10), термодиффузионного и электродиффузионного переносов (перекрестные эффекты), определяемых соответственно вторым и третьим слагаемыми. При этом выражение для термодиффузионного переноса включает собственно термодиффузию (первое слагаемое в фигурных скобках), называемое эффектом Соре, и, кроме того, дополнительное слагаемое

Тр

и0//;(//•/Г) 2р

УГ

(П)

характеризующее вклад в термодиффузионный перенос ВЧ ЭМ поля.

Таким образом, ВЧ ЭМ поле в многокомпонентной среде проявляет себя двояким образом: 1) непосредственным воздействием, выражающимся в электродиффузионном переносе вещества и обусловленным наличием градиента напряженности поля; 2) "скрытым" влиянием поля, выражающимся в его воздействии опосредственно, как составная часть термодиффузионного потока. Наряду с известными перекрестными эффектами в многокомпонентных системах под воздействием ВЧ ЭМ излучения возникает новое явление - перекрестный электротермодиффузионный перенос массы.

В частном случае поляризующейся ненамагничивакмцейся двухкомпонентной системы, движущейся в ВЧ ЭМ поле, с учетом

зависимости е'(Т) получены следующие выражения для коэффициентов массопереноса:

£) = —^---—[ —- коэффициент взаимной диффузии;

рТ Х-с.Удс,)^ -

Иг - — + ы*^ - коэффициент термодиффузии,

характеризующий появление диффузионных потоков при наличии градиента температуры (эффект Соре);

ПЕ = £,0(г12~£'|) - коэффициент электродиффузии, 2р Г

характеризующий вклад ВЧ ЭМ поля в диффузионные потоки;

= 2р2Т2 ~€'2 ^ ~ } ' коэФФи«иент

электротермодиффузии, характеризующий вклад в термодиффузию ВЧ ЭМ поля.

Следует особо отметить, что эффект электротермодиффузии может быть весьма существенным и значительно превышать обычный термодиффузионный перенос, т.к. последний определяется, как это видно из приведенных выражений, внутренними параметрами системы: разностью энтальпий компонентов (или их химических потенциалов), в то время как электротермодиффузия - как внутренними (разностью диэлектрических проницаемостей компонентов), так и внешними параметрами: в данном случае с учетом принятых упрощений, напряженностью электрического поля.

Таким образом, суммарный коэффициент термодиффузии [)' при воздействии ВЧ ЭМ поля состоит из двух частей: собственно термодиффузии £>г, возникающей из-за наличия градиента температуры, и дополнительной термодиффузии , возникающей из-за наличия градиента температуры в результате действия ВЧ ЭМ поля:

В свою очередь коэффициент термодиффузии ог можно записать в

виде:

йГ = атО,

в котором ат - параметр термодиффузии. Аналогичным образом введем параметр электротермодиффузии (параметр термодиффузии электромагнитного происхождения) а£:

а также параметр электродиффузии аЕ :

Сформулированные теоретические выводы были подтверждены описанными во второй главе диссертации специально проведенными экспериментальными исследованиями. А именно, было показано, что даже в случае воздействия на среду однородного по пространству ВЧ ЭМ поля (а в соответствии с построенной теорией это означает равенство нулю слагаемых, пропорциональных т.е. характеризующих

электродиффузионный перенос), имеет место "скрытое" действие поля, названное здесь электротермодиффузионным переносом. По результатам этих экспериментов была осуществлена и численная оценка некоторых перекрестных параметров, подтвердивших вывод о значительно более существенном вкладе электротермодиффузиониого переноса по сравнению с собственно термодиффузиониым.

2.Экспернментальные исследования влияния высокочастотного электромагнитного поля на диффузионные процессы при фильтрации многокомпонентных систем.

При проведении экспериментов преследовались следующие цели:

1. Оценить эффективность комбинированного воздействия на среду ВЧ ЭМП и смешивающегося вытеснения, т.е. определить коэффициент нефтевытеснения, а также получить сравнительные данные в экспериментах по смешивающемуся вытеснению, сопровождающемуся внешним тепловым прогревом модели пласта, и "холодному" смешивающемуся вытеснению, не сопровождающемуся каким-либо внешним воздействием.

2. Провести сравнительный анализ для указанных выше экспериментальных исследований, определить основные параметры, характеризующие процесс смешивающегося вытеснения:

коэффициент конвективной диффузии, характеризующий интенсивность взаимоперемешивания и величину переходной зоны смеси;

- скорость продвижения "фронта" вытеснения, как характеристику возможных темпов отбора пластовой нефти, ее смеси с вытесняющим агентом и прорыва последнего в эксплуатационную скважину.

3. Использовать полученные экспериментальные данные для оценки перекрестных эффектов на базе результатов термодинамического описания многокомпонентных систем в ВЧ ЭМП, приведенного в предыдущей главе.

Для изучения этих вопросов проводилась серия опытов, каждая из

которых включала три эксперимента, осуществляемых без какого-либо воздействия на модель пористой среды, затем под влиянием ВЧ ЭМ поля и, наконец, под действием теплового подогрева. Результаты, полученные в ходе экспериментов, сравнивались и анализировались.

Необходимым условием выполнения исследования являлось соблюдение совершенно одинаковых параметров (физические характеристики модели, перепады давления, температура ВЧ и теплового прогрева) при выполнении всех трех экспериментов.

Проведение эксперимента включало в себя три этапа: подготовка трех идентичных моделей пласта; процесс насыщения модели нефтью и определение основных параметров (пористость, проницаемость и др.) и вытеснение нефти из модели смешивающимся агентом. С точки зрения эффективности метода основным параметром, который определялся в процессе эксперимента, являлся коэффициент нефтевытеснения, для чего отбираемые в процессе эксперимента пробы анализировались на степень содержания в них вытесненной нефти и растворителя. Кроме того, методами фотоколориметрии определялось изменение концентрации выходящего растворителя в течении времени,' что позволило количественно - через коэффициент конвективной диффузии - судить об интенсивности массообменных процессов в фильтрационном потоке при воздействии ВЧ ЭМП.

Исследование процессов вытеснения нефти растворителем при одновременном воздействии ВЧ ЭМП осуществлялось на экспериментальной установке, основной частью которой служила специально изготовленная модель пласта из неэлектропроводного материала - полихлорвиниловой трубки с внутренним диаметром 22 мм и » длиной 50 см. В качестве наполнителя пористой среды использовался кварцевый песок с фракционным составом 0.5 - 0.25 мм. На этапе подготовки определялись основные фильтрационные характеристики модели - пористость и абсолютная проницаемость, а после насыщения нефтью - нефтенасыщенность модели. В качестве вытесняемого агента использовалась высоковязкая нефть Игринского месторождения (200 сПз при 20 °С) с большим содержанием асфальтенов (8,45%), смол (50%) и парафинов (4%). Вытесняющим агентом служил осветленный очищенный керосин.

Генератором ВЧ ЭМ поля служила установка промышленного изготовления ВЧДЗ-6/81 мощностью 6 кВт и рабочей частотой ЭМ колебаний 81.36 МГц. Модель пористой среды помещалась внутри генератора на нижнем электроде. На выходе из модели устанавливалась мерная термопара предварительно отградуированная и подключенная к амперметру1. Эта процедура использовалась как для контроля за

1С участием М.А.Фатыхова.

процессом переноса тепла при ВЧ ЭМ воздействии, так и для проведения контрольного эксперимента. Последний заключался в следующем. Изготавливалась идентичная модель пласта, которая в процессе эксперимента прогревалась с помощью обмотки из нихромовой проволоки, используемой в качестве электронагревателя. При этом аналогичным контролем за температурой добивались таких же ее значений, как и в эксперименте с воздействием ВЧ ЭМП. Кроме того, был проведен эксперимент, в ходе которого осуществлялось вытеснение нефти растворителем без какого - либо внешнего воздействия.

Результаты экспериментальных исследований показали, что воздействие ВЧ ЭМ поля оказывает значительное влияние на характер смешивающегося вытеснения, на его качественные и количественные характеристики. Так, коэффициент нефтевытеснения при ЭМ воздействии в одной из серий экспериментов составил 0.87, тогда как при тепловом прогреве и "холодном" вытеснении - 0.68 и 0.60 соответственно.

Кроме того, воздействие поля оказало влияние на время начала фильтрации нефти. В опыте с воздействием ВЧ ЭМ поля оно равнялось 4 минутам, в случае теплового прогрева модели до той же температуры, что и при ВЧ ЭМ воздействии, оно составило более 8 минут, а в эксперименте без воздействия - 29 минут. Это объясняется тем, что воздействие ВЧ ЭМ поля приводит к появлению дополнительной движущей (пондеромоторной).силы, которая возникает в среде, содержащей большое количество полярных компонентов.

Для коэффициентов диффузии получены следующие значения по результатам первой и второй серий экспериментов:

£>£ = 0.215 и 0.310 см2/с - при воздействии ВЧЭМ поля;

0.169 и 0.281 см2/с - при тепловом прогреве;

£> = 0.117 и 0.142 см2/с - без воздействия внешних полей.

Полученные экспериментальные результаты с очевидностью показали, что воздействие ВЧ ЭМ поля существенно интенсифицирует процесс диффузионного переноса массы. Поэтому интерес представляет определение полученных выше соответствующих перекрестных коэффициентов О, и В/ или, что то же, параметров ат и а/'. Оценка этих параметров осуществлялась путем сопоставления результатов экспериментов и математического моделирования.

Основным уравнением, описывающим рассматриваемые процессы, является уравнение конвективной диффузии относительно изменяющихся во времени и пространстве массовых концентраций компонентов С, (учитывая геометрические параметры экспериментальной модели, задача считается одномерной):

э2

дС} с?1 с, <?т

+ = 0-¿ + (а7 + -. (12)

д\ ск ¿к2 А2

Здесь /=1, 2 - индексы компонентов соответственно для растворителя и нефти! Скорость фильтрации V определяется из закона Дарси

к дР /V &

а распределение давления Р и температуры Т - из уравнений пьезопроводности

.Л

(14)

дР = к д( 1 сР ~ трг+ря&\/гг А

и теплопроводности

дТ д{.Я\ дТ

^ТгЖЖ^Т^ (15)

в которых Л - коэффициент теплопроводности насыщенной пористой среды; ш - пористость среды; /5у-,Д - коэффициенты сжимаемости соответственно смеси компонентов и скелета породы; ст,рт -коэффициенты удельной теплоемкости и плотности насыщенной пористой среды; к - проницаемость; <3 - распределенные источники тепла, возникающие в, среде вследствие поглощения энергии ВЧ ЭМ поля;

- соответственно удельная теплоемкость, плотность и

динамическая вязкость смеси компонентов.

Выражение для распределенных источников тепла записывается в

виде:

дЛае0еЧ3б\Е\2 , (16)

где 0 = 2л/" - круговая частота ЭМ поля; / - циклическая частота поля; tgS -тангенс угла диэлектрических потерь среды.

Для коэффициента вязкости смеси принята формула Кендалла:

1пр5 = С, 1п //, + С21п р2, (13)

в которой вязкости компонентов зависят от температуры:

АТ), (14).

Начальные и граничные условия приняты в виде:

Р(х,0)=Рв; Т(х,0)=Т0; С, (х,0)=0;

Р(0,1)=Рь; Т(0,0=Ть; С, (0,0=1; (15)

Р(Ь,1)=Р„; v ' ' =0; —!- = 0.

ск ах.

Задача решалась методом конечных разностей по неявной схеме.

Расчеты проводились при следующих параметрах: Р0 =0,1 МПа; Т0 = 22 °С; Ть =22 °С; т=0,41; /'.=0,5 м; ¿=2,9-10"11 м2; а<.=2038000 Дж/(м3-К); Д=10"у Па"1; Д.=1010 Па'; />1,17-10"5 м2/с; щ, =1,73-10"3 Пас; ^=0,2 Па с; /,=0,0128 К"1; к?=0,042 К'1; Лс=1,67 Вт/(м-К); Д2=0,125 Вт/(м-К); а;>=1912680 Дж/(м3-К); ¿г'=3,426; /£>5=0,008274.

Численное моделирование проводилось по принципу итеративного процесса приближения к такому значению искомого параметра, при котором заданная точность его определения удовлетворялась одновременно изменяющимся во времени концентрации растворителя, расхода флюида и температуре на выходе из модели пласта.

В результате были получены следующие значения искомых параметров:

а т= 0,0025 К"1 и а ^ = 0,115 К"1 - для первой серии экспериментов,

ат= 0,001 К'1 и а^ = 0,045 К"' - для второй серии экспериментов.

Полученные результаты говорят, в первую очередь, о том, что при относительно малом вкладе термодиффузионного эффекта Соре, доля термодиффузии при ВЧ ЭМ воздействии (электротермодиффузии) возрастает более, чем на порядок.

3. Математическое моделирование нестационарной фильтрации многокомпонентных систем с фазовым переходом в ВЧ ЭМ поле.

В процессах добычи, подготовки и транспортировки тяжелых высоковязких нефтей актуальны проблемы, связанные не только с необходимостью снижения их вязкости, но иногда и с борьбой с отложениями твердой фазы (битум, парафин, асфальтосмиолистые соединения). Это особенно важно для месторождений, находящихся в суровых природно - климатических условиях со значительными сезонными колебаниями температуры.

В данной главе исследуется процесс фильтрации .многокомпонентной углеводородной системы в пористой среде, насыщенной высоковязкой нефтью, а также частично заполненной тверд ой углеводородной фазой (битум или парафин), в которую нагнетается

смешивающийся агент (растворитель). Кроме того, одновременно осуществляется воздействие на пласт мощным электромагнитным полем, сопровождающееся возникновением в пористой среде объемных источников тепла.

В рамках рассматриваемой физической модели полагается, что в пористой среде образуется подвижный фронт фазового перехода 1-го рода - геометрическая поверхность нулевой толщины - положение которого определяется соотношениями фазового равновесия. Изучается также наиболее обший случай вытеснения с растворением, когда нагнетаемый агент, вытесняемая жидкость и расплав твердой фазы смешиваются между собой. Полагается, что вне движущейся границы фазового перехода температуры фаз и компонентов одинаковы. Приняты также допущения о безынерционности движения флюидов, отсутствии объемного расширения твердой фазы.и деформации скелета пористой среды.

Система уравнений, описывающих процесс фильтрации многокомпонентной углеводородной системы в радиальном случае при воздействии ВЧ ЭМ поля, включает уравнение пьезопроводности, теплопроводности и диффузии:

жгп

Начальные и граничные условия:

(19)

Р(г,0) = Р0, Г(г,0) = Tй,Cj (г,0) = 0, у = 1,2; С3 (г,0) = 1;

(20)

(21)

Условия непрерывности давления, температуры и концентрации на подвижной границе/?(7):

P/(R,t)--=P2(R,t), T,(R,i)-T2 (R,t)=Tf, Cij(R,t)-C2f(R,t), j= 1,2; а также соотношения баланса тепла и массы:

, дТх . дТ2 , dR -Я J-+A 2—1.= щрг1 _; (23)

or or dt

( „ „ <?Cr

AQl ~ A I = A> [M2 С21 --°21 ^Г]' <24)

A(«I C12 - A2 + ЩР, = Pi Uc22-Dn ; (25)

P\u\ + ЩPs 77 = Pi u2> Pi = —?r-; (26)

df vfx

^ „о

м, = v, - A/,—-, i/2 = v2- M2—— . (27)

dt dt

В общем случае положение границы в каждый момент времени должно определяться соотношением фазового равновесия, связывающего температуру, давление и концентрацию:

w =//р, оад/. (28)

В случае заданной температуры фазового перехода предполагается, что температура на подвижной границе постоянна и определяется температурой плавления твердой фазы Т = const. Использование такого условия, очевидно, обосновано в тех случаях, когда тепловой фронт либо опережает массоперенос (т.е. процесс внедрения растворителя), либо, по крайней мере, не слишком отстает от него, и плавление происходит при малых концентрациях растворителя. В тех же случаях (гораздо более вероятных), когда проникновение растворителя в глубь пласта опережает распространение тепла, должен учитываться тот факт, что плавление твердой фазы будет происходить при температуре, зависящей от концентрации флюидов.

Еще в большей степени это относится к тем случаям, когда твердыми отложениями в пористой среде являются битумные асфапьтено -смолистые соединения, способные к растворению и при невысоких (в том числе пластовых) температурах и не имеющих в чистом виде (в отличие от веществ кристаллической природы) фиксированной температуры плавления. Здесь было бы уместно говорить скорее о температуре

размягчения или начала текучести, а термин "температура фазового перехода", который будет для определенности употребляться и в дальнейшем, разумеется весьма в этом случае условен.

Получение искомых зависимостей температуры фазового перехода от концентрации в каждом конкретном случае осуществляется экспериментально. В случае парафиновых отложений такая зависимость была получена автором ранее и имеет вид:

18(ТГ 293,5) = 1,524 + ¡8 Са (29)

где Т/ - температура фазового перехода, С„- концентрация парафина в жидкой фазе растворителя.

Для битумных отложений подобная зависимости была аппроксимирована по результатам специально поставленных экспериментов2:

7> = 333.97-^(Сб)-309.95 при 056<Сб < 1;

(30)

Т}=Тт при 0<Сй <0.56.

Достоверность результатов численных расчетов поставленных задач проверялась их сопоставлением с автомодельными решениями, которое показало менее, чем 5%-ое расхождение при расчетах полей температуры, давления, концентраций и в пределах 8-10 % - в вычислениях распределения концентрации расплава твердой фазы.

Анализ результатов численных решений показал значительное влияние ВЧ ЭМ поля, обеспечивающего гораздо более высокую скорость движения границы фазового перехода уже на первых часах процесса. Еще более очевидное преимущество ВЧ ЭМ воздействия поля сказывается на количестве расплавленного вещества, на порядок превышающее его значение при закачке растворителя в отсутствии поля. В последнем случае подразумевается, что на забое скважины поддерживается столь же высокая температура, как и при наличии поля.

В результате проведения расчетов с варьированием начальной температуры пласта обнаружены некоторые особенности рассматриваемых процессов: оказалось, что при более высоких ее значениях температура вначале резко снижается ниже пластовой и лишь по истечении некоторого времени вновь выравнивается, образуя таким образом в пространственном рассмотрении некоторую "температурную яму" конечных, но увеличивающихся со временем размеров. Наличие "температурных ям" объясняется тем, что процесс плавления парафина является фазовым переходом 1-го рода, происходящим, как известно, с поглощением тепла, недостаток которого в самой системе компенсируется

'Совместно с Ф.С.Хисматуллиной.

поглощением тепла из окружающей среды, что и приводит к локальному понижению пластовой температуры в области фазового перехода.

Результаты численных расчетов при наличии в пласте отложений битумного типа показали, что при общей аналогии результатов с соответствующими решениями для отложений парафинового вида плавление происходит более интенсивно. Специальные численные исследования по изучению влияния вязкости пластового флюида на эффективность рассматриваемого процесса показали, что относительно более выгодным воздействие ВЧ ЭМ полем на процесс смешивающегося вытеснения оказывается в случае высоковязких нефтей.

4. Изучение особенностей тепломассопереноса при нагнетании растворителя с одновременным электромагнитным воздействием.

Эта глава диссертации посвящена более подробному анализу процессов переноса в призабойной зоне нагнетательных скважин с целью возможности управления ее температурным режимом, и в плане использования таким образом энергии ВЧ ЭМ поля рассматривается впервые.

В соответствии с предложенной технологией комбинированного воздействия электромагнитные волны (ЭМВ) от наземного генератора передаются в пласт с помощью коаксиальной системы труб нагнетательной скважины, а растворитель - по внутренней трубе той же системы. Вследствие конечной электропроводности труб они нагреваются, а вместе с ними нагревается и растворитель. Таким образом он попадает в пласт уже в горячем виде, причем температура зависит от давления на забое скважины, мощности и частоты генератора ЭМВ и многих других факторов, т.е. имеется возможность управления глубиной и интенсивностью воздействия на пласт.

Математическая модель, описывающая этот процесс, вполне аналогична системе уравнений (1б)-( 19) в случае однообластной задачи:

дР к 1 д

д1 тР1 + /3, г дг

дР

дг

(31)

дТ ,1 д ( дТ

Ср -= Л--г-

т / т ; о | л

г ог\ дг )

дТ

(32)

к дР

У=--; (33)

цг дг

дС. 1 д

т—— =--

д1 г вг

Вг-

дС,

-V—(34) ОТ

а-

1пц{- С11пц1 + С21пр2. ц =Ц0} ехр(-у,ДТ), (3 5)

Далее проводится оценка потерь энергии в линии передачи электромагнитных волн и обоснование граничных условий. При оценке возможного нагрева растворителя, распространяющегося в НКТ от устья скважины к забою, полагается, что в межтрубном пространстве скважины находится воздух и потери энергии там отсутствуют, потери энергии в обсадной колонне идут на нагрев окружающих скважину пород, а потери энергии в НКТ полностью затрачиваются на нагрев самих труб и растворителя. Температура, которую получит растворитель по мере продвижения от устья скважины к забою, определена следующим выражением:

= (36)

СкРкёь

где IV - мощность энергии, выделяемой в НКТ, определяемая разностью мощностей генератора и излучателя, глубиной залегания продуктивного пласта и коэффициентами затухания ЭМВ в НКТ и обсадной колонне; Ть сь д - температура, удельная теплоемкость и плотность закачиваемого растворителя (в конкретных расчетах использовались параметры керосина). При этом входящий сюда расход растворителя может либо задаваться постоянным, и тогда давление на забое скважины определяется уравнением Дарси на забое скважины:

к дР\ V....." ¡Л; ог

либо соответствующим образом вычисляться при поддержании постоянного давления нагнетания.

Другие краевые, а также начальные условия имеют следующий вид:

С]= 1; Р\Г=К~Р0; Т\Г=К~Т0; С[|г=/г=0;

Р(г,0) = Р0; Г(г,0) = Г0; С,(г, 0) = 0. (38)

Задача (31) - (38) решалась методом конечных разностей по неявной схеме в двух вариантах задания граничных условий: 1) давление на забое скважины Р постоянно и 2) постоянным поддерживается расход нагнетаемого агента по соответствующей формуле в (21).

ит\2тгИгь——¡,4|= (37)

Расчеты показали, что в обоих, случаях наличие растворителя способствует быстрому перераспределению температуры в пласте и приводит к переносу от нагнетательной скважины нежелательно высоких температур, которые могут привести к коксообразованию и закупорке призабойной зоны. Сопоставление температурных и концентрационных полей показало, что массоперенос в пласте со временем все больше опережает теплоперенос, однако возможно регулирование этими процессами заданием соответствующих параметров воздействия с учетом физических свойств флюидов.

При задании на забое скважины постоянного давления обнаружено явление немонотонного изменения температуры и расхода нагнетаемого агента. Проведение численных экспериментов показало, что наиболее существенными факторами, определяющими характер наблюдаемого процесса, являются забойное давление и мощность излучателя электромагнитной энергии.

Далее рассматриваются математические модели, позволяющие регулировать температурные поля в нагнетательных скважинах с учетом совместной работы системы "скважина-пласт". Показано, что введение такого согласования дает более точную и объективную информацию о процессе смешивающегося вытеснения высоковязкой нефти при одновременном воздействии ВЧ ЭМ поля.

5. Исследование процессов тепло- и массопереноса в прикладных задачах ВЧ ЭМ воздействия на залежи высоковязких и битумных нефтей.

В данной главе разрабатывается методика инженерных расчетов основных параметров, технологической и энергетической эффективности воздействия ВЧ ЭМ полем на эксплуатационные скважины.

Приближенная оценка возможно допустимого значения увеличения дебита скважины при ВЧ ЭМ воздействии осуществляется по отношению достигнуто дебита скважины к первоначальному и определяется из выражения:

K^J—*- (39)

ir»

Для решения этой задачи необходимо знание функциональной зависимости вязкости от температуры в каждой точке пласта Т(г). Явный вид подобной зависимости был получен по экспериментальным данным

изменения вязкости от температуры Русского месторождения и аппроксимирован следующим выражением:

т](Т) = щ ехр{-у (Т - Та)} , (40)

где ц(Т) и Щ - вязкость пластовой нефти при температуре Т и начальной пластовой температуре Т0 соответственно, у - константа аппроксимации.

Распределение температуры в продуктивном пласте определяется из решения уравнения распространения тепла в виде:

, 1 д(УТ\ С«Р&дТ , <е)

где ({-^ - распределенные источники тепла, определяемые из

» __ с-1а{г-га) _

выражения:

аЩ лгк

Уравнение (5.3.5) решается численно методом конечных разностей на ЭВМ при следующих начальном и краевых условиях:

Т(0,г) = Т0; = 0; Т(Щ = Т0, (42)

аг

где К - внешний радиус притока.

В расчетах мощность генератора варьировалась от 20 до 100 кВт. По результатам расчетов оценены значения текущего дебита нефти при ВЧ ЭМ воздействии и накопленной добычи при разных временах обработки скважин (30, 60 и 90 сут.). При этом учитывался накопленный дебит работы скважины до того момента времени, когда ее текущий дебит примерно устанавливался на уровне первоначального (до ВЧ обработки). Показано, что технологически целесообразнее проводить последовательную обработку скважин одной ВЧ установкой, при этом годовая дополнительная добыча при последовательной обработке 10 скважин в течение, например, 30 сут. составила 1994,8 тонн.

С экономической точки зрения представляет интерес расчет энергетического баланса при ВЧ ЭМ воздействии с учетом возможного количества обработок. Методика такого расчета учитывает выходную мощность генератора и неизбежные потери энергии в линии передачи от устья скважины к забою, а также тепловые потери ВЧ ЭМ энергии в скважине, связанные с окислением и загрязнением поверхности НКТ и обводненостью продукции, в линии электропередачи от тепловой электростанции и самой электростанции, где будет условно использована добытая нефть, до места расположения ВЧ ЭМ генератора.

Результаты расчетов за определенный календарный период времени приведены в таблице.

Таблица

Энергетический баланс ВЧ воздействия за 1 год

Время Дополн. Полученный Потребляемая Балансовый

обработки добыча энергетическ. мощность эквивалент,

скважины нефти за эквивалент Е, генератора П, КЭМ=Е/П

сут год, тонн Дж Дж

30 287 13,2* 10й 2,1 * 1012 6,4

60 586 27,1*10" 4,2*1012 6,5

90 857 39,5*1012 6,2* 1012 6,35

Из приведенной таблицы видно, что при расчетах за определенный конечный промежуток времени (1 год) балансовый коэффициент практически не зависит от времени обработки скважин, и в эквивалентных единицах при сжигании одной тонны нефти при ВЧ ЭМ воздействии можно получить более шести тонн дополнительной нефти.

Однако с точки зрения эффективности работы одной ВЧ установки на месторождении, очевидно, более предпочтительным является вариант с 30-ти суточным периодом обработки скважин, т.к. при этом может быть обработано порядка 10 скважин (с учетом монтажно-демонтажных работ).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволили автору разработать научные основы применения ВЧ ЭМ полей в сочетании со смешивающимся вытеснением на месторождениях высоковязких и битумных нефтей для обеспечения интенсификации их добычи в рамках развивающегося научного направления электромагнитной термодинамики многокомпонентных сред.

Основные результаты и выводы по диссертационной работе сводятся к следующим:

I. В данной диссертационной работе путем теоретических (на базе идей и методов неравновесной термодинамики) и экспериментальных исследований разрабатывается одно из новых научных направлений высокочастотной эл'ектрогидродинамики (ВЧ ЭГД)

высокочастотная электромагнитная гидродинамика

многокомпонентных систем. Исследования ВЧ ЭГД процессов в многокомпонентных системах ведется применительно к дисперсным

углеводородным средам, представляющим собой полярные неэлектропроводные диэлектрики, с целью создания новых технологий интенсификации нефтедобычи на месторождениях высоковязких нефтей и битумов.

2. На основе рассмотрения феноменологической теории, описывающей термогидродинамические процессы и явления переноса в многокомпонентных движущихся поляризующихся системах в ВЧ электромагнитных полях (ЭМП), в нерелятивистском приближении теории Минковского сформулированы основные уравнения тепло- и массопереноса. Показано, что влияние ВЧ ЭМП проявляется как в виде непосредственного дополнительного воздействия на явления диффузии и теплопроводности, а также опосредственно через усиление перекрестного термодиффузионного переноса массы - явления электротермодиффузии.

3. Разработана методика комплекса экспериментальных исследований, включающего проведение нескольких серий сопоставительных экспериментов для выявления влияния ВЧ ЭМП на явления тепло- и массопереноса в углеводородных дисперсных системах на модели смешивающегося вытеснения нефти в пористой среде. Результаты экспериментов подтвердили сформулированные теоретические выводы и позволили в приведенных конкретных случаях численно оценить вклад ВЧ ЭМП в перекрестные коэффициенты диффузионного массопереноса.

4. В результате проведенных экспериментальных исследований показано, что ВЧ ЭМП существенно интенсифицирует процесс нефтевытеснения и способствует более полному отмыву тяжелых углеводородных компонентов, что позволило предложить новый комбинированный способ разработки месторождений высоковязких нефтей, не только сочетающий в себе достоинства смешивающегося вытеснения и ВЧ ЭМ воздействия, но дающий дополнительный эффект, обусловленный обнаруженным эффектом электротермодиффузионного массопереноса. Выявлено также заметное уменьшение времени начала фильтрации высоковязкой нефти в модели с ВЧ ЭМ воздействием по сравнению с тепловой обработкой и вытеснением без наложения внешних полей, что объясняется объемным тепловым действием ВЧ ЭМП и возникновением дополнительной движущей (пондеромоторной) силы в средах, содержащих большое количество полярных компонентов (такой является высоковязкая нефть, которая содержит большое количество асфальтено - смолистых соединений).

5. Разработана математическая модель и выполнены теоретические исследования ВЧ ЭМ воздействия на процесс фильтрации многокомпонентной углеводородной системы в среде,

содержащей твердые отложения (парафинового и битумного происхождения). При этом в отличие . от аналогичных задач Стефановского типа рассматривается наиболее общий случай вытеснения с растворением, когда вытесняющий агент, пластовая жидкость и расплав твердой фазы смешиваются между собой и движутся в общем фильтрационном потоке по обеим сторонам подвижной границы. Замыкающие систему уравнений кривые фазового равновесия в обоих случаях найдены эмпирическим путем по результатам специально проведенных экспериментов. Показано, что влияние ВЧ ЭМП сказывается весьма положительно, что проявляется в интенсификации процесса плавления твердых отложений и более быстром перемещении по пласту подвижной границы фазового перехода. Установлено относительно более эффективное воздействие ВЧ ЭМП на процесс смешивающегося вытеснения высоковязкой нефти.

6. Обнаружен эффект локального понижения температуры в области фазового перехода отложений парафинового происхождения в жидкую фазу (расплав) в случаях небольших перепадов температур при учете зависимости температуры фазового перехода в системе «парафин - растворитель» от их концентрационного соотношения.. Воздействие ЭМП существенно изменяет и профили распределения температуры в среде. В области, где фазовый переход уже произошел, наблюдается характерный «горб» в распределении температуры, что является следствием действия объемных тепловых источников.

7. Исследованы процессы тепломассопереноса в призабойной зоне скважин в процессе нагнетания в углеводородную залежь растворителя при одновременном воздействии высокочастотным электромагнитным полем. Проведена оценка потерь энергии электромагнитного поля, выделяемой в скважине и затрачиваемой на нагрев растворителя. Показано, что наличие объемных источников тепла в призабойной зоне нагнетательной скважины приводит к интенсивному, глубокому прогреву продуктивного пласта с небольшим градиентом температуры за счет конвективного переноса тепла движущейся системой.

8. Обнаружено, что при заданном постоянном давлении нагнетания температура и расход закачиваемого растворителя на забое скважины могут немонотонно меняться во времени, хотя в целом, температура уменьшается, а расход растет. Наиболее существенными факторами, определяющими характер этого процесса, являются забойное давление и мощность излучателя электромагнитной энергии. Следовательно, регулированием давления нагнетания растворителя, мощностью и частотой излучателя ЭМВ возможно управление температурным режимом призабойной зоны пласта и происходящими в нем процессами тепломассообмена. Обнаружено также, что массоперенос в соответствующие моменты времени существенно

опережает теплоперенос. Однако, управление этими процессами в каждом конкретном случае может осуществляться заданием соответствующих параметров воздействия с учетом физических свойств пластового флюида и нагнетаемого агента.

9. Сформулирована математическая модель технологического режима вытеснения нефти растворителем при одновременном ВЧ ЭМ воздействии с учетом согласования работы системы «скважина-пласт», что, как правило, не делается при расчетах фильтрационных течений. Показана необходимость такого рассмотрения для возможности более эффективного управления технологическим процессом при обработке нагнетательных скважин.

10. Оценены прогнозные показатели дополнительной добычи нефти при воздействии ВЧ ЭМП на конкретном месторождении. Показано, что с энергетической точки зрения осуществление предлагаемой технологии дает шестикратное энергетическое преимущество.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

По теме диссертации автором опубликовано более 60 печатных работ и получено 19 авторских свидетельств и патентов. Основные из них следующие.

Монография

1. Термодинамика и явления переноса в дисперсных системах в электромагнитном поле. -Уфа: Изд-во Башк.госуд.ун-та, 1998. - 176с. (совместно с Саяховым Ф.Л.)

Научные статьи

2. Об одной модели фильтрационного перемешивания взаиморастворимых жидкостей в пористых средах. /Дел. ВИНИТИ, № 3635-79, -М.-.1979. -7с.

3. Конвективная диффузия разновязких жидкостей в трещиновато-пористых средах. //Изв.вузов "Нефть и газ", 1979, №4. - С.55-58 (совместно с Халиковым Г.А.)

4. Изучение влияния концентрации растворителя на температуру плавления твердой фазы. //Тр.БашНИПИнефть, 1981, в.6,- С.114 -119.

5. Методика приближенного расчета вытеснения нефти газом высокого давления в линейном пласте. //МежвузЛГГС "Физико-химия и разработка нефтяных месторождений", Уфа, 1982. - С.24-28.

6. Исследование смешивающегося вытеснения нефти из насыщенной пористой среды.//Азерб. нефтяное хозяйство, 1983,№3. -С.72-75. (совместно с Ямалетдиновой К.Ш.)

7. Изучение особенностей движения многокомпонентных водородных систем в пористой среде. //Проблемы развития нефтяной

промышленности Западной Сибири. Тюмень, 1985. -С.65-69.

8. Пути повышения эффективности разработки Бузовьязовского месторождения. //Нефтепромысловое дело и транспорт нефти. 1985, №2. -С.6-9 (совмести.:' с Халиковым Г.А., Ямалетдиновой К.Ш.)

9. Расчет коэффициента охвата смешивающимся вытеснением в неоднородных массивных залежах. //Межвуз.научн.сб. "Физико-химическая гидродинамика". - Уфа,1987. -С.80 - 82.

10. Mathematical Model of Nonisothermal Filtration with Phase Transition On Free Boundary .//Proceedings of the International Conference "Free Boundary Problems".-Novosibirsk, 1991. -P.72.

11. Mathematical Model of Two-Component Adsorbtion in Porous Medium. //Proceedings of the International Conference "Flow through porous media". -Moskow, 1992. -P.44.

12.Изучение влияния поля на диффузионные . процессы в ц-чсьпценных пористых средах // Электронная обработка материалов.-1995, N- 1- * С.59-61 (совместно с Саяховым ФЛ., Фагыховым М.А., Хисмату^линой Ф.С.)

13. Математическое моделирование неизотермической многокомпонентной фильтр21ШК с фазовым переводом в электромагнитном поле. // Сб.научн.тр. ИПТЭР, Уфа, 1995. -С.73-80. (совместно с Саяховым Ф.Л., Насыровым Н.М., ХисматуллйКСЙ Ф.С.)

14. Исследование распределения давления в насыщенной пориСТО.й среде в СВЧ электромагнитном поле. - Межвузовский сборник Физико -химическая гидродинамика. - Уфа, 1995, С.93 - 101 (совместно с Саяховь.'4 ФЛ-, Хисматуллиной Ф.С.)

15. Ис-"^сДО.вание неизотермического движения взаиморастворимых жидкостей в пористых средах. - Вестник Башкирского государственного университета. -Уфа, 1995, № 1.-С.95-98.

1 б. Фундаментальные и прикладные проблемы электромагнитных процессов в дисперсных системах // Физика S Башкортостане.- Уфа, 1996.-С. 283 - 295 (совместно с Саяховым Ф.Д. Хабибуллиным И.Л.)

17. Управление температурным режимом обработки пласта высокочастотным электромагнитным полем при одновременной закачке растворителя. / Сб.иауч.тр. Проблемы сбора, подготовки И транспорта нефти и нефтепродуктов. -Уфа, ИПТЭР, Уфа. 1996, в.56. - С. 151-158.

18. Расчетные исследсиания движения многокомпонентных систем с фазовым переходом в электромагнитном поле. / Сб.науч. тр. "Проблемы

сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов". - Уфа, ИГГГЭР,

1996. -С. 177-182.

19. Ковалева JI.A. Математическое моделирование конкурентной сорбции многокомпонентных систем. /Сб.науч.трудов "Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов". -Уфа, ИПТЭР, 1997, в.57.- С. 54-58.

20. Нестационарная фильтрация многокомпонентной углеводородной системы при наличии объемного источника тепла. //Изв.вузов "Нефть и газ", 1997, №3 - С.48-52 (совместно с Насыровым Н.М., Саяховым Ф.Л., Хисматуллина Ф.С.)

21.06 одном автомодельном решении задачи неизотермической многокомпонентной фильтрации с фазовым переходом. /Проблемы механики и управления. Сб.научн.тр. ИМ PAR- Уфа, 1997. -С.255-261 (совместно с Саяховым Ф.Л, Хисматуллиной Ф.С.)

22. Некоторые особенности неизотермической многокомпонентной фильтрации с фазовым переходом в электромагнитном поле. //Сб.научн.тр. "Нефть и газ" -Уфа, УГНТУ, 1997.-С.54-56.

23. Повышение эффективности разработки месторождений с применением электромагнитного воздействия. //Изв.вузов "Нефть и газ",

1997, №4 - С. 20-26 (совместно с Саяховым Ф.Л., Магановым Р.У. и др.)

24. Изучение особенностей тепломассопереноса в призабойной зоне скважин при нагнетании растворителя с одновременным электромагнитным воздействием. //Инженерно-физический журнал, 1998. Т.71, №1 -С.161-165 (совместно с Саяховым Ф.Л., Насыровым Н.М.)

25. Вопросы термодинамики нефтегазовых систем в высокочастотном электромагнитном поле. //Сб. докл. материалов конференции "Современные проблемы естествознания на стыках наук". -Уфа, т.2, 1998. С. 156-160.

26. Воздействие высокочастотного электромагнитного поля на течение поляризующихся угпеводородных систем. //Сб.науч.трудов "Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуков". -Уфа, ИПТЭР, 1997, в.57,-С. 77-91.

27. Воздействие высо- кочастотного электромагнитного поля на многокомпонентные системы. //Магнитная гидродинамика.- Рига, 1997, №3,T.33 - С.356-364 (совместно с Саяховым Ф.Л., Галимбековым А.Д.)

28. Влияние высокочастотного электромагнитного поля на перекрестные эффекты переноса в многокомпонентных системах. //Магнитная гидродинамика. - Рига, 1998, №2, Т.34.-С. 148-157 (совместно с Саяховым Ф.Л., Галимбековым А.Д., Насыровым Н.М.)

29. Об одном перекрестном эффекте переноса в высокочастотном магнитном поле. //Вестник Башк.госуд.ун-та. -Уфа, 1998, №2. -СЛ 3-16.

30. Экспериментальное исследование нестационарной неизотермической фильтрации многокомпонентных систем в

высокочастотном электромагнитном поле. / Итоги исследований ИММС СО РАН. Тюмень, 1997. С. 122-128 (совместно с Саяховым Ф.Л., Хисматуллиной Ф.С.)

31. Применение электромагнитного воздействия при добыче высоковязких нефтей. //Изв.вузов "Нефть и газ", 1998, № 1 - С.35-39 (совместно с Саяховым Ф.Л., Магановым Р.У.)

32. Экспериментальные исследования вытеснения нефти растворителем при одновременном воздействии электромагнитным полем. //Геология, геофизика и разработка нефтяных месторождений, 1998, №.5.-С. 37-40 (совместно с Саяховым Ф.Л., Магановым Р.У.)

33. Тепломассоперенос в системе "скважина-пласт" при нагнетания растворителя с одновременным электромагнитным воздействием. // Изв.вузов Нефть и газ, 1998, № 4. - С.44-55 (совместно с Саяховым Ф.Л., Насыровым Н.М.)

Изобретения

34.АС СССР №800342. Способ разработки нефтяной залежи. - Б.И. №481, 1981 (совместно с Галлямовым М.Н., Халиковым Г.А.)

35.АС СССР №1446979. Способ разработки нефтяной залежи. - Б.И. №47, 1988 (совместно с Ишмурзиной Н.М., Фазлутдиновым К.С. и др.)

36.АС СССР №1487558. Способ термического воздействия на нефтяную залежь. - Б.И. №22,1989 (совместно с Халиковым Г.А. и др.)

37.АС СССР №1558090. Способ термического воздействия на нефтегазовую залежь. -Б.И. №14,1990 (совместно с Халиковым Г.А. и др.)

38. АС СССР №1775554. Способ исследования влияния поверхностных свойств пористой среды на фильтрацию нефти - Б.И. № 42, 1992 (совместно с Саяховым Ф.Л., Репиным H.H. и др)

39. АС СССР №1723314. Способ теплового воздействия на углеводородную залежь - Б.И. № 12, 1992 (совместно с Саяховым Ф.Л., Фатыховым М.А., Халиковым Г.А.)

40. Патент РФ №1824983. Способ добычи полезных ископаемых.

- Б.И. № 24, 1993 (совместно с Саяховым Ф.Л., Фатыховым М.А., Халиковым Г.А.)

41. Патент РФ №2045051. Способ оценки совместимости реагентов.

- Б.И. №27, 1995 (совместно с Саяховым Ф.Л., Шагановой Р.Р., Гайфуллиным Д.Д.)

42. Патент РФ № 2102718. Способ определения области проявления эластичной турбулентности тиксотропных сред (варианты). - Б.И. №2, 1998 (совместно с Ахатовым И.Ш„ Кудашевой Ф.Х., Гимаевым Р.Н., Хасановым М.М.).

43. Патент РФ №2108446. Способ добычи полезных ископаемых. -Б.И. №3, 1998. (Совместно с Саяховым Ф.Л., Хисматуллиной Ф.С.)

Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, доктора технических наук, Ковалева, Лиана Ароновна, Уфа

Ц> яо. о/яд евм/от

БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Президиум ВАК России

(решение от" " Ш- Ш № присудил ученую степень ДОКТОРА

_наук

На правах рукописи

КОВАЛЕВА' 'ЛИСТА АРОНОВНА

ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОС МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ СИСТЕМ В ВЫСОКОЧАСТОТНОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, академик РАЕН, член-корр. АН РБ, профессор Ф.Л.САЯХОВ

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 6

ГЛАВА 1.ТЕРМО- И ГИДРОДИНАМИКА МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ 12

1.1. Современные представления о термодинамике необратимых процессов в многокомпонентных системах. 12

1.2. Особенности взаимодействия сплошных сред с ВЧ ЭМП 19

1.2.1. Основные положения ВЧ ЭМГД 19

1.2.2. Воздействие высокочастотного электромагнитного

поля на гомогенную среду 21

1.2.3. Законы сохранения 25

1.3. Многокомпонентные системы в высокочастотном электромагнитном поле 30

1.3.1 .Неравновесная термодинамика многокомпонентных

систем в высокочастотном электромагнитном поле. 30

1.3.2.Термодинамические силы и потоки. 38

1.3.3.Коэффициенты переносы и основные перекрестные коэффициенты 48

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ

ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ДИФФУЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ФИЛЬТРАЦИИ

МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМ. 54

2.1. Постановка экспериментов. 56

2.2. Проведение экспериментальных исследований 63

2.3. Методика обработки экспериментальных данных. 69.

2.4. Обсуждение результатов экспериментов. 76

2.5. Численная оценка перекрестных коэффициентов по экспериментальным данным. 79

2.5.1. Основные перекрестные соотношения. 79

2.5.2. Математическое моделирование экспериментального определения коэффициентов диффузии. 81

2.5.3. Изучение влияния перекрестных эффектов переноса на фильтрацию углеводородных смесей в нефтяных пластах. 90

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМ С ФАЗОВЫМ ПЕРЕХОДОМ В ВЫСОКОЧАСТОТНОМ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ. 97

3.1. Общая постановка проблемы. 97

3.2. Математическая постановка задачи 100

3.3. Решения задачи при заданной температуре фазового

перехода. 104

3.3.1. Радиальная задача. 104

3.3.2. Плоско - параллельная задача. 106

3.3.3. Численные решения и анализ результатов. 109

3.4. Решение задачи при температуре фазового перехода,

зависящей от концентраций флюидов. 117

3.4.1. Экспериментальное определение зависимости температуры фазового перехода от концентрации. 117

3.4.2. Численное решение задачи при наличии в

пласте твердых отложений парафинового вида. 119

' 3.4.3.Численное решение задачи в случае битумных отложений и анализ результатов. 123

ГЛАВА 4. ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА ПРИ НАГНЕТАНИИ РАСТВОРИТЕЛЯ С ОДНОВРЕМЕННЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ 128

4.1. Математическое моделирование смешивающегося вытеснения нефти в пласте при воздействии ВЧ ЭМП. 128

4.1.1. Постановка задачи и основные уравнения. 128

4.1.2. Потери энергии в линии передачи электромагнитных

волн и обоснование граничных условий. 131

4.1.3. Численные решения и анализ результатов. 134

4.2. Математическое моделирование многокомпонентной фильтрации

в ВЧ ЭМ поле с учетом неравновесных эффектов. 141

4.2.1. Формулировка и решение задачи при постоянном давлении нагнетания растворителя. 141

4.2.2. Рассмотрение неравновесных процессов 152

4.2.3. Постановка и решение задачи с учетом гидродинамической

неравновесности. 156 4.2.4. Введение температурной неравновесности и анализ

численных решений 160

4.3. Математическое моделирование процесса тепло- и массопереноса в система «скважина - пласт». 164

4.3.1. Постановка задачи. 164

4.3.2. Уравнения тепломассопереноса в скважине. 165

4.3.3. Численное решение задачи и анализ результатов. 167

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА В ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧАХ ВЧ ЭМ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЗАЛЕЖИ ВЫСОКОВЯЗКИХ И БИТУМНЫХ

НЕФТЕЙ. 175

5.1. Анализ исходного состояния проблемы. 175

5.2. Опыт промышленного использования ВЧ ЭМ воздействия в нефтедобыче 178 5.3 .Методика оценки дополнительной добычи нефти. 183

5.4. Расчет энергетического баланса 187

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 196

ЛИТЕРАТУРА 200

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность.

Известно, что около 30% мировых нефтяных запасов приходится на месторождения высоковязких и битумных нефтей, и наблюдается тенденция к росту этой доли [30]. Этот факт, а также значительные трудности использования при их разработке традиционных методов делают актуальной проблему поиска новых, более эффективных способов воздействия на залежи высоковязких и битумных нефтей. В настоящее время единственно приемлемой считается тепловая обработка таких залежей, сопровождаемая, как правило, закачкой теплоносителя (пара, горячей воды или парогаза), либо осуществлением внутрипластового горения. Однако, в случае сверхвязких и битумных нефтей и малодебитных скважин, и эти способы малоэффективны, к тому же они экологически небезопасны.

Одним из методов, принципиально отличающимся от традиционных, является использование энергии высокочастотного (ВЧ) электромагнитного (ЭМ) поля. Основное его преимущество осуществление объемного прогрева пласта с возможностью регулирования подаваемой через скважину ЭМ энергии без экологического ущерба окружающей среде. Технологии ВЧ ЭМ воздействия активно прорабатываются и уже успешно реализуются на месторождениях в таких странах, как США, Канада, Венесуэла и др., хотя приоритет научных исследований в этом направлении несомненно принадлежит России, где еще в 60-х годах под руководством профессора Саяхова Ф.Л. были начаты работы по изучению влияния ВЧ ЭМ полей на среды нефтяной технологии [155,157]. Наряду с созданием физических основ технологии, многочисленных лабораторных экспериментов были успешно осуществлены опытно -

промышленные испытания на Мордово - Кармальском месторождении Татарии. В середине 80-х годов аналогичные работы были проведены на ряде месторождений США и Канады [232].

Цель, научная новизна и практическая ценность работы

Из вышесказанного можно заключить, что в практике разработки высоковязких нефтей ВЧ ЭМ воздействие является весьма эффективным, а в случае битумных месторождений может оказаться единственно реализуемым методом. Однако, более широкому распространению метода ВЧ ЭМ воздействия препятствует наряду с чисто техническими, но преодолимыми сложностями то, что область теплового прогрева все же остается сравнительно небольшой и составляет, в лучшем случае, порядка 10 - 15 метров в радиусе призабойной зоны обрабатываемой скважины.

В связи с этим был предложен комбинированный способ разработки месторождений высоковязких и битумных нефтей, а именно: осуществление ВЧ ЭМ воздействия в сочетании с закачкой углеводородного теплоносителя, что предусматривает обработку не только эксплуатационных, но и нагнетательных скважин с осуществлением процесса смешивающегося вытеснения нефти [91, 169]. Преимущества метода заключаются не только в сочетании достоинств того и другого способа, но, как будет показано в работе, и в проявлении дополнительных эффектов, связанных с особенностями физико - химических явлений в многокомпонентных углеводородных системах при воздействии ВЧ ЭМ поля.

Такой вариант реализации ВЧ ЭМ воздействия рассматривается впервые и поэтому требует изучения термодинамических аспектов происходящих процессов, сопровождающихся сложными явлениями тепломассопереноса и перекрестными термодинамическими эффектами.

Целью работы является создание научных основ применения ВЧ ЭМ полей на базе теоретических и экспериментальных исследований явлений переноса в многокомпонентных углеводородных системах, какими являются, в частности, смеси нефти и нагнетаемого в пласт смешивающегося агента, а также математическое моделирование различных вариантов воздействия и оценка его энергетической рентабельности.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. В результате построения теории ' взаимодействия многокомпонентных систем с ВЧ ЭМ полем - новом направлении в электромагнитной гидродинамике - обнаружен и экспериментально подтвержден не описанный ранее эффект, характеризующий явление термодиффузионного массопереноса электромагнитного происхождения («электротермодиффузия»).

2. Разработана математическая модель и исследован процесс нестационарной фильтрации многокомпонентных систем в ВЧ ЭМ поле с фазовым переходом на подвижной границе, отличающаяся от обычных задач типа Стефана наличием движения флюидов по обе стороны границы и более общим случаем их взаимного растворения, в том числе - с расплавом твердой фазы, а также зависимостью температуры фазового перехода от концентрации флюидов. Установлено, что сравнительно более эффективным ВЧ ЭМ воздействие является в случае высоковязких нефтей. Обнаружен эффект локального понижения пластовой температуры в области фазового перехода с образованием «температурных ям» при плавлении твердой фазы парафинового типа в случае относительно более высокой начальной температуры пласта.

Практическая ценность.

1. Полученные оценки перекрестных коэффициентов, характеризующих процессы тепло- и массопереноса в движущихся многокомпонентных системах, поляризующихся во внешнем ВЧ ЭМ поле, могут быть использованы при рассмотрении конкретных технологических процессов.

2. Комбинированное воздействие смешивающегося вытеснения в сочетании с ВЧ ЭМ излучением может быть реализовано при разработке месторождений высоковязких и битумных нефтей.

3. Разработанные пакеты программ численного моделирования процессов тепломассопереноса могут быть использованы при реализации процессов смешивающегося вытеснения высоковязких

нефтей в ВЧ ЭМ поле, а приближенная методика инженерных расчетов -для оценки их эффективности.

Результаты диссертации вошли в отчеты по хоздоговорным и госбюджетным темам, выполненным под руководством и в качестве ответственного исполнителя автором в БГУ с НИИ "Нефтеотдача", НГДУ "Суторминскнефть", НИЦ НК "Лукойл" и АН РБ. По результатам работ получено 16 авторских свидетельств и 4 патента РФ на изобретения.

Результаты, представленные к защите.

На защиту выносятся:

2. Экспериментальная установка и методика проведения экспериментов по исследованию диффузионных процессов в фильтрационных потоках под действием теплового и ВЧ ЭМ полей. Методика оценки коэффициентов перекрестных эффектов переноса в фильтрационных потоках при ВЧ ЭМ воздействии по экспериментальным данным.

3. Математические модели тепло- и массопереноса в насыщенных пористых средах с учетом фазовых переходов во внешних тепловом и ВЧ ЭМ полях. Эффект локального понижения пластовой температуры в области фазового перехода с образованием "температурных ям" при расплавлении твердой фазы парафинового типа в случае относительно более высокой начальной температуры пласта.

электро-физико-химических свойств пластовых систем и особенности моделирования в системе "скважина - пласт".

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации 224 страницы, в том числе 70 рисунков и 11 таблиц. Список литературы содержит 265 наименований.

ГЛАВА 1. ТЕРМО- И ГИДРОДИНАМИКА МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ

ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

1.1. Современные представления о термодинамике необратимых процессов в многокомпонентных системах

Термодинамика необратимых процессов в настоящее время является признанной феноменологической теорией, описывающей закономерности явлений тепло- и массопереноса. Начало ее было положено работами Онзагера [255], а затем развивалась многими учеными: П. Гленсдорфом, И.Пригожиным, И. Дьярмати, Р.Хаазе, Боа - Те - Чу, А.В.Лыковым, Ю.А. Михайловым, В.В.Гогосовым и другими [22, 23, 43, 44-47, 59, 113, 221].

Основной задачей термодинамики многокомпонентных систем является выделение и описание явлений переноса и, в особенности, возникающих при этом перекрестных эффектов. В случае воздействия на такую систему электромагнитных полей кроме известных эффектов Соре и Дюфура возникают перекрестные эффекты электрического и магнитного происхождения (Томсона, Пельтье и т.д.). Конкретное математическое описание этих явлений зависит как от свойств среды, так и от вида поля. Подавляющее число работ, выполненных в этом направлении, описывает поведение различных сред в квазистационарных электромагнитных полях. В случае многокомпонентных систем к ним относятся работы К.П. Гурова, В.А. Журавлева, Л.И. Седова, С. Де Гроота, П. Мазура и др.

В настоящее время можно говорить о возникновении новой области науки - электромагнитной гидродинамики (ЭМГД), в становление которой огромный вклад внесли отечественные и зарубежные ученые: В.В.Гогосов, А.Г.Куликовский, Г.А.Любимов, Г.А.Остроумов, В.А.Полянский,

И.Е.Тарапов, М.И.Шлиомис, А.О.Цеберс, Х.Альфен, Дж. Мельчер, Г.Шварц, J.Neuringer, R.Rosensweig, O.Stuetzer и др. ЭМГД продолжает развиваться в трех сложившихся направлениях: электрогидродинамика [135, 151, 261], магнитная гидродинамика [26, 124, 227, 261] и феррогидродинамика [149, 227, 252, 261].

Так же как и равновесная термодинамика, термодинамика необратимых процессов оперирует макроскопическими понятиями, однако, в отличие от нее строится на основе принципа локального термодинамического равновесия. Такая гипотеза предполагает использование основных термодинамических соотношений в локальной форме и по отношению к таким явлениям переноса, как диффузия, термодиффузия, электроосмос и т.д. не является слишком жесткой [29]. Так, основное уравнение термодинамики - соотношение Гиббса для гомогенной среды

Здесь и, А - удельные (на единицу массы) энтропия, внутренняя энергия и обратимая работа; Т - температура; р - давление; у - удельный объем; г}к и ск - химический потенциал и концентрация А:~го компонента соответственно. Здесь и в дальнейшем полагается, что химических реакций в системе не происходит.

В соответствии с принятой гипотезой основные балансовые соотношения записываются следующим образом.

Уравнение неразрывности:

TdS = dU + SA

принимает следующий вид:

(1.1.1)

¿Р л- -

— = -pa.lv и ,

где р - плотность среды, й - скорость центра масс. Закон сохранения массы к-го компонента:

Р^Г = Л> аХ

Закон сохранения полной и внутренней энергии:

(1.1.2)

(1.1.3)

р— = -¿/плЛ ¿1

¿¿и , -г и р— = -аыЗп + сг„.

ж д

(1.1.4)

Закон сохранения энтропии:

р— = -сИ\3„ + ст.,. н Л 3 5

где ^ - поток энтропии, - источник (производство) энтропии.

(1.1.5)

Уравнение (1.1.1) с учетом (1.1.2) и (1.1.4) преобразуется к виду:

<18

р— = -a.lv И Ж

т гт

(1.1.6)

Сравнивая полученное выражение с уравнением (1.1.5), находят соотношения для потока и производства энтропии:

ЕЛ

= ¿п^^

= 1 'О

\т)

к=1

(п Л Чк

\ Т)

(1.1.7)

(1.1.8)

Последнее выражение представляют в виде произведений двух векторов: упомянутых выше потоков и сопряженных им термодинамических сил:

(1.1.9)

Здесь

(1.1.10)

(1.1.11)

Вторым основным постулатом линейной феноменологической теории является утверждение о том, что каждый из потоков является линейной функцией всех термодинамических сил:

где Ьц - кинетические (феноменологические) коэффициенты со следующими свойствами:

для которых справедл