Исследование нелинейных эффектов при течении дисперсных систем в капиллярах и пористых структурах

Актуальность темы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

4. Аранович Г. Л. //ЖФХ, 1987, № 12.

5. Аранович Г. Л. //ЖФХ, 1988, № 11.

6. Аранович Г. Л. //ЖФХ, 1989, № 3.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

25. Лоскутов А. Ю., Михайлов А.

Введение

в синергетику. — М. гНаука, 1990.-272 с.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

51. Урьев Н. Б., Потанин А. А. Текучесть суспензий и порошков. Химия, Москва, 19 927О. Урьев Н. Б. Успехи химии, 73,39 (2004).

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

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

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

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

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

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

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

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

60. Чапайкина А. Исследование физико-химических свойств адсорбированных пленок с целью разработки профилактическихпокрытий // Дис. Канд. Тех. Наук, Уфа, 1982. — 240 с.8О.Шкилев В. П. Модификация изотермы Арановича // ЖФХ, Т.76, N², 2002. 325−330.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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