Гидродинамические эффекты при течении эмульсий в осесимметричных микроканалах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат физико-математических наук Саметов, Сергей Павлович

• Саметов, Сергей Павлович
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Саметов, Сергей Павлович

Введение

Глава 1. Неньютоновские среды, дисперсии и их гидродинамические свойства

1.1. Общая классификация дисперсных систем

1.2. Классификация неньютоновских сред и реологические модели их описания

1.2.1. Вязкопластичные среды

1.2.2 Псевдопластичные среды

1.2.3. Дилатантные жидкости

1.3. Свойства суспензий и особенности их течения в микроканалах

1.3.1. Общая характеристика суспензий

1.3.2. Течение суспензии в микроканалах

1.4. Реология эмульсий и их течение в микроканалах

1.4.1. Общие представления об эмульсиях

1.4.2. Классификация эмульсий

1.4.3. Теоретические модели вязкости дисперсных систем и сравнение с экспериментом

1.4.4. Моделирование на микроструктурном уровне

1.5. Структура течения обратных водонефтяных эмульсий в процессе запирания в ячейке Хили-Шоу и микромодели

Глава 2. Методики исследования течения водоуглеводородных эмульсий в капиллярных каналах

2.1. Использованное оборудование и методика проведения экспериментов

2.1.1. Методика приготовления эмульсии

2.2. Определение расходных характеристик течения весовым методом

2.3 Определение расходных характеристик капиллярным методом

2.4. Обсуждение методик и погрешности измерения

2.5. Реологические параметры водоуглеводородных эмульсий различных по дисперсному составу и концентрации

Глава 3. Экспериментальное исследование осесимметричного течения водоуглеводородных эмульсий

3.1. Структура потока в процессе запирания водонефтяных эмульсий в осесимметричном течении

3.2. Определение проявления эффекта динамического запирания в интервале значений диаметра микроканалов

3.3. Проявление эффекта динамического запирания при различном составе обратных эмульсий, влияние наличия соли в дисперсной фазе

3.3.1. Эмульсия «вода/гексан»

3.3.2. Эмульсия «вода/дизельное топливо» '

3.4. Влияние перепада давления на время запирания

3.5. Методы воздействия на запертую структуру с целью возобновления течения (механические, силовые, поля ультразвуковые)

3.6. Особенности течения в плоской модели капилляра в ячейке Хили-Шоу

3.7. Особенности течения при больших градиентах давления. Предельно укороченный капилляр

3.8. Тестирование эмульсий весовым методом на предельно укороченном капилляре

3.9. Тестирование эмульсий при истечении через предельно укороченный капилляр

3.10. Нелинейная зависимость расхода водоуглеводородных дисперсий от перепада давления

3.11. Вид запертой системы на выходе из предельно укороченного капилляра под микроскопом в отраженном свете

3.12. Предполагаемый физический механизм запирания

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Гидродинамические эффекты при течении эмульсий в осесимметричных микроканалах»

Актуальность темы. Основным гидродинамическим свойством эмульсий является высокая вязкость по сравнению с несущей фазой. В ходе экспериментального исследования показано, что к свойствам эмульсий, проявляющимся при течении в микроканалах, следует добавить эффект динамического запирания. Эффект состоит в том, что течение водоуглеводородных эмульсий в микроканалах со временем останавливается, несмотря на постоянное действие перепада давления [1]. При этом течение водонефтяных дисперсий сопровождается значительными изменениями их свойств и структуры течения [2, 3]. Исследование механизмов, приводящих к запиранию эмульсиями микроканалов, имеет важное фундаментальное значение для раздела гидродинамики течений дисперсных сред.

Необходимо отметить, многие технологические и природные процессы связаны с движением обратных эмульсий. В настоящее время водонефтяные эмульсии, которые являются концентрированными дисперсными средами типа «жидкость-жидкость», продолжают находить самое широкое применение в различных технологических процессах добычи нефти [4, 5]. В частности, такие эмульсии используются в потокоотклоняющих технологиях, для глушения скважин, для выравнивания профиля приемистости скважин, что требует детального изучения движения эмульсий в пористой структуре, исследования механизма процессов преобразования дисперсных и дисперсионных фаз при фильтрационном течении [6 - 8]. В то же время на сегодняшний день нет однозначных представлений о поведении эмульсий при движении в пористых средах.

Цели и задачи исследования.

Цель работы — экспериментальное исследование течения обратных водоуглеводородных эмульсий в микроканалах, установление свойств и выявление механизма динамического запирания эмульсий при течении в осесимметричных капиллярах. В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:

• изучение особенности течения эмульсий в осесимметричных микроканалах при различных диаметрах (40 - 250 мкм) и градиентах давления (1 МПа/м - 3 ГПа/м);

• исследование зависимости времени запирания эмульсиями от градиента давления;

• нахождение методов воздействия для вывода микроканала с эмульсией из состояния динамического запирания;

• выявление физического механизма динамического запирания эмульсиями капиллярных каналов.

Научная новизна. В результате проведенных экспериментальных исследований течения обратных эмульсий различных по компонентному составу (как дисперсионной среды, так и дисперсной фазы) установлены область проявления эффекта динамического запирания в интервале давлений, значений диаметров капилляров, зависимость времени запирания от перепада давления, методы воздействия для вывода микроканала с эмульсией из состояния запирания, а также предложен физический механизм динамического запирания.

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

Практическая ценность исследования. Полученные в диссертации результаты позволяют глубже понять свойства и границы проявления эффекта динамического запирания обратных водоуглеводородных эмульсий для разработки новой теоретической базы и могут быть использованы для практического применения в различных технологических процессах, в частности, в потокоотклоняющих технологиях и технологиях глушения скважин.

Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования обсуждались на: XIV зимней школе по механике сплошных сред (г. Пермь, 2005), региональных школах-конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых по физике и математике (г. Уфа, 2005 - 2006), научной конференции молодых ученых по механике сплошных сред «Поздеевские чтения» (г. Пермь, 2006), международной научно-практической конференции «Повышение нефтеотдачи пластов на поздней стадии разработки нефтяных месторождений и комплексное освоение высоковязких нефтей и природных битумов» (г. Казань, 2007), всероссийской научно-практической конференции «Механика и физическая химия сплошных сред» (г. Бирск, 2007), всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых «ВНКСФ-14» (г. Уфа,

2008), VII международной конференции «Химия нефти и газа» (г. Томск,

2009), всероссийской молодёжной научной конференции «Мавлютовские чтения» (г. Уфа, 2010) и всероссийской научной школе молодых ученых «Механика неоднородных жидкостей в полях внешних сил» (г. Москва,

2010).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 114 страниц машинописного текста. Диссертация содержит 67 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 96 наименований.

Заключение диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Саметов, Сергей Павлович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

• Установлено, что эффект динамического запирания наблюдается в следующих интервалах изменения параметров: градиент давления от 1 МПа/м до 3 ГПа/м, диаметр микроканала от 40 мкм до 250 мкм при размерах капель воды в эмульсии 1-5 мкм.

Установлено, что для эмульсий с различным составом эмульгатора время запирания снижается с увеличением градиента давления по степенному закону вида у = к/х" со значениями и = 1; 1,16; 1,85.

• Установлено, что механические воздействия на входную зону микроканала, увеличение действующего перепада давления, а также мощные ультразвуковые излучения приводят к выходу эмульсии из состояния запирания лишь на некоторое время.

• Обнаружено, что расход эмульсии при истечении из отверстия укороченного капилляра с увеличением градиента давления нелинейно возрастает, при 3 ГПа/м становится близким расходу воды.

• На основе анализа результатов проведенных экспериментов предлагается физический механизм динамического запирания обратных водоуглеводородных эмульсий в микроканалах, основанный на проявлении трения при сближении микрокапель воды, их деформации и дальнейшей самоорганизации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Саметов, Сергей Павлович, 2011 год

1. Akhmetov A., Telin A., Glukhov V. and Mavletov M. Flow of Emulsion through Slot and Pore Structures. - Progress in Mining and Oilfield Chemistry. Vol. 5, 2003. - P. 287-295.

2. Ахметов A.T., Глухов B.B., Мавлетов M.B., Телин А.Г. Эффект динамического запирания при течении стабилизированных высококонцентрированных обратных водонефтяных эмульсий. Труды Института механики Уфимского научного центра РАН. Вып. 4, 2006. -С. 117-135.

3. Ахметов А.Т., Телин А.Г., Глухов В.В. Преобразование инвертных водонефтяных дисперсий при течении в каналах. Современное состояние процессов переработки нефти. Материалы научно-практической конференции. - Уфа: ГУЛ ИНХП. 2004. - С. 262-263.

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

5. Мухаметзянов Р.Н., Сафин С.Г., Каюмов JI.X. Промысловые испытания эмульсионных композиций для выравнивания профиля приемистости нагнетательных скважин. Геология, геофизика и разработка нефтяных месторождений. № 4, 1999. - С. 30-33.

6. Ахметов А., Михальчук Т., Решетников А., Хакимов А, Хлебникова М., Телин А. Физическое моделирование фильтрации водонефтяных эмульсий в пористой среде. — Вестник инжинирингового центра ЮКОС. № 4, 2002. С. 25-31.

7. Ахметов А., Телин А., Корнилов А. Дисперсионные и реологические характеристики обратных водонефтяных эмульсий на основе нефтей приобского и мамонтовского месторождений. Научно-технический -вестник. ЮКОС. № 9, 2004. - С. 43-50.

8. Телин А., Ахметов А., Калимуллина Г. Тестирование обратных водонефтяных эмульсий с анолитом и сеноманской водой в качествеблокирующих жидкостей для глушения скважин. — Научно-технический вестник. ЮКОС. № 10, 2004. С. 50-56.

9. Менковский М.А., Шварцман JI.A. Физическая и коллоидная химия. М.: Химия, 1981.- 296 с.

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

11. Маковей Н. Гидравлика бурения. — М.: Наука, 1986. 536 с.

12. Шрамм Г. Основы практической реологии и реометрии. — М.: Колос, 2003.-312 с.

13. Уилкинсон У.Л. Неньютоновские жидкости. — М.: Мир, 1964,216 с.

14. Белкин И.М., Виноградов Г.В., Леонов А.И. Ротационные приборы. Измерение вязкости и физико-механических характеристик материалов. -М.: Машиностроение, 1987. 272 с.

15. Эйнштейн А. Собрание научных трудов в 4 томах. М.: Наука, т.З. - С.75-91.

16. Mooney. М. J. Colloid Interface Sei., 6, 584 (1951)

17. Krieger. I.M. Adv. Colloid Interface Sei., 3,111 (1972)

18. Sharp V. Kendra, Adrian J. Ronald. Shear-induced arching of particle-laden flows in microtubes. CD-ROM Proceedings of 2001 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, 2001.

19. Yamaguchi Eiichiro, Adrian J. Ronald. Theoretical and Experimental Study of MicroChannel Blockage Phenomena Abstracts and CD-ROM Proceedings of XXI International Congress of Theoretical and Applied Mechanics (ICTAM04). Warsaw: IPPT PAN., 2004. - P. 31.

20. Мирзаджанзаде A.X., Хасанов M.M., Бахтизин P.H. Этюды о моделировании сложных систем нефтедобычи. — Нелинейность, неравновесность, неоднородность. Уфа: Гилем, 1999. - 464 с.

21. Никифоров А.И., Никанынин Д.П. Моделирование переноса твердых частиц фильтрационным потоком. — Инженерно-физический журнал, 1998. Т. 71, № 6. С. 971-975.

22. Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. — М.: Высшая школа, 2004. 445 с.

23. Фридрихсберг Д.А. Коллоидная химия. Л: Химия, 1995. - 352 с.

24. К. Митела. Мицеллобразование, солюбилизация и микроэмульсии. -М.: Мир, 1980. 598 с.

25. Petzev D.N. Emulsions: Structure Stability and Interactions. Interface Science and Technology. Volume 4. Albuquerque: Elsevier Academic Press, 2004. - 767 p.

26. Маскет M. Течение однородных жидкостей в пористой среде. -Москва-Ижевск, 2004. 628 с.

27. Мирзаджанзаде А.Х., Аметов И.М., Ковалев А.Г. Физика нефтяного и газового пласта. — Москва-Ижевск, 2005. — 270 с.

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

29. Муравленко С.В. и др. Разработка нефтяных месторождений. Т. 3. М.: ВНИИОЭНГ, 1994. - 149 с.

30. Batchelor G.K., Green J.T. The determination of the bulk stress in a suspension of spherical particles to order c2. — Journal of Fluid Mechanics, 1972, V. 56, pt. 3. — P. 401-427.

31. Урьев Н.Б., Кучин И.В. Моделирование динамического состояния дисперсных систем. Успехи химии, т. 75, № 1, 2006. - С. 36-63.

32. Хаппель Дж., Бреннер Г. Гидродинамика при малых числах Рейнольдса. - М.: Мир, 1976. - 630 с.

33. Choi S.J., Schowaiter W.R. Rheological properties of nondilute suspensions of deformable particles. -Phys. Fluids 18, 1975. — P. 420—427.

34. Yaron I., Gal-Or B. On viscous flow and effective viscosity of concentrated suspensions and emulsions. Rheol. Acta, 11, 1972. - P. 242-252.

35. Федотовский B.C., Прохоров Ю.П., Верещагина Т.Н. Эффективная сдвиговая вязкость концентрированных эмульсий, суспензий и пузырьковых сред. Обнинск: ФЭИ, 1997. - 15 с.

36. Rajinder Pal Evaluation of theoretical viscosity models for concentrated emulsions at low capillary numbers. Chemical Engineering Journal 81, 2001.-P. 15-21.

37. Rajinder Pal. Effects of Droplet Size and Droplet Size Distribution on the Rheology of Oil-in-Water Emulsions. The Proceedings from the 7th UNITAR Conference on Heavy Crude and Tar Sands, № 1998.053. - 10 p.

38. Шерман Ф. Эмульсии. JI.: Химия, 1972. - 448 с.

39. Rajagopal E.S. The Viscosity of Polydisperse Emulsions. -Rheologica Acta, Band 1, N. 4-6, 1961. P. 581-584.

40. Mason T. G., Bibette J., Weitz D.A. Yielding and Flow of Monodisperse Emulsions. — Journal of colloid and interface science, № 179. 1996. -P. 439-448.

41. Becu L., Grondin P., Colin A., Manneville S. How does a concentrated emulsion flow? Yielding, local rheology, and wall slip. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, v. 263, 1, 2005, -P. 146-152.

42. Salmon J.B., Becu L., Manneville S., Colin A. Towards local rheology of emulsions under Couette flow using Dynamic Light Scattering. — Eur. Phys. J. E 10,2003. P. 209-221.

43. Denkov N. D., Tcholakova S., Golemanov K., Ananthapadmanabhan K.P., Lips A. Viscous Friction in Foams and Concentrated Emulsions under Steady Shear. Phys. Rev. Lett., № 100, 2008, 138301. - 4 p.

44. Tcholakova S., Denkov N.D., Golemanov K., Ananthapadmanabhan K.P., Lips A. Theoretical Model of Viscous Friction inside Steadily Sheared Foams and Concentrated Emulsions. Phys. Rev., E 78, 2008, 011405. - 18 p.

45. Denkov N.D., Tcholakova S., Golemanov K., Lips A. Jamming in Sheared Foams and Emulsions, Explained by Critical Instability of the Films between Neighboring Bubbles and Drops. Phys. Rev. Lett., 103, 2009, 118302. -4 p.

46. Denkov N.D., Tcholakova S., Golemanov K., Ananthpadmanabhan K. P., Lips A. The Role of Surfactant Type and Bubble Surface Mobility in Foam Rheology. Soft Matter, 5, 2009. - P. 3389-3408.

47. Telin A., Glukhov V., Mavletov M. Flow of Emulsion through Slot and Pore Structures. Progress in Mining and Oilfield Chemistry, vol. 5. -Budapest: Akademiai Kiado, 2003. - P. 287-295.

48. Ахметов А.Т., Глухов В.В., Мавлетов М.В., Саметов С.П. Запирание плоских и цилиндрических капилляров при течении дисперсий типа жидкость-жидкость. — Межвузовский научный сборник «Физико-химическая гидродинамика», ч. 2. — Уфа: РИО БашГУ, 2004. С. 74-81.

49. Ахметов А., Телин А., Глухов В., Силин М. Физическое моделирование и методы визуализации при разработке основ нетрадиционных технологий на базе инвертных дисперсий. Технологии ТЭК. Нефть и капитал, №1(14), 2004. С. 33-36.

50. Davis Т.А., Fones S.C. Displacement mechanisms of micellar solutions. Jörn. Pet. Tech., № 2, 1968. - P. 1413-1428.

51. Нигматулин Р.И., Ахметов A.T., Федоров "K.M. О механизме вытеснения нефти из пористой среды мицеллярными растворами Доклады АН СССР, т. 293,1987. - С. 558-562.

52. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. 6. Гидродинамика. М.: Физматлит, 2003. - 736 с.

53. Сюняев 3. И., Сафиева Р. 3., Сюняев Р. 3. Нефтяные дисперсные системы. М.: Химия, 1990. - 224 с.

54. Ахметов А.Т., Телин А.Г., Мавлетов М.В., Здольник С.Е. Новые принципы применения обратных водонефтяных эмульсий в потокоотклоняющих технологиях и глушении скважин. — Нефтегазовое дело №3,2005.-С. 19-26.

55. Akhmetov А.Т., Telin A.G., Mavletov М.Т., Silin M.J., Sametov S.P. Flow of Invert Water-Oil Dispersions in Capillaries. Selected Papers of International Conference «Fluxes and Structures in Fluids». Moscow, 2005. — P. 16-21.

56. Ахметов A.T., Глухов B.B., Мавлетов M.B., Саметов С.П. Особенности течения обратных водонефтяных дисперсий в капиллярах. -Тезисы докладов Зимней школы по механике сплошных сред. — Екатеринбург: УрО РАН, 2005. С. 19.

57. Ахметов А.Т., Телин А.Г., Силин М.И., Мавлетов М.В., Саметов С.П. Течение обратных водонефтяных дисперсий в капиллярах. Тезисы докладов международной конференции «Потоки и структуры в жидкостях». Москва, 2005. - С. 177-180.

58. Ахметов А.Т., Телин А.Г., Мавлетов М.В., Саметов С.П. Течение высококонцентрированных обратных эмульсий в микроканалах. Труды международной конференции «Современные методы физико-математических наук». Т. 2. - Орел: Картуш, 2006. - С. 79-83.

59. Akhmetov A., Mavletov М., Sametov S., Rakhimov A. The blocking phenomena in flow of disperse system liquid-liquid in microchannels. Book of Abstracts of XXXV summer School «Advanced Problems in Mechanics». -Санкт-Петербург: Осипов, 2007. - P. 21.

60. Akhmetov Al, Telin A.G., Mavletov M.V, Sametov S.P. Flow of highconcentrated invert water-oil dispersions in microchannels. CD-ROM Proceedings of ICMF 2007 6th International Conference on Multiphase Flow. Leipzig, 2007.

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

62. Ахметов А.Т., Глухов В.В., Мавлетов М.В., Саметов С.П. Запирание плоских и цилиндрических каналов при течении дисперсий типажидкость-жидкость. — Межвузовский научный сборник «Физико-химическая гидродинамика», ч. 2. Уфа: РИО БашГУ, 2004. С. 74-81.

63. Химическая энциклопедия, т. 5. — М.: «Советская энциклопедия»,1988.

64. Саметов С.П. Водонефтяные эмульсии: изучение реологических характеристик эмульсий и течения в капиллярах. — Сборник трудов конкурса научных работ ВУЗов РБ. Уфа, 2004. С. 204.

65. С.П. Саметов. Эффект динамического запирания при течении водоуглеводородных эмульсий в цилиндрических капиллярах. Материалы Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения», том 5. Уфа, 2010. - С. 173-174.

66. С.П. Саметов. Осесимметричное течение концентрированных обратных эмульсий в микроканалах. Материалы Всероссийской научной школы молодых ученых «Механика неоднородных жидкостей в полях внешних сил». Москва, 2010. - С. 71-73.

67. А.Т. Ахметов, С.П. Саметов. Особенности течения дисперсий «жидкость-жидкость» через цилиндрический микроканал. Труды Института механики, 2010 (в печ.).

68. С.П. Саметов. О механизме запирания водоуглеводородных эмульсий в капиллярах. Материалы Шестнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых «ВНКСФ-16». Волгоград, 2010. С. 251-252.

69. Ахметов А.Т., Саметов С.П. Дисперсионное запирание водоуглеводородной эмульсии и крови в капилляре. Сборник докладов конференции «Потоки и структуры в жидкостях». Санкт-Петербург, 2007. — С. 153-155.

70. Ахметов А.Т., С.П. Саметов. Роль наноразмерных оболочек в гидродинамике эмульсий. Научно-популярное издание «Инновационный Башкортостан», № 2(2). Уфа, 2009. - С. 61-65.

71. С.П. Саметов. О механизме запирания водоуглеводородных дисперсий в капиллярах. Тезисы докладов международной школы-конференции «Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании». Уфа, 2009. - С. 49.

72. Саметов С.П. Экспериментальное моделирование течений обратных эмульсий на переходных участках. Тезисы докладов студенческой научно-практической конференции по физике. - Уфа: РИО БашГУ, 2004.-С. 30-31.

73. Ахметов A.T., С.П. Саметов, Рахимов А.А. Новое свойство эмульсий при течении в микроканалах важное для технологий извлечения нефти. - Материалы VII международной конференции «Химия нефти и газа». Томск, 2009. - С. 362-367.

74. А.Т. Ахметов, С.П. Саметов, А.А. Рахимов. Динамическое запирание дисперсий «жидкость-жидкость» в микроканалах. — Тезисы докладов Российской конференции «Многофазные системы: природа, человек, общество, технологии». Уфа, 2010. С. 81-82.

75. А.Т Ахметов, С.П. Саметов. Особенности течения дисперсии из микрокапель воды в микроканалах. Письма в ЖТФ. Том 36, вып. 22, 2010.

76. А.Т. Akhmetov, S.P. Sametov. Features of Water Microdrop Dispersion Flow in Microchannels. Technical Physics Letters, vol. 35, №. 11, 2010.-P. 1034-1037.