Исследование термоупругих и фильтрационных процессов при электромагнитном нагреве сред тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат физико-математических наук Галимов, Азат Юмадилович

• Галимов, Азат Юмадилович
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Галимов, Азат Юмадилович

Введение.

Глава 1. Моделирование термоупругих эффектов в неоднородных поглощающих средах при воздействии электромагнитного излучения.

1.1. Литературный обзор.

1.2.Тепловой удар при нагреве насыщенных пористых сред электромагнитным излучением.

1.3. Термоупругие процессы при нагреве неоднородных поглощающих сред электромагнитным излучением.

1.4. Повышение давления в замкнутом объеме.

Глава 2. Особенности фильтрации высоковязкого флюида в поле ч электромагнитного излучения.

2.1. Плоско-одномерная фильтрация высоковязкой жидкости при электромагнитном нагреве.

2.2. Плоско-радиальная фильтрация высоковязкой жидкости при электромагнитном нагреве.

Глава 3. Фильтрация вязкопластичной жидкости при электромагнитном нагреве.

3.1. Плоско-одномерная фильтрация упругой вязкопластичной жидкости при электромагнитном нагреве.

3.2. Плоско-радиальная фильтрация упругой вязкопластичной жидкости при электромагнитном нагреве.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование термоупругих и фильтрационных процессов при электромагнитном нагреве сред»

Исследование термоупругих и фильтрационных процессов, происходящих при распространении электромагнитных волн в диэлектрических средах, в частности, в насыщенных пористых средах представляет научный и практический интерес, который особенно возрос в последнее время.

Значимость этих исследований прежде всего связана со специфическими свойствами поведения сред в электромагнитном поле. Прежде всего следует выделить такой эффект, как нагрев среды, происходящий за счет перехода энергии электромагнитного излучения во внутреннюю энергию среды в процессе ее поляризации. Можно выделить такие достоинства нагрева в электромагнитном поле по сравнению с другими типами теплового воздействия, как: высокая скорость и объемный характер нагрева, возможность регулирования воздействия во времени и в пространстве. Поэтому воздействие электромагнитными волнами высокочастотного и сверхвысокочастотного диапазона находит применение во многих технологических процессах.

Применение высокочастотного электромагнитного поля (ВЧ ЭМП) в процессе добычи высоковязких флюидов оправдано в силу ряда причин. При распространении электромагнитных волн в поглощающих диэлектрических (в частности, насыщенных пористых средах) существенно увеличивается подвижность флюида за счет снижения вязкости при нагреве. За счет термического расширения флюида происходит накопление термоупругой энергии и вследствие этого возможно увеличение дебита скважин.

В работе рассматриваются термоупругие и фильтрационные процессы при воздействии электромагнитного излучения на поглощающие среды. При этом учитываются такие эффекты, возникающие при воздействии электромагнитного излучения, как зависимость показателя поглощения электромагнитного излучения от температуры, снижение вязкости флюида в процессе нагрева, термическое расширение сред. Исследованы процессы 4 нагрева фильтрующихся вязкопластичных сред. Также рассмотрена возможность циклического воздействия электромагнитным излучением, которая позволяет реализовать более эффективное управление температурным режимом. При определенных допущениях построены аналитические решения рассматриваемых задач. Построены численные решения, проведено сравнение аналитических результатов с численными.

Цель работы: исследование особенностей термоупругих и фильтрационных процессов при нагреве поглощающих сред электромагнитным излучением, что включает:

- исследование динамики термоупругих напряжений, инициируемых при нагреве однородных и неоднородных сред электромагнитным излучением.

- изучение особенностей процесса фильтрации высоковязких флюидов в поле электромагнитного излучения с учетом изменения вязкости и предельного напряжения сдвига, плотности флюида от температуры, цикличности воздействия электромагнитным излучением и изменения показателя поглощения излучения в процессе нагрева.

Научная новизна. В работе получены следующие новые результаты Аналитическими и численными методами исследованы динамические и статические термоупругие напряжения в однородных и неоднородных средах. Показано, что при нагреве электромагнитным излучением возможно развитие термоупругих напряжений, превышающих предел прочности среды.

Показано, что учет зависимости вязкости, предельного напряжения сдвига и плотности флюида, а также показателя поглощения излучения от температуры обуславливает появление качественно новых эффектов при фильтрации в поле электромагнитного излучения:

- профили давления и температуры в виде квазистационарных волн; 5

- немонотонный характер распределения давления по координате и приток жидкости из пористой среды за счет термоупругого расширения флюида;

-нелинейный характер движения границы области фильтрации вязкопластичной жидкости.

Практическая ценность. Результаты исследований могут быть использованы для определения оптимальных режимов технологических процессов, основанных на воздействии электромагнитным излучением на поглощающие среды.

Основные защищаемые положения. В соответствии с поставленной целью на защиту выносятся следующие положения:

- аналитические и численные решения для описания термоупругих процессов, возникающих при нагреве электромагнитным излучением неоднородных пористых сред.

- аналитические и численные исследования процессов фильтрации высоковязких флюидов в поле электромагнитного излучения с учетом изменения вязкости и предельного напряжения сдвига, плотности флюида в зависимости от температуры, цикличности электромагнитного воздействия и изменения показателя поглощения излучения в процессе нагрева.

Объем и структура диссертации: Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы .

Заключение диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Галимов, Азат Юмадилович

Заключение

1 .Построено аналитическое решение динамической задачи термоупругостй при нагреве среды объемным тепловым источником. Получено выражение для распределения термоупругих напряжений в плоско-одномерном случае, состоящее из диффузионной и волновой составляющих. Установлено, что при нагреве поглощающих сред электромагнитным излучением высокочастотного диапазона повышение напряжения вследствие динамических эффектов мало (порядка атмосфер), в то же время квазистатические напряжения могут достигать значительных величин - десятки и сотни атмосфер.

2. На основе моделирования термоупругих процессов при нагреве дисперсных сред электромагнитным излучением показано, что термоупругие напряжения вокруг неоднородностей (замкнутых пор, частиц и т.д.) могут достигать величин, превышающих предел прочности несущей среды. Получены выражения для критических значений напряженности электрического поля и интенсивности излучения, при которых возможно разрушение среды. Установлено, что нарушение сплошности матрицы вокруг крупных неоднородностей более вероятно, чем для мелких.

3. Теоретически и численно исследованы процессы фильтрации жидкостей при электромагнитном нагреве с учетом изменений плотности, вязкости флюида и показателя поглощения излучения от температуры, циклического характера процессов фильтрации и электромагнитного воздействия. Обнаружены эффекты, значительно влияющие на процесс фильтрации и имеющие практическую значимость. К ним относятся: немонотонный характер распределения давления и термоупругое «фонтанирование» флюида из пористой среды; распределение давления и температуры в виде квазистационарных волн. Показано, что термоупругий эффект наиболее заметно проявляется в пористых средах с малым коэффициентом подвижности флюида При определенных приближениях

Ill построены аналитические решения системы уравнений нестационарной фильтрации и теплопроводности, позволяющие оценить вклад термоупругого эффекта. Показано, что скорость фильтрации на забое скважины зависит от времени немонотонно, что обусловлено конкуренцией термоупругого эффекта и понижения давления за счет фильтрации.

4. При исследовании фильтрации неньютоновских жидкостей в электромагнитном поле установлен неоднозначный характер влияния электромагнитного поля на вязкопластичную жидкость: при нагреве происходит расширение зоны фильтрации вязко-пластичной жидкости, термоупругий эффект снижает скорость движения границы фильтрации.

112

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Галимов, Азат Юмадилович, 2000 год

1. Ахмадеев Н.Х. Динамическое разрушение твердых тел в волнах напряжений. - Уфа: БФАН СССР. -168 с.

2. Бакеев A.A., Соболев А.П., Яковлев В.И. Исследование термоупругих напряжений, возникающих в поглощающем слое вещества под действием лазерного импульса // ПМТФ. 1982. № 6. С. 92-98.

3. Баренблатт Г.И., Ентов В.М., Рыжик В.М. Движение жидкостей и газов в природных пластах. М.: Недра, 1984.-211 с.

4. Басниев К.С., Кочина И.Н., Максимов В.М. Подземная гидромеханика. -М.: Недра, 1993.-416 с.

5. Бернадинер М.Г., Ентов М.М. Гидродинамическая теория фильтрации аномальных жидкостей. М.: Недра, 1975. - 200 с.

6. Бойко М.С. Обобщённая динамическая задача термоупругости для полупространства, нагреваемого лазерным излучением // ПММ. 1985. Т. 49. Вып. 3. С. 470-475.

7. Булгакова Г.Т. Исследование нестационарной фильтрации вязкопластичной газированной жидкости в условиях смешанного потока. //Изв. Вузов. Нефть и газ.-1998. №1,- С.22-28.

8. Булыгин В.Я., Локотунин A.B. Исследование неизотермической фильтрации двухфазной жидкости. // В кн.: Численные методы решения задач фильтрации многофазной жидкости. Новосибирск., 1971. с. 44-51.

9. Веремьев В.М., Перов Н.В. Исследование возможности расщепления слюды флогопита в электрических полях высокой частоты. Технико-экономический бюллетень, №12, Красноярск, 1960.

10. Галимов А.Ю, Хабибуллин И.Л. Особенности фильтрации высоковязкой жидкости при нагреве электромагнитным излучением.// Изв. РАН, Механика жидкости и газа. 2000, №5. с. 114-123.113

11. П.Гальстьян Е. А., Раваев Ф. Ф. Тепловое воздействие импульсного СВЧ излучения на структурно-неоднородные материалы,- ЖТФ, 1992, Т.62 ,№1, с. 42-54.

12. Германович Л.Н., Килль И.Д., Цодокова Н.С. О термоупругих напряжениях в полупространстве, нагреваемом концентрированным потоком энергии // ПММ. 1988. Т. 52. Вып. 4. С. 675-684.

13. Даниловская В.И. Температурное поле и температурные напряжения, возникающие в упругом полупространстве вследствие потока лучистой энергии, падающей на границу полупространства // Изв. АН СССР. ОТН. Механика и машиностроение. 1959. № 3. С. 129-132.

14. Даниловская В.И. Термоупругие напряжения в упругом полупространстве, возникающие вследствие внезапного нагрева его границы. ПММ, 1950, т. 14,вып. 3., с. 316-318.

15. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964,487с.

16. Кислицын A.A. Численное моделирование прогрева и фильтрации нефти в пласте под действием высокочастотного электромагнитного излучения.// ПМТФ, 1993,№3, с. 97-103.

17. Кислицын A.A., Нигматулин Р.И. Численное моделирование процесса нагрева нефтяного пласта высокочастотным электромагнитным излучением.// ПМТФ, 1990,№4, с. 59-64.114

18. Кислицын A.A., Фадеев A.M. Диэлектрическая релаксация в нефтяных дисперсных средах. // Итоги исследований Института механики многофазных систем СО РАН. Тюмень. 1997. №7. с. 105-112.

19. Ландау Л.Д. Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М. Наука, 1982 г.

20. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости. М.: Наука, 1987.-246 с.

21. Лыков А. В. Тепломассообмен,- М.: Энергия, 1978, 480 с.

22. Лысиков Ю.И. О возможности развития колебаний при нагреве прозрачного твердого диэлектрика оптическим излучением.// ПМТФ, 1984, №4.-с.56-59.

23. Макогон Ю.Ф., Саяхов Ф.Л., Хабибуллин ИЛ. Способ добычи нетрадиционных видов углеводородного сырья.// ДАН СССР. 1989. т. 306. №4, с. 941-943.

24. Медведев Л.Г. Давление в поровом пространстве при обработке пород в высокочастотном электромагнитном поле.// Электрофизические методы разрушения горных пород.М.,1973,с.15-41

25. Мирзаджанзаде А.Х. О теоретической схеме явления ухода раствора.//ДАН Аз.ССР, 1953, Т.9., №4. с. 203-205.

26. Мирзаев Ф. X. Лазерное управление процессами в твердом теле.// УФН. 1996 .т. 166, №1.

27. Миркин Л. И. Физические основы обработки материалов лучами лазеров.-М.:Изд-во МГУ, 1975.

28. Насыров Н.М., Низаева И.Г., Саяхов Ф.Л. Математическое моделирование явлений тепломассопереноса в газогидратных залежах в высокочастотном электромагнитном поле.// ПМТФ. 1997. т.38, №6, с.93-104.

29. Никольский В.В., Никольская Т. И., Электродинамика и распространение радиоволн,-М.: Наука, 1989, 544с.

30. Новацкий В. Электромагнитные эффекты в твердых телах. М.: Мир, 1986.160 с.115340 высокочастотном нагреве битумных пластов./ Ф.Л. Саяхов, Р.Т. Булгаков, В.П. Дыбленко и др.// Нефтепромысловое дело. 1980. №1. с.5-2.

31. Огибалов П.М., Мирзаджанзаде А.Х. Механика физических процессов. М.: Изд-во МГУ, 1976.-370 с.

32. Зб.Окресс Э. СВЧ-энергетика. Т.З. М.Мир, 1971.248с.

33. Самарский A.A. Теория разностных схем. М.:Наука,1982.

34. Саяхов Ф.Л. Исследование термо и гидродинамических процессов в многофазных средах в высокочастотном электромагнитном поле применительно к нефтедобыче. Диссертация на соиск. уч. степени докт. физ-мат. наук. М., 1984. 311 с.

35. Саяхов Ф.Л., Бабалян Г. А., Альметьев А. Н. Об одном способе извлечения вязких нефтей и битумов. // Нефт. хоз-во. 1975, №12, с.32-34.

36. Саяхов Ф.Л., Ковалева Л.А., Насыров Н.М. Изучение особенностей тепломассопереноса в призабойной зоне скважин при нагнетании растворителя с одновременным электромагнитным воздействием. ИФЖ, 1998, т.71, №1.с161-165.

37. Саяхов Ф.Л., Фатыхов М.А., Кузнецов О.Л. Исследование электромагнитно-акустического воздействия на распределение температуры в нефтенасыщенной горной породе // Изв. ВУЗов: Нефть и газ. 1981, №3. с.36-40.

38. Саяхов Ф.Л., Фатыхов М.А., Насыров Н.М.Нестационарная фильтрация газожидкостной системы при высокочастотном электромагнитном воздействии с закачкой окислителя.// Физико-химическая гидродинамика. Межвуз. науч.сб. Башк.гос.ун-т. 1987,с. 100-102.116

39. Саяхов Ф.Л., Фатыхов М.А., Хабибуллин И.Л., Ягудин М.С. Техника и технология теплового воздействия на пласт на основе электротермохимического и электромагнитного эффектов.// Изв. ВУЗов: Нефть и газ. 1992, № 1-2,с.ЗЗ-42.

40. Саяхов Ф.Л., Хабибуллин И.Л., Маганов Р.Н., Галимов А.Ю. Термоупругие эффекты при электромагнитном воздействии на нефтяные пласты.// Изв. ВУЗов. Нефть и газ. 1998, №4. с.31-36.

41. Седов Л.И. Механика сплошной среды. Т.П.М.: Наука, 1973,- 584 с.

42. Селяков В.И. Рост трещины в пористой насыщенной среде при пропускании импульса тока.

43. Сканави Г. И. Физика диэлектриков (область сильных полей). М.: Гос.изд.физ-мат.лит., 1958,907с.

44. Соболь Э Н., Углов A.A. Лазерная обработка горных пород // Физика и химия обработки материалов. 1983. № 2. С. 3-17.

45. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости,- М.: Наука, 1979, 560 с.

46. Уилкинсон У.Л. Неньютоновские жидкости. М.: Мир, -1964.

47. Фатыхов М.А. Термобарический эффект в насыщенной пористой среде в высокочастотном электромагнитном поле.// Фильтрация многофазных систем. Новосибирск, 1991. С. 115-119.

48. Фатыхов М.А. Экспериментальное исследование начального градиента давления битумной нефти в электромагнитном поле. // Изв. ВУЗов. Нефть и газ. 1990, №5. С. 93-94.

49. Фоменко И.Е. Фильтрация девонской нефти через пористую среду.// Нефтяное хозяйство, 1968, №8. с.28-32.117

50. Хабибуллин И. Л. Термоупругие процессы в средах при воздействии переменного электромагнитного поля.// Физико-химическая гидродинамика.: Межв. Науч.сб. Башк.ун-т.Уфа, 1989.с71-77.

51. Хабибуллин И.Л. // Проблемы динамики релаксирующих сред. Уфа: БФАН СССР, 1987.-с.83-87.

52. Хабибуллин И.Л. Исследование задач тепло- и массопереноса со свободной границей в пористой среде. Диссертация на соиск. уч. степени канд. физ-мат. наук. Уфа, 1982,171 с.

53. Хабибуллин И.Л. Нелинейные эффекты при нагреве сред электромагнитным излучением.//ИФЖ.,2000, Т.73,№4. с. 832-838.

54. Хабибуллин И.Л. Особенности фильтрации вязких жидкостей в поле электромагнитного излучения. Вестник БГУ, 1999, №2. с. 15-16.

55. Хабибуллин И.Л., Галимов А.Ю. Термоупругие процессы при фильтрации в поле электромагнитного излучения// «Современные проблемы электрофизики и электродинамики жидкостей». С. Петербург, 1998, с. 268271.

56. Хабибуллин И.Л., Галимов А.Ю. Фильтрация высоковязкой жидкости в электромагнитном поле./ Науч. конфер. по научно-техн. программам Минобразования России. Сб. статей и тезисов. Уфа,1999, с. 35-41.

57. Хабибуллин И.Л., Насыров Н.М. Математическое моделирование диссоциации газовых гидратов в переменном электромагнитном поле.//Мат.Х Всесоюзн. семин. «Фильтрация многофазных систем». Новосибирск. 1991. с. 91 -95.118

58. Хабибуллин И.Л., Саяхов Ф.Л., Симкин Э.М., Халиков Г.А. Тепло-массоперенос в насыщенных пористых средах при электромагнитном воздействии.// Добыча нефти. Сб. трудов ВНИИ, вып.60. М.:1977,с.83-94.

59. Хиппель А.Р. Диэлектрики и волны. М.: Изд-во иностр. лит., 1960. -438 с.

60. Хчеян Г.Х., Нафтулин И. С. Геотехнологические процессы добычи полезных ископаемых. М.: Недра,1983,221 с.

61. Электрофизические методы разрушения и обработки горных пород. М.: Институт физики Земли АН СССР. 1973,71 с.

62. Abernethy E.R. Production increase of heavy oils by electromagnetic heating // J. Canad. Petrol. Tech. 1976. V 15, №3, p. 91-97.

63. Avery R.T., Keefe D , Brekke T.L., Finnic I. Hard-rock tunneling using pulsed electron beams//IEEE Trans. Nucl. Sci. 1975. V. NS-22. N3.P. 1798-1801.

64. Bridges J., Stresty G., Taflove A., Show R. Radio-frequency heating to recovery oil from Utan tarsands.// The future of heavy crudl oils and tar-sands. N.Y.: McGraw- Hill Inc. 1980. P.396-409.

65. Lauriello P. J., Chen Y. Thermal fracturing of hard rock // Trans. ASME. Ser. E. J. Appl. Mech. 1973. V. 40. N 4. P. 909-914.

66. Rauemahn R.M., Tester J.W. Rock failure mechanisms of flame. Jet thermal spallation drilling.

67. Skinner D.R., Wendlandt B.C.H., Macdonald J.A. Stress-wave distribution in a semi-infinite body due to an arbitrary heat flux at the surface // J. Phys. D. Appl. Phys. 1974. Y. 7. N 2. P. 209-215.

68. Strikwerda J.S., Scott A.M. Thennoetastic response to a short laser pulse7/ Thermal Stres. 1984. V. 7. P: 1-17.

69. Theory and experimental testing // Intern. J. Rock Mech. Min. Sci. Geomech. Abstr. 1989. V. 26. N 5. P. 381-399.

70. Tomlinson WJ., Gordon J.P., Smith P.W., Kaplan A.E. Reflection of a gaussian beam at a nonlinear interface//Appl. Optics. 1982. V. 21. Nil. P. 2041-2051.