952 КОВАЛЕВА и др.
УДК:537.868
ЭВОЛЮЦИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ ВОДОНЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ В ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ И СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЯХ
© 2013 г. Л. А. Ковалева, Р. Р. Зиннатуллин, А. И. Муллаянов, М. В. Мавлетов, В. Н. Благочинное
Центр микро- и наномасштабной динамики дисперсных систем, Башкирский государственный университет, г. Уфа E-mail: rasulz@yandex.ru Поступило в редакцию 30.01.2013 г.
Исследуется воздействие ВЧ и СВЧ электромагнитных полей на микроструктуру водонефтяных эмульсий. Описывается лабораторный стенд для исследования воздействия электромагнитных полей на водонефтяные эмульсии. Приводятся результаты исследований, показывающие закономерность эволюции микроструктуры водонефтяных эмульсий в зависимости от параметров электромагнитного поля и диэлектрических свойств эмульсий.
DOI: 10.7868/S0040364413060173
ВВЕДЕНИЕ
Эмульсия "вода в нефти" представляет собой гетерогенную систему, состоящую из очень мелких (до 50 мкм) капель воды, диспергированных в нефти. Каждая капля окружена так называемой бронирующей оболочкой толщиной 50—100 нм, состоящей из полярных компонентов нефти. Бронирующая оболочка препятствует коалесценции капель воды. Такие эмульсии фактически не могут быть разрушены обычными методами (центрифугирование, нагрев, использование деэмульгаторов).
Один из перспективных методов разрушения водонефтяных эмульсий — использование электромагнитных (ЭМ) полей ВЧ- и СВЧ-диапазо-нов. Выбор вышеуказанных диапазонов обосновывается тем, что для водонефтяной эмульсии диэлектрические параметры (е' — относительная диэлектрическая проницаемость, tgS — тангенс угла диэлектрических потерь), определяющие степень взаимодействия поля со средой, имеют две области дисперсии в ВЧ- и СВЧ-областях [1—3]. Дисперсия в ВЧ-области обусловлена поляризацией полярных компонентов нефти (ас-фальтенов, смол), а в СВЧ-области — поляризацией молекул воды. Этот факт дает возможность использования энергии электромагнитного поля ВЧ- и СВЧ-диапазонов при разработке технологии обезвоживания водонефтяных эмульсий [1, 4, 5].
Наличие первого максимума в частотном ходе tgS характеризует поглощение энергии электромагнитного поля средой и позволяет прогнозировать резонансное взаимодействие объектов с ВЧЭМ-полем, т.е. при частоте электромагнитного поля, равной частоте, при которой tgS име-
ет максимум, энергия поля наиболее интенсивно поглощается полярными компонентами среды, образующими бронирующие оболочки на поверхности капель воды. Следовательно, в ней возникнут интенсивные термо- и гидродинамические эффекты и прочность молекулярной связи между дипольными молекулами оболочки снизится. Это, в конечном счете, ослабит прочность всей оболочки, что приведет к разрушению водонефтяной эмульсии [2].
Наличие второго максимума в частотном ходе tgS позволяет прогнозировать резонансное взаимодействие эмульсии с СВЧЭМ-полем. При СВЧ электромагнитном воздействии на водонефтя-ную эмульсию основная энергия поглощается водной фазой, сосредоточенной в глобулах, покрытых бронирующей оболочкой. В результате в глобулах воды возникают объемные источники тепла, за счет чего происходит их интенсивный нагрев, приводящий к разрушению бронирующей оболочки [6].
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Для исследования эволюции микроструктуры водонефтяных эмульсий при воздействии ВЧ и СВЧ электромагнитных полей был разработан лабораторный стенд, блок-схема которого представлена на рис. 1.
Важным узлом стенда является микрожидкостная ячейка, изготовленная методом мягкой литографии с использованием полидиметилси-локсана (ПДМС) [7, 8]. В ВЧ-диапазоне электромагнитное поле задается генератором AG 1021 (T&C Power Conversion) с диапазоном частот
ЭВОЛЮЦИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ ВОДОНЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ
953
Рис. 1. Блок-схема лабораторного стенда для исследования воздействия ВЧ и СВЧ электромагнитного поля на микроструктуру водонефтяных эмульсий.
(a)
(б)
Рис. 2. Фотографии микроструктуры образца водонефтяной эмульсии до (а) и после (б) воздействия ВЧЭМ-полем (/ = 0.5 МГц, N = 45 Вт, Г = 10 с).
0.1—20 МГц и варьируемой мощностью до 300 Вт. Для контроля подаваемого напряжения в линию подключается осциллограф. Мощность и частота поля регулируются в зависимости от диэлектрических свойств водонефтяной эмульсии. СВЧ электромагнитное поле задается генератором ZX95-3360-S+ с диапазоном частот 2120— 3360 МГц через усилитель ZRL-3500+ (Mini-Circuits). Для питания СВЧ-генератора и усилителя используются источники питания постоянного тока GWINSTEK GPS-3030DD. Электромагнитное поле через кабель подается на два параллельно расположенных медных проводника, представляющих в электрическом отношении электрический конденсатор. В микроканал с помощью шприцево-го насоса (Cole Parmer) подается водонефтяная эмульсия. Динамика изменения микроструктуры
исследуемой среды регистрируется высокоскоростной камерой Photron FASTCAM SA5 через микроскоп Olympus IX71.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты исследований воздействия ВЧ электромагнитного поля на исследуемые образцы водонефтяных эмульсий показали, что под действием ВЧ электромагнитного поля образуются агрегаты капель в виде цепочек, вытянутых преимущественно вдоль направления силовых линий электрического поля. Параметры воздействия (частота излучения, мощность излучения, время воздействия) для каждого образца эмульсии подбирались индивидуально в зависимости от их диэлектрических свойств. На рис. 2 представлены кадры до и после
954
КОВАЛЕВА и др.
воздействия ВЧ электромагнитным полем на один из исследуемых образцов водонефтяной эмульсии. Для продемонстрированного образца были подобраны следующие параметры воздействия: частота излучения f — 0.5 МГц, мощность излучения N — 45 Вт, время воздействия (время образования коагуляционных цепочек) t — 10 с.
Образование коагуляционных цепочек обусловлено поляризацией двойного электрического слоя (тонкий слой, сформированный двумя пространственно разделенными слоями электрических зарядов разного знака) и возникновением в результате этого индуцированного дипольного момента капли. Формирование индуцированного дипольного момента в водонефтяных эмульсиях типа "вода в нефти" осуществляется следующим образом. После приложения поля свободные положительные заряды в дисперсных частицах воды движутся по полю, отрицательные — в противоположном направлении и, естественно, задерживаются у поверхности раздела фаз. Индуцированный дипольный момент обусловливает диполь-дипольное притяжение капель воды, вследствие чего образуются коагуляционные цепочки. Сближение капель воды под действием диполь-диполь-ного притяжения происходит до тех пор, пока на некотором расстоянии силы притяжения не будут уравновешены силами отталкивания двойного электрического слоя капли. При сильных напря-женностях электромагнитного поля преодолевается энергетический барьер сил отталкивания двойных электрических слоев и происходит слияние капель воды. Критическая напряженность электромагнитного поля для различных исследуемых образцов различна и имеет порядок 105 В/м.
Результаты исследований воздействия СВЧ электромагнитного поля на микроструктуру различных образцов эмульсий показали, что капли воды при воздействии СВЧ электромагнитного поля укрупняются и сливаются. В качестве иллюстрирующего это примера на рис. 3 представлены кадры из видеофильма, полученные для 30%-ной водонефтяной эмульсии. Эффективность расслоения эмульсий в СВЧЭМ-поле зависит от прочно-
сти и толщины бронирующей оболочки. В зависимости от ее прочности и толщины температура, при которой происходит разрыв оболочки, может быть разной. Для разрыва тонких оболочек достаточны небольшие температуры. При значительной прочности и толщине оболочки температура разрыва и давление внутри оболочки могут быть настолько большими, что при локальном разрыве оболочки происходит "впрыскивание" глобул воды в нефтяную фазу, образуя более мелкодисперсную среду [6].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработан лабораторный стенд для исследования воздействия ВЧ и СВЧ электромагнитных полей на микроструктуру водонефтяных эмульсий, отличительной особенностью которого является возможность визуализации протекающих процессов в микроструктуре эмульсии при воздействии электромагнитных полей варьируемой частоты и мощности.
Полученные результаты экспериментальных исследований показывают, что под действием ВЧ электромагнитного поля в структуре водонефтяной эмульсии образуются агрегаты капель в виде цепочек, вытянутых вдоль направления силовых линий электрического поля. Эффективность образования коагуляционных цепочек зависит от диэлектрических свойств эмульсии, преимущественно от собственной частоты колебания полярных компонентов нефти.
Изучение воздействия СВЧ электромагнитного поля на микроструктуру водонефтяных эмульсий показало, что глобулы воды при воздействии СВЧ электромагнитного поля укрупняются и сливаются, образуя в конечном итоге сплошную водную фазу, легко отделяемую от нефти. Таким образом, оба предлагаемых метода воздействия могут быть эффективно использованы для разрушения водонефтяных эмульсий в зависимости от их электрофизических характеристик и технической возможности практической реализации метода.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ АЭРОЗОЛЯ
955
Работа выполнена при поддержке гранта Министерства образования и науки России (11.G34.31.0040) и грантов РФФИ (№ 11-01-97013, № 12-08-31422 мол_а).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Саяхов Ф.Л., Ковалева Л.А., Галимбеков А.Д., Хай-дар А.М. Электрофизика нефтегазовых систем. Уфа: БашГУ, 2003. 188 с.
2. Ковалева Л.А., Миннигалимов Р.З., Зиннатуллин Р.Р. К исследованию диэлектрических и реологических характеристик водонефтяных эмульсий // ТВТ. 2008. Т. 46. № 5. С. 792.
3. Петрин А.Б. Заметки о микроскопической теории диэлектрической поляризации // ТВТ. 2013. Т. 21. № 2. С. 170.
4. Зиннатуллин Р.Р., Фатхуллина Ю.И., Камалтди-нов И.М. Исследование образования адсорбционной пленки методом высокочастотной диэлектрической спектрометрии // ТВТ. 2012. Т. 50. № 2. С. 316.
5. Chhetri A.B., Islam M.R. A Critical Review of Electromagnetic Heating for Enhanced Oil Recovery // P
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.