Введение к работе
Актуальность темы. Изучение свойств различных веществ методом диэлектрической спектроскопии является актуальной задачей для различных областей науки: физики и химии поверхности, физики диэлектриков, молекулярной физики, коллоидной химии, биофизики, геофизики и т. д. Особый интерес представляет исследование областей релаксации диэлектрических параметров, из которых можно выявить природу и механизмы поляризации, а следовательно, и описать те или иные процессы. При этом нужно иметь в виду, что молекулярные и макроструктурные теории приводят к тождественным видам дисперсионной формулы, поэтому формы кривых дисперсии и поглощения еще не дают никакой информации о механизме. Однако для расшифровки наблюдаемых в эксперименте частотных зависимостей они необходимы.
В настоящее время имеется большое количество работ, в которых исследованы области релаксации различных веществ и предложены модели их описания. Нефтяные среды, к которым относятся водонефтегазонасыщенная порода, нефть и ее фракции, водонефтяная эмульсия, представляют собой многокомпонентные сложные системы, что вносит определенные сложности при проведении измерений и интерпретации полученных результатов. Поэтому к настоящему времени недостаточно полно исследованы основные закономерности поведения нефтяных сред в переменном поле.
Исследование поглощения электромагнитного излучения в нефтяных средах актуально также в различных технологических процессах добычи, транспорта и переработки нефти и нефтепродуктов. Как известно, одним из перспективных тепловых методов, способствующих существенному увеличению притока нефти к скважине, является высокочастотный электромагнитный нагрев пласта, приводящий к многократному уменьшению вязкости нефти. Эта же технология может успешно применяться для предупреждения и ликвидации различного вида отложений, которые возникают на поверхности скважин и трубопроводов. Для выбора оптимальных параметров электромагнитного излучения (мощности, частоты), при которых наблюдается наибольшая эффективность прогрева, необходимо знать не только теплофизические, но и электрофизические свойства нефтяных сред в зависимости от частоты, температуры, давле-
йия, водонефтенасыщенности и других факторов, так как они определяют эффективность нагрева. Однако если теплофизиче-ские свойства исследованы достаточно хорошо, то электрофизические свойства изучены недостаточно. Результаты электрофизических измерений применяются также для диэлькометрических методов анализа: определения влажности и солесодержания нефтей и нефтепродуктов, эффективности действия различных химреагентов, прогнозирования поведения нефтяных дисперсных систем и т. д.
Поглощение,электромагнитных волн происходит не только в диэлектрической среде, но в стенках передающей линии. Для нагрева пласта и отложений в качестве линии передачи используют, как правило, саму скважину. Однако в реальности скважина представляет собой нерегулярную линию передачи, что связано с ее поперечно-продольной неоднородностью. Поэтому определение затухания в такой линии передачи расчетным путем является приблизительным.
Целью работы является экспериментальное исследование поведения электрофизических параметров нефтяных дисперсных сред (высоковязких и высокопарафинистых нефтей, их водонефтяных эмульсий, водонефтенасыщенных пород) в широкой области частот, температур и влажностей методами диэлектрической спектроскопии; изучение влияния температуры и влажности на параметры диэлектрической релаксации, позволяющее описать основные закономерности поглощения электромагнитного излучения в этих средах; экспериментальное изучение особенностей распространения и поглощения высокочастотного электромагнитного излучения в модели скважины с парафиновыми отложениями.
Научная новизна работы:
-
Впервые измерены электрофизические параметры высоковязких и высокопарафинистых нефтей некоторых месторождений Тюменской области, республики Коми, Казахстана и Вьетнама в зависимости от частоты, и температуры; их водонефтяных эмульсий в зависимости от содержания воды; песка при разной водонефтенасыщенности.
-
В исследованных средах в диапазоне радиочастот экспериментально обнаружены области релаксации диэлектрических параметров и установлены закономерности поведения электрофизических параметров различных нефтяных дисперсных сред в широких диапазонах частот, температур и влажностей. При этом показано:
а) зависимость комплексной диэлектрической проницае
мости е*((й) высоковязких нефтей от частоты описывается
либо обобщенной моделью диэлектрической релаксации
Гаврильяка-Негами, либо моделью Коула-Коула. С ростом
температуры некоторые релаксационные параметры неф
тей изменяются и при высоких температурах є*(со) для всех
нефтей описывается моделью Коула-Коула.
б) зависимость комплексной диэлектрической проницае
мости є*(ю) эмульсии высоковязкой нефти Русского место
рождения от частоты описывается также обобщенной моде
лью диэлектрической релаксации Гаврильяка-Негами. С
ростом концентрации воды релаксационные параметры
эмульсии изменяются, и при концентрациях воды свыше
20% є*(ш) описывается моделью Коула-Коула, свыше 60%
— моделью Дебая.
в) зависимость комплексной диэлектрической проницае
мости є*(ю) водонефтенасыщенных пород от частоты опи
сывается правилом m-степени. С ростом влажности пород
релаксационные параметры увеличиваются.
-
Определены молекулярные и энергетические параметры исследованных высоковязких нефтей, значения которых используются для асимптотического описания поведения поглощения электромагнитного излучения в широких диапазонах частот, температур, влажностей и поведения реологических параметров этих нефтей в зависимости от температуры.
-
Обнаружено существенное различие показателей поглощения электромагнитных волн, полученных опытным и расчетным путем.
Практическая ценность:
-
Результаты измерений электрофизических и реологических параметров нефтяных дисперсных сред использованы для расчета оптимальных параметров (мощности, частоты) электромагнитного излучения при математическом моделировании высокочастотного нагрева призабойной зоны скважины, насыщенной высоковязкой нефтью Русского месторождения, и при плавлении высокопарафинистой нефти месторождения "Белый тигр" (Вьетнам) из трубопровода.
-
Результаты измерений электрофизических параметров нефтяных дисперсных сред могут быть использованы для получения информации о составах, размерах структурных, образований, фазовых переходах в этих средах и об изменении этих структур при тепловых воздействиях, для установления опти-
мальных частот электромагнитного поля при диэлькометриче-ском методе определения влажности высоковязких нефтей.
-
При измерениях диэлектрических параметров веществ методом куметра на частотах свыше 3 МГц необходимо учитывать обнаруженную зависимость паразитной емкости двухэлек-тродной измерительной ячейки от величины диэлектрической проницаемости.
-
Установлена существенная зависимость поглощения высокочастотных электромагнитных волн в коаксиальных линиях передачи от состояния их поверхности (шероховатости и наличия окисного слоя).
-
Продемонстрирована ликвидация парафиновых отложений в лабораторной модели скважины энергией сверхвысокочастотного электромагнитного излучения.
Достоверность результатов экспериментальных измерений проверялась тестовыми измерениями температурной и частотной зависимости диэлектрической проницаемости є' и тангенса угла диэлектрических потерь tgS химически чистых жидкостей. Отклонение данных для є' не превышало 2%, а для tg5 — 5% от данных, полученных авторитетными авторами. Кроме того, при анализе полученных результатов наблюдалось качественное и количественное согласие с результатами, полученными другими авторами на подобных, но других нефтяных средах.
Апробация работы. Основные результаты, полученные в диссертационной работе, докладывались на научных семинарах по механике многофазных сред (ТО ММС ИТ СО АН СССР, ИММС СО РАН, Тюмень, 1990-1997), на школе-семинаре по проблемам трубопроводного транспорта (ВНИИСПТнефть, Уфа, 1990), на VII Европейском симпозиуме по повышению нефтедобычи (Москва, 1993), на международной конференции по проблемам комплексного освоения трудноизвлекаемых запасов нефти и природных битумов (Казань, 1994), на международной научно-технической конференции "Нефть и газ Западной Сибири" (Тюмень, 1996), на Всероссийской научно-практической конференции "Тюменская нефть — вчера и сегодня" (Тюмень, 1997).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 21 работе, список приведен в конце автореферата.
Структура, и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 184 страницы, включая 57 рисунков, 8 таблиц и список литературы из 121 наименования.