Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА імені І.М. Францевича

УДК 622. 24: 537. 528

ЕЛЕКТРОРОЗРЯДНА ДІЯ НА СТРУКТУРУ ПОРИСТИХ МАТЕРІАЛІВ І ДИНАМІКУ ФІЛЬТРАЦІЇ В НИХ ВУГЛЕВОДНЕВИХ ФЛЮЇДІВ

Спеціальність 05. 02. 01 - Матеріалознавство

Автореферат дисертації на здобуття вченого ступеня

доктора технічних наук

Сизоненко Ольга Миколаївна

Київ 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Інституті імпульсних процесів і технологій НАН України, м. Миколаїв.

Науковий консультант: доктор технічних наук Райченко Олександр Іванович, завідувач відділу фізики взаємодії концентрованих потоків енергії з матеріалами Інституту проблем матеріалознавства НАН України, м. Київ.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук Подчерняєва Ірина Олександрівна, провідний науковий співробітник відділу конструктивної кераміки і керметів Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевіча НАН України, м. Київ;

доктор технічних наук, професор Рудь Віктор Дмитрович, директор Навчально-науково-виробничого інституту інженерних та інформаційних технологій при Луцькому державному технічному університеті, м. Луцьк;

доктор технічних наук, професор Струтинський Василь Борисович, завідувач кафедри конструювання станків і машин НТУУ "Київський політехнічний інститут", м. Київ.

Провідна установа: Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, відділ комп'ютерного матеріалознавства надтвердих композиційних матеріалів для породоруйнівних інструментів.

Захист дисертації відбудеться “19” березня 2007 р. о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.207.03 при Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України за адресою: 03680, м. Київ-142, вул. Кржижанівського, 3.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України за адресою: 03680, м. Київ-142, вул. Кржижанівського, 3.

Автореферат розісланий “24” січня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук Р.В.Мінакова

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Структура пористих матеріалів природного і техногенного походжень при фільтрації через них рідин змінюється у зв'язку із забрудненням пор різними видами відкладень, як крихкими, так і в'язкопластичними. Такі явища характерні для більшості сучасних технологій: при тонкому очищенні рідких і газових середовищ; при переміщенні вуглеводневих флюїдів у капілярно-пористих середовищах, при їх транспортуванні та первинній підготовці у ході переробки нафти в нафтовій промисловості; при очищенні різних рідин у гідрогеології; у санітарній техніці; у фармакологічному виробництві та ін.

Необхідно зазначити, що в пористих матеріалах природного походження - грунтах і гірських породах, самі процеси циркуляції флюїдів - нафти і супутніх рідких компонентів, призводять до зміни тиску. У свою чергу, зміна тиску обумовлює формування напруженого стану, в якому, окрім всебічних напружень, діють також компоненти дотичних напружень, що в цілому формують складний напружений стан, особливо в місцях видобутку нафти. Тому впливати на структуру пористих матеріалів і динаміку фільтрації в них вуглеводневих флюїдів неможливо без урахування цих складних процесів, які супроводжують фільтрацію нафти з пористих гірських порід.

Специфіка цих процесів ускладнюється тим, що вказаний напружений стан формує необоротні деформації в пористому середовищі, які, у свою чергу, впливають на процеси фільтрації нафти і змінюють поле швидкостей добувного устаткування. Одна з основних задач, яка виникає при цьому - це управління процесами деформації пористого середовища, насиченого нафтою.

Слід зазначити, що проблема необоротних деформацій пористого середовища є самостійним об'єктом досліджень. Істотний внесок в цю область вносять роботи, що стосуються об'єктів і технологій сучасного матеріалознавства, в тому числі, порошкової металургії. Розроблено наукові основи технології пресування порошків, які створюють надійне обґрунтування для опису і прогнозування необоротних деформацій пористих середовищ (В.В. Скороход, М.С. Ковальченко, М.Б. Штерн). Закономірності, що описуються за допомогою розроблених ними моделей, подібні закономірностям явищ, які супроводжують динамічні процеси у глибинних пористих матеріалах, що деформуються, - осадкових гірських породах у процесах нафтовидобутку (В.М. Ніколаєвський, М.А. Біо, Я.І. Френкель, Л.П. Хорошун, Р.І. Нігматулін). Зокрема, питання, пов'язані з проблемою розущільнення (збільшення об'єму) пористого середовища, обумовленого зсувними деформаціями, і відомого в механіці ґрунтів і гірських порід як дилатансія, достатньо повно аналізуються в рамках теорії пластичності пористих тіл, яка була розвинена в першу чергу вченими ІПМ НАН України.

З другого боку, очевидна і природна аналогія між процесами ініціації та інтенсифікації процесів видобутку нафти за рахунок використання імпульсних навантажень і процесами прискореної консолідації порошкових матеріалів, зокрема, завдяки електроімпульсному спіканню (О. І. Райченко, М.В. Новиков., А.Л. Майстренко).

Наукові основи еволюції капілярно-пористої структури під дією зовнішніх навантажень викладено в роботах В.В. Скорохода, А.Г. Косторнова, С.М. Солоніна, М.С. Ковальченка, М.Б. Штерна, С.О. Фірстова, Ю.М. Подрезова. Таку еволюцію слід вважати властивою як матеріалам порошкового походження, так і нафтоносним пористим середовищам (ґрунтам). До цього слід додати, що в роботах В.В. Скорохода і А.Г. Косторнова розроблено методи кількісної оцінки переміщення в'язких рідин у капілярно-пористих середовищах на основі встановлених закономірностей взаємодії цієї рідини з внутрішньою поверхнею капілярів. Зазначені роботи відкривають шлях до дослідження впливу розчинів поверхнево-активних речовин (ПАР) на особливості фільтрації рідини в пористих середовищах такого типу.

Подібності процесів, які супроводжують процеси нафтовидобутку і консолідації порошкових матеріалів (зокрема, при спіканні з рідкою фазою), дають підставу для розгляду проблеми розробки наукових основ методу зміни структури пористих матеріалів, заповнених вуглеводневими флюїдами як актуальну задачу сучасного матеріалознавства.

Робота присвячена вирішенню важливої науково-технічної проблеми - розробленню наукових основ методу зміни структури пористих матеріалів, заповнених вуглеводневими флюїдами, з метою поліпшення їх фільтраційних характеристик.

Основне значення в дослідженнях з цієї проблеми приділяється обґрунтуванню комплексних теоретичних і експериментальних наукових підходів при розробці електророзрядного методу дії на структуру пористих матеріалів і динаміку фільтрації в них вуглеводневих флюїдів на основі встановлених закономірностей зв'язку між показниками властивостей цих матеріалів з параметрами дії.

Велике значення при аналізі та інтерпретації результатів експериментальних досліджень дії на фізико-хімічні властивості дисперсних систем мали роботи фізико-хімічного та матеріалознавчого профілю П.О. Ребіндера, В. Клейтона, М.М Круглицького, І.О. Подчерняєвої, І.В. Уварової, Н.Б. Ур'єва, Л.М. Гурвіча.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати, які представлено в цій роботі, отримано при виконанні науково-дослідних робіт тематичного плану Інституту імпульсних процесів і технологій НАН України за основним напрямком його діяльності “Дослідження імпульсної дії високоінтенсивних потоків енергії на багатофазні середовища, різноманітні матеріали та конструкції і створення на цій основі нових технологій”:

- "Исследовать физику электрического разряда в углеводородных средах под высоким гидростатическим давлением и повышенной температуре окружающей среды с целью интенсификации процессов воздействия на нефтегазоносный пласт" - виконувалась на підставі постанови від 27.12.85 № 474 Президії АН УРСР (№ ДР 01860023365, 1986 - 1988 р.р. - Здобувач - відповідальний виконавець теми);

- „Разработать технологию и создать устройство для воздействия на пласт” - виконувалась на підставі розпорядженя від 29.09.86 Президії АН УРСР (№ ДР 01840006810, 1984 - 1988р.р. Здобувач - керівник теми);

- „Исследовать физико-технические аспекты электровзрывного воздействия на водозаборные и нефтяные скважины с гидростатическим давлением не более 30 МПа и температуре до 343 К” - виконувалась на підставі постанови від 11.12.87 № 402 Президії АН УРСР (№ ДР 01880001990, 1988 - 1990 р.р. Здобувач - відповідальний виконавець теми);

- „Исследовательско-экспериментальная обработка призабойных зон с использованием электроразрядного устройства на нефтяных скважинах Украины” - виконувалась на підставі розпорядженя від 25.03.93 № 682 Президії АН України (№ ДР 0193U029672, 1993 - 1994 р.р. Здобувач - керівник теми);

- „Исследовать влияние электрического разряда на фильтрационные характеристики пород-коллекторов в призабойной зоне нефтяных скважин с целью более полного извлечения полезных ископаемых из недр Земли” - виконувалась на підставі постанови від 22.01.91 №3 Бюро Відділення фізико-технічних проблем матеріалознавства НАН України (№ ДР 01910029286, 1991 - 1994. Здобувач - відповідальний виконавець теми);

- „Исследовать влияние комплексного воздействия электрического разряда и реагентной обработки на изменение фильтрационных характеристик пород-коллекторов нефтяных пластов с целью увеличения притока нефти в скважины”- виконувалась на підставі рішення від 22.02.94 № 3 Бюро відділення фізико-технічних проблем матеріалознавства НАН України (№ ДР 0194U007379, 1994 - 1997 р.р. Здобувач - керівник теми);

- „Исследовать характеристики высоковольтного разряда в водонефтяных эмульсиях, разработать оборудование и технологию обработки нефтяных скважин с температурой до 100⁰ С и гидростатическим давлением до 50 МПа”- виконувалась на підставі рішення від 22.04.97 № 7 Бюро Відділення фізико-технічних проблем матеріалознавства НАН України (№ ДР 0197U000574, 1997 - 1999 р.р. Здобувач - відповідальний виконавець теми);

- „Исследование и оценка синергетического эффекта в изменении фильтрационных характеристик пористых насыщенных сред при электрическом разряде в поверхностно-активных веществах”- виконувалась на підставі рішення від 16.05.2000 № 8 Бюро Відділення фізико-технічних проблем матеріалознавства НАН України від 16.05.2000 (№ ДР 0100U004071, 2000 - 2003 р.р. Здобувач - керівник теми);

- „Исследовать изменение фильтрационных свойств пористых насыщенных сред при электроразрядном воздействии с целью увеличения и восстановления производительности и приемистости нефтедобывающих, нагнетательных и водозаборных скважин” - виконувалась за Державним замовленням, затвердженим Державним комітетом України з питань науки, техніки та промислової політики за Державною науково-технічною програмою 05.53.01 „Проблемы нефтегазовых ресурсов Украины и научные основы ее решения” за проектом 05.53.01/021-92 (№ ДР 0193U007152, 1992 - 1994 р.р. Здобувач - відповідальний виконавець теми).

- „Исследовать особенности электроразрядного воздействия на высоковязкие среды с целью улучшения их физико-химических характеристик" - виконувалась на підставі постанови від 27.06.2003 № 11 Вченої ради ІІПТ НАН України (№ ДР 0103U007129, 2003 р. Здобувач - відповідальний виконавець теми).

Мета і завдання дослідження полягають у розробці наукових основ електророзрядного методу зміни структури пористих матеріалів, заповнених вуглеводневими флюїдами, і динаміки їх фільтрації, що базується на встановлених закономірностях зв'язку між показниками властивостей цих матеріалів і параметрами дії.

У практичному плані робота спрямована на вирішення науково-технічної проблеми розробки наукових основ нових методів і технологічних засобів для якнайбільш повного добування вуглеводнів із надр Землі, підвищення їх властивостей, як початкових матеріалів для подальшої переробки, і підвищення властивостей альтернативних нафті видів палив (біопалива).

Досягнення поставленої мети вимагало розв'язання таких задач:

- аналізу основних проблем, пов'язаних з фільтрацією вуглеводневих флюїдів в осадкових гірських породах (пористих матеріалах глибинної формації), та існуючих методів їх вирішення;

- виконання теоретичного аналізу динамічних процесів у пористих насичених вуглеводневим флюїдом середовищах при імпульсній дії;

- експериментально-теоретичних досліджень впливу складу робочого середовища і гідростатичного тиску на стадію формування і розвитку високовольтного електричного розряду;

- вивчення впливу високовольтного електричного розряду на основні властивості розчинів ПАР і високов'язких середовищ;

- експериментальних досліджень впливу високовольтного електричного розряду на динаміку зміни фільтраційних характеристик пористих матеріалів, насичених рідиною;

- розробки електророзрядного методу зміни структури пористих матеріалів, заповнених вуглеводневими флюїдами, та інтенсифікації динаміки їх фільтрації, що базується на встановлених закономірностях зв'язку між показниками властивостей цих матеріалів і параметрами дії, а також використання цього методу для інтенсифікації фільтраційних характеристик в пластах пористих матеріалів (осадкових гірських породах) існуючими пристроями; розряд пористий вуглеводневий флюїд

- розробки наукових основ керування мезоструктурою, фізико-хімічними та реологічними властивостями суспензії частинки коксу - вуглеводнева рідина (біопаливо), що базуються на встановлених закономірностях зв'язку між показниками властивостей цього матеріалу з параметрами електророзрядної дії.

Об'єкти досліджень. Об'єктами досліджень є пористі матеріали природного походження (пісковики і карбонати); твердофазні органомінеральні композиції (асфальтени, смоли, парафіни, солі та гіпс), що відкладаються в порах цих матеріалів і перекривають канали фільтрації; фільтрація нафти в пористих матеріалах; біопаливо (продукт термічної переробки деревини); електричний розряд у водних електролітах, водних електролітах + ПАР, водонафтових емульсіях, водонафтових емульсіях + ПАР і закономірності зв'язку його параметрів дії з показниками властивостей вищеперелічених матеріалів.

Методи досліджень. Експериментальні дослідження впливу електророзрядної дії на динаміку фільтрації вуглеводневих флюїдів у пористих матеріалах природного походження (керни пісковиків і карбонатів) та їх структуру проводилися на оригінальному стенді високого тиску. Стенд дозволяв створювати різні поєднання гірського, внутрішньопорового і гідростатичного тиску, фільтрувати рідину при постійній витраті через пористий матеріал і фіксувати перепад тиску на керні перетворювачем вимірювальним різниці тиску "Сапфір -22ДД". Коректність одержаних результатів забезпечується статистичною обробкою результатів вимірювань і комплексом сучасних експериментальних і теоретичних методів, які взаємно доповнюють один одного: фізико-хімічний аналіз, визначення механічних і гідродинамічних властивостей, оптична мікроскопія, реєстрація швидкопротікаючих електричних і гідродинамічних процесів. Комплексне використання цих методів дозволило провести всебічні фізичні, фізико-хімічні, структурно-реологічні, мікро-, мезоструктурні та гідродинамічні дослідження в матеріалах, що піддаються електричній, тепловій і механічній дії.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в такому.

Вперше розроблені наукові основи методу електророзрядної дії на структуру пористих матеріалів і динаміку фільтрації в них вуглеводневих флюїдів:

1. Вперше розроблено спосіб створення неадитивного (синергетичного) ефекту в зміні (поліпшенні) характеристик фільтрації у пористих, насичених рідиною матеріалах при електророзрядній дії. Спосіб полягає у виборі робочого середовища з домішкою ПАР, у складі яких присутній піноутворювач; ПАР повинна бути хімічно активною до виду відкладень у пористому матеріалі (осадкових гірських породах). Спосіб полягає також у встановленні часового режиму циклічної дії залежно від типу породи, її пористості та характеру відкладень (кінцевий ефект у 2 рази перевищує суму ефектів від дій, що надають самостійно ПАР і електричний розряд).

2. Вперше встановлено закономірності зв'язку складу робочого середовища (водонафтова емульсія (з обводненням не більше 30%) з домішкою ПАР, у складі якої присутній піноутворювач) із сумою питомих імпульсів тиску при електророзрядній дії; ці закономірності є вирішальними для оптимізації монотонно зростаючої залежності зміни фільтраційних характеристик - пористості (у пісковиків збільшується в 3 рази, у карбонатів - у 2,5 рази), проникності (у пісковиків збільшується в 6 разів, у карбонатів - у 3 рази) і структури пористого середовища (розмір пор пісковиків і карбонатів істотно збільшується).

3. Теоретично обґрунтовано умови, необхідні для позитивної зміни фільтраційних характеристик пористих матеріалів у ближній зоні типової нафтової свердловини під дією гідродинамічних збурень, що утворилися в результаті високовольтних електричних розрядів електророзрядних свердловинних пристроїв.

4. Вперше встановлено закономірності зв'язку параметрів електророзрядної дії (енергії, що запасається, і суми питомих імпульсів тиску) з часовою залежністю зміни фізико-хімічних властивостей рідини (розчини ПАР), в якій формується плазмовий канал розряду - ефективність видалення в'язкопластичних і крихких відкладень із твердих поверхонь (у вигляді характерної s-образної залежності) може досягати 93%, запобігання сорбції цих відкладень посилюється на 30%, поверхневий натяг на межі рідини (нафта + ПАР) з повітрям монотонно знижується на 10%.

5. Вперше встановлено закономірності зв'язку параметрів електророзрядної дії зі зміною реологічних характеристик вуглеводневого флюїду - монотонно спадною залежністю динамічної в'язкості (знижується в 2 рази при швидкості зсуву 15 с^-1), граничним напруженням зсуву (знижується на 40%) і зміною структури цього флюїда (знакозмінними хвилями стиснення диспергується тверда дисперсна фаза, що складається з міцел асфальтенів і кристалів парафіну) при збільшенні суми питомих імпульсів тиску від моменту прикладення навантаження до 50 МПас/м³.

6. Вперше встановлено закономірності зв'язку параметрів електророзрядної дії з залежністю зміни фізико-хімічних властивостей (без зміни початкового хімічного складу) і структури гетерогенної грубодисперсної системи - біопалива „Dynamotive” (Канада): монотонно спадною залежністю кінематичної в'язкості (знизилася в 2 рази), спадної схильності до коксування (знизилася на 15%), розподілом коксівних частинок за розмірами (великі від 10 до 50 мкм (59,2%) диспергувалися до частинок від 5 до 10 мкм (86%) при збільшенні суми питомих імпульсів тиску від моменту прикладення навантаження до 55 МПас/м³.

Практичне значення одержаних результатів. Вперше у світовій практиці, на основі комплексу теоретичних і експериментальних досліджень, виконаних в дисертаційній роботі, розроблено для практичного використання в нафтовидобутку і при підготовці альтернативних видів палив способи керування мікро- і мезоструктурою пористих матеріалів і динамікою фільтрації в них вуглеводневих флюїдів та фізико-хімічним станом різних дисперсних систем.

Вперше розроблено спосіб створення неадитивного ефекту у зміні (поліпшенні) фільтраційних характеристик пористих, насичених рідиною матеріалів (осадкових гірських порід), який дозволяє інтенсифікувати приплив нафти із пластів осадкових гірських порід як в результаті розущільнення (дилатансії) пористого середовища, збільшення пористості й проникності, так і в результаті зміни реологічних характеристик нафти.

Вперше розроблено спосіб ударно-хвильової дії високовольтного електричного розряду на високов'язкі дисперсні системи, який дозволяє необоротно змінювати реологічні властивості і структуру гетерогенної грубодисперсної системи без зміни початкового хімічного складу.

Вперше розроблено спосіб електророзрядної активації розчинів ПАР, який дозволяє підсилювати здатність ПАР видаляти високомолекулярні вуглеводні та мінеральні солі (відкладення) з твердих поверхонь і запобігати їх сорбції, знижувати поверхневий натяг на контакті рідина (розчин ПАР + нафта) - повітря, знижувати динамічну в'язкість і граничне напруження зсуву в структурованих нафтах.

Реалізація наукових розробок. Наукові основи електророзрядної дії на структуру пористих матеріалів і динаміку фільтрації в них вуглеводневих флюїдів використано для розробки електророзрядної технології інтенсифікації фільтраційних процесів у глибинних пластах осадкові гірських порід.

Електророзрядну технологію використано для обробок більш ніж 300 добувних свердловин родовищ України, Росії, Казахстану і Китаю електророзрядними заглибними пристроями (приплив нафти збільшується більш ніж у 3 рази). Гідродинамічні дослідження глибинних нафтових пластів, які проведено до і після електророзрядної дії, підтвердили правомірність результатів комплексу експерименально-теоретичних досліджень, наведених у роботі.

Оригінальність і ефективність розробок підтверджено 29 авторськими свідоцтвами та патентами на винаходи СРСР, України, Росії і США, а також актами впровадження та відгуками ряду організацій.

Особистий внесок автора.

Особистий внесок автора полягає в: розробці наукових основ електророзрядної дії на структуру пористих матеріалів і динаміку фільтрації в них вуглеводневих флюїдів; обґрунтуванні проблеми і виробленні наукової концепції в керуванні структурою пористих матеріалів і динамікою фільтрації; встановленні закономірності зв'язку між показниками властивостей пористих матеріалів і вуглеводневих флюїдів з параметрами електророзрядної дії; розробці способу створення синергетичного ефекту у зміні фільтраційних характеристик пористих середовищ, насичених рідиною, при електророзрядній дії; розробці способу ударно-хвильової дії високовольтного електричного розряду на високов'язкі дисперсні системи; розробці способу активації розчинів ПАР. У дисертаційній роботі узагальнено результати досліджень, виконаних безпосередньо автором або за його участю, а саме: автор сформулював мету, завдання і постановку роботи, науково обґрунтовував об'єкти і методи досліджень, проаналізував і узагальнив одержані результати, розробив технологічні регламенти, керував роботою при відпрацюванні технології на свердловинах. Матеріали дисертаційної роботи не містять ідеї та розробки, що належать співавторам, з якими було написано наукові праці.

Апробація. Основні результати дисертаційної роботи докладалися і обговорювалися на наукових конференціях, зокрема, міжнародних: - IV Всесоюзна науково-технічна конференція „Електричний розряд у рідині і його застосування в промисловості” (м. Миколаїв, 1988 р.); III Всесоюзна науково-технічна конференція „Вдосконалення експериментальних методів дослідження фізичних процесів” (м. Ленінград, 1989 р.); V, VII, VIII, IХ Наукові і Х, ХI, ХIІ Міжнародні наукові школи - семінари „Фізика імпульсних розрядів в конденсованих середовищах” (м. Миколаїв, 1991, 1993, 1995, 1997, 1999, 2001, 2003, 2005 р.р.); V науково-технічна конференція „Електричний розряд в рідини і його застосування в промисловості” (м. Миколаїв, 1992 р.); ICF - 8 Eighth internatiоnal conference on fracture „Fracture mechanics: successes and problems” (Lviv, 1993 р.); Seventh European Symposium on Improved Oil Recovery (Moscow, Russia, 1993 р.); I, II, IV, V, VI Міжнародні наукові школи-семінари „Імпульсні процеси в механіці суцільних середовищ” (м. Миколаїв, 1994, 1996, 2001, 2003, 2005 р.р.); Українська науково-практична конференція „Проблеми горіння, балістики і механіки зіткнень” (м. Одеса, 1996 р.); V Міжнародна конференція „Механіка руйнування матеріалів і стійкість конструкцій” (м. Львів, 1998 р.); Міжнародна конференція „Високий тиск - 2000” (м. Донецьк, 2000 р.); 1-а Міжнародна конференція „Сучасні проблеми нафтовіддачі пластів” (Нафтовіддача - 2003, м. Москва, 2003 р.); 3-я Міжнародна конференція „Матеріали і покриття в екстремальних умовах: дослідження, застосування, екологічно чисті технології виробництва і утилізації виробів" (Кацивелі - Понізовка, Автономна республіка Крим, Україна, 2004 р.); Міжнародна конференція „Сучасне матеріалознавство: досягнення і проблеми” (м. Київ, 2005 р.); 4-а Міжнародна конференція „Матеріали і покриття в екстремальних умовах: дослідження, застосування, екологічно чисті технології виробництва і утилізації виробів” (Жуковка, Автономна республіка Крим, Україна, 2006 р.).

Публікації за темою дисертації. Список з 46 основних праць приведено в авторефераті, з них 6 - одноосібних. Новизна одержаних результатів підтверджена 29 авторськими свідоцтвами на винахід СРСР і патентами України, США і Росії.

Структура і об'єм роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел і додатку. Повний обсяг роботи 325 сторінок, у тому числі 100 рисунків, 28 таблиць, список використаних джерел з 323 найменувань, 1 додаток.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведена загальна характеристика проблеми в цілому, обґрунтоване місце роботи в матеріалознавстві, сформульовані і обґрунтовані актуальність, наукова новизна і цінність одержаних результатів, які виносяться на захист.

У першому розділі розглядається сучасний стан знань про структуру, фізико-хімічні і механічні властивості, хімічний склад таких матеріалів і речовин, як капілярно - пористі осадкові гірські породи, тверді вуглеводні (асфальтени, смоли, парафіни) і мінеральні композиції (хлориди, карбонати, бікарбонати натрію, кальцію і магнію, оксиди алюмінію, кремнію, заліза), і плинні вуглеводневі флюїди (нафта). Як випливає з інформації, яка відноситься до зазначених твердофазних матеріалів, вони під дією електричних розрядів у рідинах, що контактують з ними і гірськими породами (у порах яких вони знаходяться), з великими складнощами видаляються з поверхні пор. Тому тверда речовина, яка заповнює пори, погіршує фільтрацію вуглеводневих флюїдів або зовсім перекриває шляхи їх течії. Виникає питання, яким чином можна усунути цю проблему, що характерна для більшості пластів пористих матеріалів підземної формації. Для видалення асфальтенів, смол і парафінів в основному використовують ПАР, проте вони можуть видаляти відкладення тільки з ближньої зони, що контактує з породою. Існує ще одна проблема, пов'язана з високою в'язкістю вуглеводневих флюїдів, що видобуваються в даний час. Потрібна розробка науково обґрунтованих методів зниження в'язкості таких речовин, що фільтруються, особливо у вищеописаних умовах з погіршеною фільтрацією в результаті присутності твердофазних відкладень. Необхідно також розробити метод, який дозволить поліпшити технологічні характеристики рідких вуглеводнів не нафтового походження (біопаливо).

Розглянуто існуючі методи інтенсифікації процесів фільтрації вуглеводневих флюїдів у пористих матеріалах підземної формації, зокрема, при використанні високовольтного електричного розряду. Встановлено, що жоден із відомих методів не базується на закономірностях зв'язку між показниками властивостей пористих гірських порід і вуглеводневих флюїдів та параметрами дії, що не дозволяє керувати динамікою фільтрації.

У зв'язку з вищевикладеним сформульована науково-технічна проблема, на вирішення якої була направлена робота - розробка наукових основ методу зміни структури пористих матеріалів, заповнених вуглеводневими флюїдами, з метою поліпшення їх фільтраційних характеристик.

Робота присвячена розробці науково обґрунтованих методів:

1) збільшення пористості і проникності пористих матеріалів (осадкових гірських порід);

2) видалення твердофазних пластичних відкладень (комбінації асфальтенів, смол і парафінів) з поверхонь пор пісковиків і карбонатів;

3) видалення твердофазних крихких відкладень (комбінації хлоридів, карбонатів, бікарбонатів натрію, кальцію, магнію, оксидів алюмінію, кремнію, заліза) з поверхонь пор пісковиків і карбонатів;

4) зниження граничного напруження зсуву і в'язкості у вуглеводневих флюїдах;

5) зниження в'язкості та диспергування крупних коксівних частинок у рідких вуглеводнях не нафтового походження (продукти термічної переробки деревини - біопаливо).

У другому розділі виконано теоретичний аналіз динамічних процесів у пористих, насичених рідиною, середовищах при імпульсному навантаженні. У розділі наведено складові математичної моделі пористого середовища, насиченого рідиною, замкнуті системи диференціальних рівнянь у частинних похідних для визначення зміни пористості, тиску порової рідини і зсуву точок матриці та рідких частинок у процесі їх руху, одержані в роботах різних авторів (моделі В.М. Ніколаєвського, Біо - Френкеля і Л.П. Хорошуна). Показано структурну еквівалентність указаних моделей і встановлено відповідність їх коефіцієнтів і параметрів.

У математичній моделі, що описує процес пружнопластичної деформації пористого, насиченого рідиною, середовища під дією гідродинамічної хвилі, яка утворилася в результаті електричного розряду, були сформульовані дві підсистеми рівнянь. Перша підсистема включає рівняння (В.М. Ніколаєвського), які враховують закони збереження маси, імпульсу і енергії в пористій матриці і в рідині, що заповнює пори, взаємодію твердого і флюїдного середовищ, зв'язок між деформаціями і напругами, пластичною течією, геометричні співвідношення між швидкостями деформацій і переміщеннями, зміну пористості, рівняння стану твердої і рідкої фаз, крайові умови. Друга підсистема включає рівняння (А.А. Барміна і В.М. Ніколаєвського), які враховують процеси перенесення відкладень з внутрішніх поверхонь твердої матриці, баланс маси рідини з ПАР і баланс маси матриці.

Враховуючи, що швидкість розчинення домішок набагато менше швидкості хвильових процесів у пористих матеріалах, розрахунок розчинення домішки виконувався в незв'язаній постановці.

Розроблено алгоритм розрахунку динамічних процесів у пластах пористих матеріалів (осадкових гірських породах) з урахуванням гірського тиску і наявності в рідині, в якій реалізують електричний розряд, ПАР.

Для розв'язання підсистем рівнянь використовувалися чисельні методи. При цьому безперервна область рішення замінювалася дискретною за допомогою рухомої неортогональної скінченнорізницевої сітки. Апроксимація рівнянь вироблена за методом кінцевих об'ємів. Перевірка точності результатів, одержаних при розв'язанні системи цих рівнянь за розробленим алгоритмом, виконувалася шляхом порівняння з відомими із літератури даними.

Розглядалася система співвісних циліндричних шарів, які утворені жорсткою перфорованою трубою, цементним кільцем, перфорованою та неперфорованою частиною пористого матеріалу.

Встановлено, що під дією гірського тиску встановлюється немонотонний розподіл напружень у ближній зоні залежно від відстані до стінки жорсткої труби (стальної). Вплив електричного розряду на зміну радіальних напружень охоплює прилеглі до жорсткої труби шари на відстані, що не перевищує її восьми радіусів.

Тиск на стінку жорсткої труби = 35 МПа, який створює електричний розряд у водному електроліті з питомою електропровідністю 0,1 Ом^-1м^-1 (параметри існуючих пристроїв типу „Скіф”, енергія, що запасається - 1 кДж), при малих величинах гідростатичного Р_г (до 5 МПа) і гірського (до 10 МПа) тиску сприяє утворенню радіальних і циліндричних тріщин у пористому середовищі на відстані приблизно 0,4 м (рис.1). У результаті цього може істотно підвищуватися проникність матриці пористого середовища.

Збільшення гірського (більше 10 МПа) і гідростатичного (більше 5 МПа) тисків перешкоджають утворенню тріщин відриву. Руйнування матриці пористого середовища в результаті стиснення відбувається поблизу жорсткої труби у вигляді тріщин зсуву. При відносно малих значеннях тиску на стінку жорсткої труби (до 35 МПа) спостерігається пружний режим деформації матриці пористого середовища. Отже, необхідно створювати умови для збільшення амплітудних значень тиску, що впливають на пористе середовище.

Розрахунки показують, що найбільша глибина проникнення розчину ПАР в пористе середовище під дією одиночного розряду існуючих електророзрядних пристроїв не перевищує 16 мм. Межа контакту розчину ПАР з нафтою здійснює затухаючі коливання з основною частотою (200…500 Гц) при двократному зменшенні амплітуди за період коливань.

Процес розчинення відкладень речовин, що забруднюють пори, можливий в результаті контакту з ними розчину ПАР. Такий контакт відбувається в результаті витискування розчином ПАР нафти углиб пористого середовища. Початкова стадія імпульсного навантаження пористого середовища характеризується приблизно лінійною залежністю між кількістю послідовно виконаних електричних розрядів і масою відкладень, видалених із пор (тобто збільшенням пористості). Зміна (підвищення) проникності гірських порід залежить від зміни (підвищення) пористості в степені 10. Отже, зміна проникності пористого середовища в межах насичення її розчином ПАР пропорційна кількості послідовно виконаних електричних розрядів, узятому в десятому степені.

Таким чином, не дивлячись на відносно малу кількість відкладень, що видаляються з пор за один розряд ( 10^-5 % маси асфальто-, смоло-, парафінових відкладень (АСПВ) за час контакту ПАР з відкладеннями 3 мс), послідовність розрядів може привести до істотної зміни проникності пористого середовища.

Отже, необхідно добиватися збільшення амплітудних значень тиску, які сприяють зміненню проникності за рахунок створення і розвитку тріщин, та інтенсифікувати фільтраційні процеси розчинів ПАР у пористому середовищі, що допомагатимуть розчиненню і винесенню забруднюючих речовин із пор.

У третьому розділі наведено результати експериментально-теоретичних досліджень впливу складу робочого середовища і гідростатичного тиску на стадію формування й розвитку високовольтного електричного розряду.

Оскільки збільшення амплітудних значень тиску за рахунок збільшення енергії, що запасається, в існуючих установках понад 1 кДж пов'язане з рядом технічних складнощів, зокрема, з обмеженням масогабаритних параметрів установок, обрано інший шлях. Це визначення умов, які сприятимуть ефективному перетворенню електричної енергії в умовах високого гідростатичного тиску. Малі втрати енергії на стадії формування розряду дозволять збільшити амплітудні значення тиску, що сприятиме зміні проникності як за рахунок створення і розвитку тріщин, так і за рахунок розчинення і винесення забруднюючих речовин з пористого середовища змінними за напрямками гідропотоками розчинів ПАР.

У розділі 3 надано схему експериментального стенду високого тиску, описано апаратуру і методику досліджень часових, електричних характеристик розрядів та імпульсів тиску. Обґрунтовано вибір базових робочих середовищ і ПАР.

Як базові середовища використовувалися водний електроліт з питомою електропровідністю ₀ = 0,01 Ом^-1м^-1 і водонафтова емульсія (ВНЕ). Вибір ПАР обґрунтовувався їх функціональними властивостями щодо відкладень органо-мінеральних композицій. Для приготування водних розчинів на базах водного електроліту і водонафтової емульсії використовувалися ПАР різних класів:

- аніонного типу - побічні продукти нафтопереробки - сульфонатний міцелярний концентрат Пінола (ПН) і Карпатол (КР);

- змішаного типу - багатокомпонентна суміш аніонних і неіоногенних ПАР різної хімічної будови і цільових домішок - багатофункціональні композиції типу МЛ - НМК, НМК-21, ВРК.

Всі дослідження виконано при параметрах розрядного кола, близьких до значення номінальних параметрів існуючих електророзрядних пристроїв свердловин типу „Скіф”. Довжина міжелектродного проміжку підтримувалася на рівні l_п?2 10 ^{- 2}м, а довжина виступаючої з ізолятора частини електроду-аноду - l_в?5·10^-3м. Дані параметри електродної системи дозволили досягти високої стабільності розрядів як в розчинах водних електролітів, так і у водонафтовій емульсії при гідростатичному тиску Р_г до 40 МПа.

Встановлено, що тип досліджуваних ПАР та їх концентрація у водних електролітах істотно не впливають на характер залежності часу затримки пробою і напругу початку активної стадії розряду від гідростатичного тиску. Втрати на передпробійній стадії збільшуються зі зростанням гідростатичного тиску, повторюючи характер аналогічної залежності для водних електролітів. Необхідно відзначити, що домішка НМК, НМК-21 і ВРК у досліджуваних концентраціях до водних електролітів приводить до піноутворення в середовищі. Здійснюється це в результаті того, що при контакті рідини з плазмовим каналом розряду відбувається її розкладання з виділенням газу, а далі вона спінюється при інтенсивному перемішуванні гідропотоком, через наявність у складі цих реагентів неіоногенних ПАР, що є піноутворювачами. Цей процес залежить від часу дії на середовище і виражається в деякому підвищенні гідростатичного тиску в камері на величину від 0,2 до 0,3 МПа. Піноутворення при додаванні ПН і КР не виявлено, що пояснюється відсутністю в їх складі неіоногенних ПАР.

Додання досліджуваних ПАР у водонафтові емульсії також істотно не впливає на стадію формування розряду. Електричний розряд у ВНЕ і у ВНЕ з ПАР відрізняється стабільністю часу затримки пробою і слабо залежить від тиску. На відміну від водних електролітів, електричні характеристики при розряді як у ВНЕ, так і у ВНЕ з ПАР залежать від часу дії і виражаються у збільшенні, приблизно в 2 рази часу, затримки пробою. Напруга початку активної стадії розряду у ВНЕ зі збільшенням гідростатичного тиску дещо збільшується, що викликане стабілізацією складу емульсії і її поступовим насиченням продуктами розкладання (переважно газами). При додаванні до емульсії ПАР типу МЛ напруга початку активної стадії розряду практично не залежить від гідростатичного тиску (до 40 МПа). На відміну від водних електролітів, при розряді у ВНЕ з перших же імпульсів починається різке зростання тиску, пов'язане з утворенням в емульсії значної кількості газів - продуктів розкладання емульсії. Умови, зв'язані з практично миттєвим плазмотермічним розкладанням ВНЕ, яка контактує з каналом розряду до газової фази, дозволяють знизити втрати енергії на стадії формування електричного розряду при високому гідростатичному тиску.

Експериментальні дослідження впливу складу робочого середовища при високовольтному електричному розряді (водного електроліту (₀ = 0,1 Ом^-1м^-1); 0,3% водного розчину НМК-21(₀ = 0,1 Ом^-1м^-1); водонафтової емульсії обводненістю О до 30% (питома електропровідність дисперсної фази - водного електроліту ₀ = 1,1 Ом^-1м^-1) і водонафтової емульсії з домішкою 0,3% НМК-21) на амплітуду імпульсів тиску, виконані за допомогою хвилеводних датчиків тиску, дозволили встановити (рис.2) що:

- при гідростатичному тиску до 5 МПа найбільші амплітуди імпульсного тиску відзначаються при розряді у водному електроліті, оскільки при розряді у водному розчині НМК-21 і ВНЕ + НМК-21, в результаті значного об'єму газових включень з бульбашками великих розмірів (до 1 мм), практично на порядок зменшується амплітуда тиску, порівняно з розрядом у водному електроліті;

- із зростанням Р_г 5 МПа, при зниженні розміру бульбашок (до 50 мкм і менш), спостерігається зростання амплітуди у водному розчині НМК-21, і особливо у ВНЕ + НМК-21;

- при гідростатичному тиску Р_г 5 МПа якнайкращими, з погляду гідродинаміки, характеристиками володіє розряд у ВНЕ + НМК-21, що пов'язано зі сприятливим впливом дрібнодисперсних газових бульбашок в середовищі на електричні характеристики розряду (такі бульбашки ініціюють пробій середовища і знижують втрати енергії).

Оскільки газорідинне середовище (нестислива рідина з бульбашками газу) володіє рядом специфічних властивостей, що істотно впливають на процес розповсюдження хвиль стиснення, було виконано теоретичний аналіз трансформації хвиль стиснення в газорідинному середовищі.

У роботі на основі методу асимптотично еквівалентних функцій в поєднанні з методом інтегральної інтерполяції розроблено простий і ефективний спосіб наближеного аналітичного визначення значень перехідної функції крайової задачі про розповсюдження хвиль стиснення в газорідинному середовищі.

Представлення інтеграла, що дає основний внесок у перехідну функцію, у формі інтеграла Фур'є дозволило встановити, що причиною осциляційного характеру перехідної функції є наявність нескінченних розривів густини інтеграла Фур'є. З численних розрахунків перехідної функції при значеннях параметрів, характерних для розрядноімпульсних технологій, витікає, що для оперативної наближеної оцінки вказаної функції може бути використаний інтегральний синус при спеціальним чином вибраному значенні його аргументу.

Представлено алгоритм визначення параметрів трансформації хвилі стиснення при розповсюдженні в газорідинному середовищі з заданими властивостями, що визначаються головним чином газовмістом, радіусом бульбашок, гідростатичним тиском, густиною рідкої фази, швидкістю звуку. Показані на рис. 3 залежності надмірного тиску хвилі стиснення від газовмісту при фіксованому радіусі бульбашки і від радіусу бульбашки при фіксованому газовмісті свідчать про наявність додаткової гідродинамічної дії на стінку.

Таким чином, в результаті комплексу експериментальних і теоретичних досліджень встановлено, що використання ВНЕ як робочого середовища, обводненість якого становить не більш 30 %, дозволяє збільшити амплітуду імпульсів тиску. Це є наслідком зниження втрат енергії на стадії формування електричного розряду в результаті плазмотермічного розкладання рідини до газової фази, яка є ініціатором у формуванні каналу розряду, а домішка ПАР змішаного типу, у складі яких присутній піноутворювач, приводить до спінювання середовища і, в свою чергу, сприяє посиленню гідродинамічної дії на пористе середовище за рахунок осциляції тиску після проходження хвилі стиснення в газорідинному середовищі.

У розділі 4 наведено результати експериментальних досліджень впливу високовольтного електричного розряду на основні властивості розчинів ПАР і високов'язких середовищ, що проводилися на експериментальному стенді, технологічна частина якого дозволяла вирішити як поміщати досліджувану рідину: або в розрядну камеру для здійснення в ній високовольтного розряду, або відділяти цю рідину в робочій камері пружною гумовою мембраною від контакту з плазмовим каналом. Однією з найважливіших вимог, що ставляться до ПАР, є забезпечення ними високої очищувальної (миючої) та інгібуючої здатності відносно АСПВ. Миюча та інгібуюча здатність розчинів ПАР визначалася масовим методом з використанням устаткування, що моделює ці процеси, для чого використовувалася методика “холодного” циліндра. Методика полягає у тому, що створюються умови, за яких за рахунок різниці температур у стакані і циліндрі, на поверхні циліндра утворюється осад АСПВ.

Встановлено, що миючі та інгібуючі властивості (запобігання сорбції відкладень) всіх видів ПАР після електророзрядної обробки в розрядній камері посилилися (кращими властивостями володіють багатофункціональні композиції ПАР). Результати досліджень залежності ефективності очищувальної здатності розчинів ПАР (, де - ефективність очищувальної здатності розчину ПАР; - маса осаду, що утворився на поверхні “холодного” циліндра, г; - маса відмитого осаду, г) від часу дії (числа імпульсів) виявляють характерну s-образну залежність (рис.4). Це свідчить про те, що існує період накопичення змін, який ініціюється тепловою енергією плазмового каналу, механічною енергією ударної хвилі та гідропотоку, період зростання і стабілізації поверхневої енергії в розчинах ПАР. Така залежність дозволяє оптимізувати процес дії і показує, що вже після 100 імпульсів дії (енергія, що запасається - 1 кДж) 0,3 % водний розчин НМК-21 (володіючий якнайкращою миючою здатністю) практично повністю (93 %) видаляє відкладення (рис.4). Після електророзрядної обробки 0,1% розчинів ВРК, НМК і НМК-21 їх миючі здатності стали порівнянними (навіть дещо вищими, ніж у 0,3% розчинів до їх обробки).

У розчинах ПАР, які відокремлені від плазмового каналу високовольтного розряду гумовою мембраною (робоча камера), посилення миючої та інгібуючої здібностей практично не спостерігалося (в межах 1%).

Як було встановлено раніше (розділ 3), при електричному розряді в 0,1% і 0,3% розчинах НМК, НМК-21 і ВРК відбувалося велике піноутворення. При цьому з підвищенням тиску до 20 МПа діаметр бульбашок у піні зменшується до 50 мкм, дисперсність збільшується, а стійкість підвищується. Тому бульбашки піни, сприяючи кращій адсорбції ПАР на твердій поверхні, особливо при малих концентраціях ПАР (у нашому випадку це НМК, НМК-21 і ВРК), покращують їх миючі та інгібуючі властивості. На рис. 5 видно структуру піни 0,3% розчину НМК-21 після електророзрядної обробки.

Експериментальна перевірка зміни реологічних характеристик структурованої нафти (на ротаційному віськозиметрі „Полімер РПЕ-1М.2”) при додаванні до неї ПАР різних класів показала, що додавання до нафти всіх досліджуваних ПАР приводить до невеликого (~ 10%) зниження граничної напруги зсуву і динамічної в'язкості.

Додавання до нафти активованих електророзрядом багатофункціональних композицій (0,3% розчин ВРК і НМК-21) дозволило істотно поліпшити реологічні властивості (граничне напруження зсуву знижується до 40%, а динамічна в'язкість - у 2 рази). При додаванні активованих 0,1% розчинів цих ПАР граничне напруження зсуву знизилося незначно (~ на 20%), порівняно з додаванням необроблених розчинів. Електророзрядна активація ПАР істотно залежить від часу обробки, причому ВРК і НМК-21 поводяться різним чином. Найзначніше зниження граничного напруження зсуву нафти відбувається при додаванні до неї ВНЕ + НМК-21 після 25-хвилинної електророзрядної обробки (рис. 6), динамічна в'язкість нафти (швидкість зсуву 15 с^-1) при цьому знижується в 2 рази (рис. 7).

Інакше поводиться після обробки 0,3% розчин НМК-21, який вже після 10-хвилинної обробки знижує граничне напруження зсуву нафти в 2 рази, проте подальша його обробка призводить до погіршення результату. Електророзрядна обробка 0,1% розчинів ВРК і НМК-21 веде до незначного, від 10 до 20%, зниження граничного напруження зсуву, а зі збільшенням часу обробки властивості не поліпшуються.

Дослідження, виконані на оптичному мікроскопі (рис.8) свідчать про структурні зміни нафти при додаванні до неї активованого ПАР: очевидно, що просторова структура твердої фази асфальтенів, смол і парафінів (рис. 8а) повністю зруйнована (рис. 8в-г). Дослідження проводили, порівнюючи кількісні характеристики розміру частинок АСПВ і води дослідних і контрольних зразків на оптичному мікроскопі „Неофот - 32”.

Електророзрядна обробка ПАР на вуглеводневій основі - ПН і КР, в яких не відбувається пінної сепарації, що підсилює процеси адсорбції, не поліпшує реологічні характеристики нафти при їх додаванні, а призводить до незначного (близько 10 %) збільшення граничного напруження зсуву і динамічної в'язкості нафти. Це пояснюється їх структуруючим впливом при взаємодії з природними полімерами нафти (асфальтенами і смолами), збільшення в'язкості відбувається в результаті утворення колоїдних структур. Отже, розчини такого типу ПАР не можуть бути використані у складі робочого середовища при електророзрядній дії на структуру пористих матеріалів і динаміку фільтрації в них вуглеводневих флюїдів.

Електророзрядна обробка багатофункціональних композицій ПАР, концентрація яких знаходилася вище критичної концентрації міцелоутворювання, дозволила знизити поверхневий натяг (метод рахунку крапель (або метод краплі, що обривається) за допомогою сталагмометра) на межі рідини (нафта+ПАР) з повітрям. Поверхневий натяг нафти, при додаванні до неї активованих електророзрядом 0,1 і 0,3 % розчинів НМК-21 і ВРК, знизився на межі з повітрям приблизно на 10 і 7 % відповідно (рис.9). Поверхневий натяг на межі рідини (нафта+ПАР) з повітрям при додаванні КР і ПН практично не змінився.