Введение к работе
Актуальность темы. Проблема разрушения водонефтяных эмульсий обусловлена необходимостью обезвоживания и обессоливания нефтей, ликвидации нефтешламовых амбаров и утилизации их продукции. Из-за прогрессирующего роста числа обводненных месторождений на многих крупнейших месторождениях России доля воды в продукции доходит до 90%, а в целом по России превышает 83,5%. С другой стороны, существует огромное количество загрязненных водно-почвенных сред на территории объектов добычи нефти и ее транспортировки, которые нарушают экологический баланс природных систем.
Проблемой разрушения водонефтяных эмульсий физическими полями занимались многие отечественные и зарубежные ученые (Чефранов К.А., Панченков Г.М., Цабек Л.К., Саяхов Ф.Л., Хакимов В.С., Ковалева Л.А., Фатыхов М.А., Морозов Г.А., Логинов В.И., Тронов В.П., Максимочкин В.И., Roy N. Lucas, Christine Noik, Cindy Jackson и др.).
Одним из широко внедряемых методом разрушения высокоустойчивых водо-нефтяных эмульсий является использование низкочастотного (НЧ) электрического поля промышленной частоты. Однако, при повышении напряженности такого поля больше некоторого критического значения возникает побочный процесс, ведущий к электрическому диспергированию капель на более мелкие капли. Это весьма нежелательное явление, так как при этом затрудняется слияние капель, и эмульсия становится еще более устойчивой. Кроме того, при повышенном содержании воды в эмульсии может произойти электрический пробой. Поэтому в промышленные электродегидраторы для обезвоживания принимается эмульсия с содержанием воды не более 30%.
Для высокочастотного (ВЧ) электрического поля критической напряженности не существует, при этом может обрабатываться эмульсия с содержанием воды до 80 – 90%. В этом диапазоне частот эмульсия поглощает электромагнитную (ЭМ) энергию, в результате в среде появляются распределенные источники тепла. Под действием неоднородного электрического поля происходит движение капель в сторону увеличения напряженности электрического поля, а под действием неоднородного температурного поля происходит движение капель в сторону меньшей температуры. Это приводит к столкновению, слиянию и укрупнению капель, в результате чего капли воды, более тяжелые, чем нефть, опускаются вниз, происходит гравитационное расслоение эмульсии на нефть и воду.
В диссертационной работе рассматриваются процессы тепло- и массопереноса при воздействии ВЧ электрического поля на отдельную каплю воды в эмульсии, проведено сопоставление результатов с известными экспериментальными исследованиями воздействия различных электрических полей на водонефтяную эмульсию в объеме вертикального цилиндрического конденсатора. При моделировании учитываются пондеромоторные силы, действующие на среду со стороны ЭМ поля, перекрёстные эффекты тепломассопереноса, возникающие при неизотермическом течении жидкости.
Цель работы. Математическое моделирование процессов тепло- и массопереноса в водонефтяной эмульсии при воздействии на неё высокочастотных (ВЧ) и низкочастотных (НЧ) электрических полей.
Задачи исследования:
анализ методов воздействия различных физических полей на водонефтяную эмульсию;
постановка и решение термогидродинамической задачи влияния ВЧ электрического поля на эмульсионную каплю;
математическое моделирование процессов воздействия различных электрических полей на водонефтяную эмульсию и разделения её на нефть и воду;
сопоставление результатов расчетов с известными экспериментальными данными.
Методы исследования. Исследования проводились путём математического моделирования рассматриваемых процессов: выбора системы уравнений и краевых условий, численного решения уравнений, сравнения результатов вычислений с известными экспериментальными данными.
Научная новизна. Исследована термогидродинамика эмульсионной капли в ВЧ ЭМ поле. Сформулированы математические модели процессов воздействия различных электрических полей (ВЧ и НЧ, а также их совместного действия) на водонефтяную эмульсию в вертикальном цилиндрическом конденсаторе.
Поставлены и численно решены двумерные задачи воздействия ВЧ и НЧ электрических полей на водонефтяную эмульсию в вертикальном цилиндрическом конденсаторе.
Предложена усовершенствованная методика вычисления кинетики расслоения эмульсии на нефть и воду в процессе воздействия с использованием результатов математического и экспериментального моделирования.
Практическая ценность работы заключается в возможности использования результатов исследований для анализа и прогнозирования показателей разделения эмульсии на нефть и воду, определения оптимальных режимов технологических процессов при воздействии на эмульсию различных электрических полей: ВЧ, НЧ, их совместного действия.
Основные защищаемые положения.
1. Математическая модель воздействия ВЧ электрического поля на отдельную каплю воды в эмульсии, учитывающая наличие термоконвективных потоков внутри и вне капли. Результаты численных исследований термогидродинамических процессов, происходящих вне и внутри эмульсионной капли при воздействии на неё ВЧ электрического поля.
2. Численные исследования воздействия ВЧ и НЧ электрических полей, а также их совместного действия на водонефтяную эмульсию в вертикальном цилиндрическом конденсаторе с учётом пондеромоторных сил, действующих на среду со стороны ЭМ поля, перекрёстных эффектов тепломассопереноса, возникающих при неизотермическом течении жидкости.
3. Усовершенствованная методика расчета кинетики расслоения эмульсии на нефть и воду при воздействии на эмульсию различных электрических полей.
Степень обоснованности положений, выводов и рекомендаций
Достоверность результатов диссертации основана на использовании фундаментальных уравнений тепло- и массопереноса в эмульсионной капле и водонефтяной эмульсии при воздействии электрических полей, физической и математической непротиворечивости построенных моделей общим гидродинамическим и термодинамическим представлениям, удовлетворительным совпадением результатов численных расчетов с известными экспериментальными данными.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на 15 международных, российских и региональных научных конференциях, среди которых: Башкирская республиканская научная конференция студентов и аспирантов по физике «Нелинейные и резонансные явления в конденсированных средах» (г. Уфа, 14 мая 1998 г.); V Международная научная конференция «Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей» (г. Санкт-Петербург, 29 июня – 4 июля 1998 г.); Всероссийская научно-техническая конференция «Новосёловские чтения» (г. Уфа, 1998 г.); Региональная конференция «Резонансные и нелинейные явления в конденсированных средах» (г. Уфа, 1999 г.); Научная конференция по научно-техническим программам минобразования России (г. Уфа, 1999 г.); Республиканская научная конференция студентов и аспирантов по физике 14–15 мая 1999 г., посвященной 80-летию физического образования в Республике Башкортостан (г. Уфа, 1999 г.); Республиканская научно-практическая конференция «Состояние и перспективы использования геофизических методов для решения актуальных задач поисков, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых» 23–27 августа 1999 г. (г. Октябрьский, 1999 г.); Научно-практическая конференция «Решение проблем освоения нефтяных месторождений Башкортостана» (г. Уфа, 1999 г.); Юбилейная конференция «Молодые учёные Волго-Уральского региона на рубеже веков» (г.Уфа, 24–26 октября 2001 г.); 14-я Всероссийская научно-техническая конференция студентов-физиков и молодых учёных (Екатеринбург, Уфа: АСФ России, 2008 г.); Международная юбилейная научная конференция, посвящённая 15-летию образования Кыргызско-Российского Славянского университета «Актуальные проблемы теории управления, топологии и операторных уравнений» (г. Бишкек, 2008 г.); Научно-практическая конференция «Обратные задачи в приложениях» 19-21 июня 2008 г. (г. Бирск); VII Международная научно-техническая конференция 15–21 сентября 2008 г., посвящённой 150-летию со дня рождения А.С. Попова (г. Самара); Международная конференция «Наноявления при разработке месторождений углеводородного сырья: от наноминералогии и нанохимии к нанотехнологиям» (г. Москва, 18–19 ноября 2008 г.); V Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные задачи математического моделирования и информационных технологий» (г. Сочи, 10-15 мая 2009 г.); 10th Annual International Conference «Petroleum Phase Behavior and Fouling». (PETROPHASE 2009), JUNE 14 – 18, 2009. Rio de Janeiro (Brazil); Российская конференция «Многофазные системы: природа, человек, общество, технологии», посвященная 70-летию академика Р.И. Нигматулина (г. Уфа, 21–24 июня 2010 г.).
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 121 стр. машинописного текста, 79 рисунков, 1 таблицу, список литературы содержит 99 наименований.
