Электрокинетические явления при фильтрации жидкости в пористой среде
Оглавление
1. Физика электрокинетических явлений
2. Потенциал и ток течения фильтрации жидкости в пористой среде. Методы их экспериментального исследования
3. Электрокинетические явления при воздействии внешнего
электрического поля
4. Электрокинетические явления в нефтедобыче
ЛИТЕРАТУРА
1. Физика электрокинетических явлений
Электрокинетические явления определяют многие особенности фильтрации жидкостей через пористые среды. Эти особенности, очевидно, связаны с электрофизическими свойствами, как пористой среды, так и насыщающей жидкости. Эти явления связаны с наличием ионно-электростатических полей и границ поверхностей в растворах электролитов (двойной электрический слой). Распределение ионов в электролите у заряженной поверхности пористой среды имеет диффузный характер, т.е. противоионы не располагаются в каком-то одном слое, за пределами которого электрическое поле отсутствует, а находиться у поверхности в виде “ионной атмосферы”, возникающей вследствие теплового движения ионов и молекул жидкости. Концентрация ионов, наибольшая вблизи адсорбированного слоя, убывает с расстоянием от твердой поверхности до тех пор, пока не сравняется со средней их концентрацией в растворе. Область между диффузной частью двойного слоя и поверхностью твердого тела называют плотной частью двойного электрического слоя (слой Гельмгольца) на рисунке 1 схематически показано распределение потенциала в двойном электрическом слое (при отсутствии специфической, т.е. не электростатической адсорбции). Толщина плотной части d двойного электрического слоя приблизительно равна радиусу ионов, составляющих слой.
Рис. 1: Распределение потенциала в двойном электрическом слое
j - потенциал между поверхностью твердого тела и электролитом, ζ - потенциал диффузной части двойного слоя
Толщина диффузной части λ двойного слоя в очень разбавленных растворах составляет несколько сотен нанометров.
При относительном движении твердой и жидкой фазы скольжение происходит не у самой твердой поверхности, а на некотором расстоянии, имеющем размеры, близкие к молекулярным.
Интенсивность электрокинетических процессов характеризуются не всем скачком потенциала между твердой фазой и жидкостью, а значит его между частью жидкости, неразрывно связанной с твердой фазой, и остальным раствором (электрокинетический потенциал или ζ – потенциал). Наличие двойного электрического слоя на границах разделов способствует возникновению электрокинетических явлений (электроосмоса, электрофореза, потенциала протекания и др.). Все они имеют общий механизм возникновения связанный с относительным движением твердой фазы. При движении электролита в пористой среде образуется электрическое поле (потенциал протекания). Если на пористую среду будет действовать электрическое поле, то под влиянием ионов происходит движение раствора электролита в связи с тем, что направленный поток избыточных ионов диффузного слоя увлекает за собой массу жидкости в пористой среде под действием трения и молекулярного сцепления. Этот процесс называется электроосмосом. При действии электрического поля на смесь дисперсных частиц происходит движение дисперсной фазы. Это называется электрофорезом. В таком случае частицы раздробленной твердой или жидкой фазы переносятся к катоду или аноду в массе неподвижной дисперсной среды.
По природе электрофорез зеркальное отображение электроосмоса, и поэтому эти явления описываются уравнениями имеющими одинаковую структуру. Количественно зависимость скорости электроосмоса от параметров электрического поля и свойств пористой среды и жидкостей описывается формулой Гельмгольца-Смолуховского:
(1.1)
где υ - расход жидкости под действием электроосмоса;
S – суммарная площадь поперечного сечения капиллярных каналов пористой среды;
ζ – падение потенциала в подвижной части двойного слоя (дзета-потенциал);
D – диэлектрическая проницаемость;
h = E/L – градиент потенциала;
Е. – потенциал, приложенный к пористой среде длинной L;
μ – вязкость жидкости.
Учитывая, что сопротивление жидкости
, (1.2) а 
(1.3)
(1.4)
где χ –удельная электропроводимость жидкости;
I – сила тока, можно написать
(1.5)
Формулу (1.1) можно представить по формуле аналогичной закону Дарси.
(1.6)
Здесь F – площадь образца, m – пористость образца;
Rэ – электроосмотический коэффициент проницаемости.
По закону Дарси расход жидкости
(1.7)
При совпадении направления фильтрации с результатом проявления электроосмоса суммарный расход жидкости