Нетепловое воздействие электромагнитных полей на адсорбцию компонентов нефти
Хисматуллина Ф.С.,
Галимбеков А.Д.
Галимбеков А.Д.
ООО «ЛУКОЙЛ-Инжиниринг»,
РГУ нефти и газа (НИУ) им. И.М. Губкина
Тепловой механизм воздействия высокочастотных электромагнитных полей на адсорбционные процессы хорошо изучен, при этом известно, что объемный прогрев среды уменьшает адсорбцию. Представляет интерес изучение других, нетепловых механизмов воздействия высокочастотных электромагнитных полей на адсорбционные процессы. В статье проведена оценка нетеплового воздействия высокочастотных электромагнитных полей на адсорбцию полярных компонентов нефти на неполярном адсорбенте (поверхности поровых каналов). Нетепловое воздействие поля обусловлено эффектами поляризации полярных молекул на поверхности неполярного адсорбента, при этом учитывается ориентационная и деформационная поляризация молекул. Для оценки воздействия рассматривается предельный случай, когда поверхность адсорбента моделируется проводящей металлической поверхностью и на систему воздействует внешнее электростатическое поле. Обобщая полученные результаты оценки на случай высокочастотных электромагнитных полей, для нетеплового воздействия установлено, что поле усиливает адсорбцию полярных молекул на поверхности адсорбента.
Введение
Известно, что к снижению продуктивности скважин приводит образование адсорбционных слоев из полярных компонентов нефти на поверхности поровых каналов из-за сужения их диаметра. Одним из способов борьбы с отложениями в каналах является воздействие высокочастотным электромагнитным полем [1–9], при котором количество адсорбированных полярных компонентов нефти уменьшается за счет объемного прогрева пласта. Но помимо теплового воздействия существует и другой механизм воздействия — нетепловой, связанный с эффектами поляризации.
В данной работе проведена оценка нетеплового воздействия высокочастотных электромагнитных полей на адсорбционные процессы. Для этого вначале для простоты рассмотрен процесс адсорбции полярных компонентов нефти на неполярном адсорбенте (поверхности поровых каналов) в электростатическом поле, и далее полученные результаты применены для оценки нетеплового механизма воздействия высокочастотных полей.
В данной работе проведена оценка нетеплового воздействия высокочастотных электромагнитных полей на адсорбционные процессы. Для этого вначале для простоты рассмотрен процесс адсорбции полярных компонентов нефти на неполярном адсорбенте (поверхности поровых каналов) в электростатическом поле, и далее полученные результаты применены для оценки нетеплового механизма воздействия высокочастотных полей.
Основная часть
Вначале рассмотрим адсорбцию без воздействия внешнего электростатического поля. В работе [10] рассмотрен предельный случай адсорбции полярных молекул на неполярном адсорбенте, когда поверхность адсорбента моделируется проводящей металлической поверхностью. В работе [11] рассматривается случай, когда молекула обладает постоянным дипольным моментом и учитывается только ориентационная поляризация. Здесь же, в отличие от этой работы, учитывается и деформационная поляризация, т.е. полярная молекула обладает дипольным моментом p , который состоит из двух частей:
где p→0 — постоянный дипольный момент, обуславливающий ориентационную поляризацию; p→def — индуцированный дипольный момент молекулы, обуславливающий деформационную поляризацию.
Поверхность представлена как непрерывное проводящее тело, и в нем возникает зеркальное изображение диполя молекулы с противоположным расположением
зарядов (рис. 1), что вызывает их притяжение.
Зеркальное изображение диполя создает в точке расположения диполя напряженность поля Ēp0. Компонента вектора Ēp0 вдоль радиуса вектора r→ |r→| = 2z, где z — расстояние между центром диполя и проводящей поверхностью), проведенного от центра зеркального изображения диполя до центра диполя приводится в работах [12, 13], где описывается формулой:
Поверхность представлена как непрерывное проводящее тело, и в нем возникает зеркальное изображение диполя молекулы с противоположным расположением
зарядов (рис. 1), что вызывает их притяжение.
Зеркальное изображение диполя создает в точке расположения диполя напряженность поля Ēp0. Компонента вектора Ēp0 вдоль радиуса вектора r→ |r→| = 2z, где z — расстояние между центром диполя и проводящей поверхностью), проведенного от центра зеркального изображения диполя до центра диполя приводится в работах [12, 13], где описывается формулой:
а компонента, перпендикулярная к r→, формулой:
где ɛ0 — электрическая постоянная. Тогда вдоль вектора Ēp0 индуцируется дипольный момент, обусловленный деформационной поляризацией, который, зеркально отражаясь, создает в зеркальном изображении индуцированный диполь с противоположным расположением зарядов. В результате индуцированный дипольный момент p→def ориентирован вдоль результирующей
поля Ēp0 и поля, созданного зеркальным изображением индуцированного диполя Ēpdef (рис. 1).
поля Ēp0 и поля, созданного зеркальным изображением индуцированного диполя Ēpdef (рис. 1).
Рис. 1. Расположение диполя и его зеркального изображения относительно поверхности адсорбента: S — поверхность адсорбента
Таким образом, дипольные моменты p→0 и p→def создают результирующее поле E→d, имеющее следующие компоненты:
где учтено, что p→def = ɛ0αE→d , α — деформационная поляризуемость молекулы.
После преобразований эти выражения принимают вид:
После преобразований эти выражения принимают вид:
Энергия диполь-дипольного взаимодействия диполя и его зеркального изображения равна:
где p→ — дипольный момент полярной молекулы, задаваемый выражением (1), E→d — напряженность поля, создаваемая зеркальным изображением диполя полярной молекулы в точке расположения диполя с учетом деформационной поляризации, компоненты которой задаются выражением (2).
Таким образом, энергия диполь-дипольного взаимодействия между полярной молекулой и ее зеркальным изображением равна (рис. 2).
Таким образом, энергия диполь-дипольного взаимодействия между полярной молекулой и ее зеркальным изображением равна (рис. 2).
Рис. 2. Формула энергии диполь-дипольного взаимодействия между полярной молекулой и ее зеркальным изображением
Ориентация диполя на поверхности определяется из минимума энергии диполь-дипольного взаимодействия, которому соответствуют значения угла v = πn, где n = 0,1,2… Таким образом, выражение для минимума этой энергии взаимодействия имеет вид (рис. 3).
Рис. 3. Формула (3). Минимум энергии диполь-дипольного взаимодействия, где z0 — равновесное расстояние между центром диполя и поверхностью адсорбента
Следовательно, диполь ориентируется перпендикулярно поверхности, при этом равновероятны два состояния:
1. Диполь ориентирован к поверхности положительным зарядом;
2. Диполь ориентирован к поверхности отрицательным зарядом.
Константа адсорбционного равновесия Генри в простейшем случае нелокализованной адсорбции на однородной поверхности приводится в работе [10] и равна:
1. Диполь ориентирован к поверхности положительным зарядом;
2. Диполь ориентирован к поверхности отрицательным зарядом.
Константа адсорбционного равновесия Генри в простейшем случае нелокализованной адсорбции на однородной поверхности приводится в работе [10] и равна:
где k — постоянная Больцмана, T — температура.
Для минимума потенциальной энергии (3) диполь-дипольного взаимодействия константа адсорбционного равновесия запишется в виде (рис. 4).
Для минимума потенциальной энергии (3) диполь-дипольного взаимодействия константа адсорбционного равновесия запишется в виде (рис. 4).
Рис. 4. Формула 5. Константа адсорбционного равновесия
Для случая α = 0 выражение для константы адсорбционного равновесия совпадает с выражением, полученным в работе [11], где учитывалась только ориентационная поляризация молекул. Из анализа полученного выражения (5) следует, что учет деформационной поляризации уточняет значение константы адсорбционного равновесия в большую сторону, т.е. деформационная поляризация усиливает адсорбцию.
Далее рассмотрим случай, когда приложено внешнее электростатическое поле. Как показано в работе [11], при ориентации внешнего поля перпендикулярно поверхности адсорбента влияние поля на адсорбцию максимально.
Пусть вектор напряженности Ē ориентирован от поверхности адсорбента вдоль вектора Ēr (рис.1), тогда внешнее поле Ē вызовет дополнительную деформационную поляризацию молекулы, равную p→defE = ɛ0αĒ, зеркальное изображение которого создаст дополнительное электростатическое поле напряженностью:
Далее рассмотрим случай, когда приложено внешнее электростатическое поле. Как показано в работе [11], при ориентации внешнего поля перпендикулярно поверхности адсорбента влияние поля на адсорбцию максимально.
Пусть вектор напряженности Ē ориентирован от поверхности адсорбента вдоль вектора Ēr (рис.1), тогда внешнее поле Ē вызовет дополнительную деформационную поляризацию молекулы, равную p→defE = ɛ0αĒ, зеркальное изображение которого создаст дополнительное электростатическое поле напряженностью:
Тогда компоненты Ed результирующего поля в точке расположения диполя в этом случае с учетом выражений (2) и (6) запишутся в следующем виде:
После преобразований эти выражения принимают вид:
Тогда энергия диполь-дипольного взаимодействия с учетом внешнего поля равна (рис. 5).
Рис. 5. Энергия диполь-дипольного взаимодействия с учетом внешнего поля
Минимальной энергии диполь-дипольного взаимодействия с учетом внешнего поля соответствуют значения углов v = 2πn, где n = 0,1,2…, то есть диполь ориентируется отрицательным зарядом к поверхности.
Выражение для минимума энергии примет вид (рис. 6).
Выражение для минимума энергии примет вид (рис. 6).
Рис. 6. Формула 7. Выражение для минимума энергии , и если можно на страницу 126
Окончательно выражение для константы адсорбционного равновесия Генри (4) в случае перпендикулярной ориентации электростатического поля относительно поверхности адсорбента с учетом минимальной энергии диполь-дипольного взаимодействия (7) имеет следующий вид (рис. 7).
Рис. 7. Формула 8 и 9. Диполь-дипольного взаимодействия
Здесь (рис. 7) Km — константа адсорбционного равновесия Генри, не зависящая от внешнего электростатического поля. Последнее выражение совпадает с полученным ранее выражением (5), полученным в отсутствии электростатического поля. Отсюда следует, что, согласно (8) (рис. 7), возможно разделение константы адсорбционного равновесия Генри на две независящие друг от друга части: не зависящую и зависящую от внешнего поля. Проводя аналогичные расчеты, можно получить выражение для константы адсорбционного равновесия Генри, полностью совпадающее с выражением (8) (рис. 7) для случая, когда вектор напряженности электростатического поля направлен к поверхности адсорбента.
Проанализируем выражение (8) (рис. 7) для константы адсорбционного равновесия Генри. Из (8) (рис. 7) следует, что при перпендикулярной ориентации внешнего электростатического поля относительно поверхности адсорбента константа адсорбционного равновесия Генри всегда возрастает с ростом интенсивности поля, то есть адсорбция полярных молекул при воздействии поля усиливается. Обобщение результатов работы [11],
где в том числе рассматривались и параллельная ориентация поля относительно поверхности, но учитывалась только ориентационная поляризация, приводит к общему выводу о том, что внешнее электростатическое поля всегда усиливает адсорбцию. Кроме того, в работе [11] было показано, что при перпендикулярной ориентации поля относительно поверхности адсорбента влияние поля на адсорбцию максимально.
В выражении (8) можно выделить два члена, отвечающих за разные механизмы воздействия поля на адсорбцию: линейного (по напряженности поля E, отвечающего за ориентационную поляризацию, и квадратичного (по напряженности поля E2, отвечающего за деформационную поляризацию молекул. Здесь следует отметить, что ранее в работе [14], в которой рассматривается феноменологическая теория влияния электромагнитного поля на адсорбцию, для нетеплового механизма воздействия учитывались только квадратичные по напряженности поля члены, хотя, согласно вышеприведенным выводам, необходимо было также учесть и линейные по напряженности поля члены. Из выражения (8) также следует, что константа адсорбционного равновесия Генри в случае отсутствия у молекулы постоянного дипольного момента квадратично возрастает с ростом интенсивности поля, то есть деформационная поляризация молекул выступает как отдельный механизм воздействия на адсорбцию.
Ниже приведена оценка влияния электростатического поля на константу адсорбционного равновесия Генри. Для оценки воздействия электростатического поля на адсорбцию воспользуемся относительной характеристикой воздействия на константу адсорбционного равновесия (рис. 8) где К, Кm — константы адсорбционного равновесия с учетом воздействия поля (8) и без поля (9), соответственно.
Проанализируем выражение (8) (рис. 7) для константы адсорбционного равновесия Генри. Из (8) (рис. 7) следует, что при перпендикулярной ориентации внешнего электростатического поля относительно поверхности адсорбента константа адсорбционного равновесия Генри всегда возрастает с ростом интенсивности поля, то есть адсорбция полярных молекул при воздействии поля усиливается. Обобщение результатов работы [11],
где в том числе рассматривались и параллельная ориентация поля относительно поверхности, но учитывалась только ориентационная поляризация, приводит к общему выводу о том, что внешнее электростатическое поля всегда усиливает адсорбцию. Кроме того, в работе [11] было показано, что при перпендикулярной ориентации поля относительно поверхности адсорбента влияние поля на адсорбцию максимально.
В выражении (8) можно выделить два члена, отвечающих за разные механизмы воздействия поля на адсорбцию: линейного (по напряженности поля E, отвечающего за ориентационную поляризацию, и квадратичного (по напряженности поля E2, отвечающего за деформационную поляризацию молекул. Здесь следует отметить, что ранее в работе [14], в которой рассматривается феноменологическая теория влияния электромагнитного поля на адсорбцию, для нетеплового механизма воздействия учитывались только квадратичные по напряженности поля члены, хотя, согласно вышеприведенным выводам, необходимо было также учесть и линейные по напряженности поля члены. Из выражения (8) также следует, что константа адсорбционного равновесия Генри в случае отсутствия у молекулы постоянного дипольного момента квадратично возрастает с ростом интенсивности поля, то есть деформационная поляризация молекул выступает как отдельный механизм воздействия на адсорбцию.
Ниже приведена оценка влияния электростатического поля на константу адсорбционного равновесия Генри. Для оценки воздействия электростатического поля на адсорбцию воспользуемся относительной характеристикой воздействия на константу адсорбционного равновесия (рис. 8) где К, Кm — константы адсорбционного равновесия с учетом воздействия поля (8) и без поля (9), соответственно.
Рис. 8. Относительная характеристика воздействия на константу адсорбционного равновесия
В работе [15] приведены значения дипольных моментов молекул асфальтенов, которые находятся в диапазоне от 1,09·10-29 до 2,28·10-29 Кл⋅м. Значения деформационной поляризации асфальтенов в данной работе не приведены, поэтому оценивается влияние только дипольных моментов. Таким образом, в случае, когда электростатическое поле ориентировано перпендикулярно поверхности адсорбента, для максимального дипольного момента, равного p0=2,28·10-29 Кл⋅м, при температуре T = 300 K и напряженности электростатического поля в диапазоне
Е = 106- 107В/м, относительная характеристика равна:
Е = 106- 107В/м, относительная характеристика равна:
т.е влияние электростатического поля на константу адсорбционного равновесия Генри составляет от 0,26 до 2,6 %.
- Внешнее электростатическое поле при любой ориентации относительно поверхности адсорбента усиливает адсорбцию.
- При перпендикулярной ориентации внешнего электростатического поля относительно поверхности адсорбция максимальна.
- Адсорбция зависит от вида поляризации молекул. Так, при поляризации чисто полярных молекул в уравнении для константы адсорбционного равновесия Генри присутствуют только линейные по напряженности поля члены, а для чисто деформационной поляризации присутствуют квадратичные по напряженности поля члены.
- Оценка влияния электростатического поля на адсорбцию асфальтенов для чисто ориентационной поляризации молекул в предельном случае составляет порядка трех процентов.
Обобщая результаты, полученные для электростатического поля на случай высокочастотного электромагнитного поля для нетеплового механизма воздействия, можно сделать следующие выводы:
- независимо от ориентации внешнего электромагнитного поля нетепловой механизм воздействия усиливает адсорбцию полярных молекул на поверхности адсорбента;
- в случае учета только ориентационной поляризации молекул максимальное значение нетеплового эффекта воздействия, оказываемого полем на константу адсорбционного равновесия Генри, мало по сравнению с тепловым эффектом воздействия на адсорбцию.
1. Вera A., Babadagli T. Effect of native and injected nano-particles on the efficiency of heavy oil recovery by radio frequency electromagnetic heating. Journal of petroleum science and engineering, 2017, Vol. 153, P. 244–256. (In Eng).
2. MacDonald B., Miadonye A. Microwave application in petroleum processing. Ecology, pollution and environmental science, 2018, Vol. 1, issue 1, P. 10–12. (In Eng).
3. Taheri-Shakib J., Shekarifard A., Naderi H. Experimental investigation of the asphaltene deposition in porous media: accounting for the microwave and ultrasonic effects. Journal of petroleum science and engineering, 2018, Vol. 163, P. 453–462. (In Eng).
4. Taheri-Shakib J., Shekarifard A., Naderi H. Experimental investigation of comparing electromagnetic and conventional heating effects on the unconventional oil (heavy oil) properties: Based on heating time and upgrading. Fuel, 2018, Vol. 228, P. 243–253. (In Eng).
5. Wang Z., Gao D., Fang J. Numerical simulation of RF heating heavy oil reservoir based on the coupling between electromagnetic and temperature field. Fuel, 2018, Vol. 220, P. 14–24. (In Eng).
6. Хисматуллина Ф.С., Демид М.С. Исследование воздействия высокочастотного электромагнитного поля и смешивающегося вытеснения на залежи высоковязких нефтей // Нефть. Газ. Новации. 2020. № 2. С. 73–76.
7. Саитов Р.И., Хасанова А.Ф., Абдеев Р.Г., Абдеев Э.Р., Рукомойников А.А., Швецов М.В. Математическая модель процесса электромагнитного нагрева многофазного многокомпонентного пласта тяжелой нефти // Вестник Академии наук Республики Башкортостан. 2018. Т. 29, № 4. С. 73–79.
8. Ковалева Л.А., Зиннатуллин Р.Р., Султангужин Р.Ф., Габдрафиков А.Ф.,
Гайнетдинов Э.Ф., Грехов И.В., Тарасевич С.А., Богданов А.В. Лабораторные исследования фазоразделения водонефтяных эмульсий в высокочастотных и сверхвысокочастотных электромагнитных полях // Нефтегазовое дело. 2020. Т. 18. № 4. С. 80–86.
9. Леонтьев А.Ю., Полетаева О.Ю., Бабаев Э.Р., Мамедова П.Ш. Применение СВЧ-воздействия на высоковязкую тяжелую нефть // НефтеГазоХимия, 2019. № 2. С. 13–17.
10. Герасимов Я.И. Курс физической химии. Т. 1. М.: Химия, 1964. 624 с.
11. Галимбеков А.Д., Хисматуллина Ф.С. Оценка нетеплового воздействия высокочастотных электромагнитных полей на адсорбционные процессы в пористых средах // Нефтепромысловое дело. 2022. № 8. С. 9–12.
12. Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 2. Электричество и магнетизм. СПб.: Лань, 2021. 352 с.
13. Яворский Б.М., Детлаф А.А., Лебедев А.К. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. М.: Мир и образование, 2023. 1056 с.
14. Galimbekov A.D., Kadyrov M.A., Drugov D.A., Muratova G.I., Baizharikova M.A. Investigation of the influence of high frequency electromagnetic fields on sorption processes. Latvian journal of physics and technical sciences, 2019, Vol. 56, issue 1, P. 53–59. (In Eng).
15. Курьяков В.Н. Исследование фазовых превращений в углеводородных флюидах методом статистического и динамического рассеяния света. Диссертация. М.: 2016. 130 с.
2. MacDonald B., Miadonye A. Microwave application in petroleum processing. Ecology, pollution and environmental science, 2018, Vol. 1, issue 1, P. 10–12. (In Eng).
3. Taheri-Shakib J., Shekarifard A., Naderi H. Experimental investigation of the asphaltene deposition in porous media: accounting for the microwave and ultrasonic effects. Journal of petroleum science and engineering, 2018, Vol. 163, P. 453–462. (In Eng).
4. Taheri-Shakib J., Shekarifard A., Naderi H. Experimental investigation of comparing electromagnetic and conventional heating effects on the unconventional oil (heavy oil) properties: Based on heating time and upgrading. Fuel, 2018, Vol. 228, P. 243–253. (In Eng).
5. Wang Z., Gao D., Fang J. Numerical simulation of RF heating heavy oil reservoir based on the coupling between electromagnetic and temperature field. Fuel, 2018, Vol. 220, P. 14–24. (In Eng).
6. Хисматуллина Ф.С., Демид М.С. Исследование воздействия высокочастотного электромагнитного поля и смешивающегося вытеснения на залежи высоковязких нефтей // Нефть. Газ. Новации. 2020. № 2. С. 73–76.
7. Саитов Р.И., Хасанова А.Ф., Абдеев Р.Г., Абдеев Э.Р., Рукомойников А.А., Швецов М.В. Математическая модель процесса электромагнитного нагрева многофазного многокомпонентного пласта тяжелой нефти // Вестник Академии наук Республики Башкортостан. 2018. Т. 29, № 4. С. 73–79.
8. Ковалева Л.А., Зиннатуллин Р.Р., Султангужин Р.Ф., Габдрафиков А.Ф.,
Гайнетдинов Э.Ф., Грехов И.В., Тарасевич С.А., Богданов А.В. Лабораторные исследования фазоразделения водонефтяных эмульсий в высокочастотных и сверхвысокочастотных электромагнитных полях // Нефтегазовое дело. 2020. Т. 18. № 4. С. 80–86.
9. Леонтьев А.Ю., Полетаева О.Ю., Бабаев Э.Р., Мамедова П.Ш. Применение СВЧ-воздействия на высоковязкую тяжелую нефть // НефтеГазоХимия, 2019. № 2. С. 13–17.
10. Герасимов Я.И. Курс физической химии. Т. 1. М.: Химия, 1964. 624 с.
11. Галимбеков А.Д., Хисматуллина Ф.С. Оценка нетеплового воздействия высокочастотных электромагнитных полей на адсорбционные процессы в пористых средах // Нефтепромысловое дело. 2022. № 8. С. 9–12.
12. Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 2. Электричество и магнетизм. СПб.: Лань, 2021. 352 с.
13. Яворский Б.М., Детлаф А.А., Лебедев А.К. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. М.: Мир и образование, 2023. 1056 с.
14. Galimbekov A.D., Kadyrov M.A., Drugov D.A., Muratova G.I., Baizharikova M.A. Investigation of the influence of high frequency electromagnetic fields on sorption processes. Latvian journal of physics and technical sciences, 2019, Vol. 56, issue 1, P. 53–59. (In Eng).
15. Курьяков В.Н. Исследование фазовых превращений в углеводородных флюидах методом статистического и динамического рассеяния света. Диссертация. М.: 2016. 130 с.
Хисматуллина Ф.С., Галимбеков А.Д.
ООО «ЛУКОЙЛ-Инжиниринг», Москва, Россия,
РГУ нефти и газа (НИУ) им. И.М. Губкина, Москва, Россия
farida.khismatullina@lukoil.com
ООО «ЛУКОЙЛ-Инжиниринг», Москва, Россия,
РГУ нефти и газа (НИУ) им. И.М. Губкина, Москва, Россия
farida.khismatullina@lukoil.com
В статье использовались модели и методы электростатики, описывающие взаимодействия полярных молекул с проводящей поверхностью, а также применялись методы статистической физики для описания адсорбционных процессов.
адсорбция, адсорбат, адсорбент, электростатическое поле, полярная молекула, диполь-дипольное взаимодействие
Хисматуллина Ф.С., Галимбеков А.Д. Оценка влияния электромагнитных полей на адсорбцию полярных компонентов нефти на поверхности поровых каналов с учетом деформационной поляризации молекул // Экспозиция Нефть Газ. 2023. № 7. С. 68–72.
DOI: 10.24412/2076-6785-2023-7-68-72
DOI: 10.24412/2076-6785-2023-7-68-72
20.11.2023
УДК 533.583.2+537.868
DOI: 10.24412/2076-6785-2023-7-68-72
DOI: 10.24412/2076-6785-2023-7-68-72
Рекомендуемые статьи
© Экспозиция Нефть Газ. Научно-технический журнал. Входит в перечень ВАК
+7 (495) 414-34-88