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 — потенциал между поверхностью твердого тела и электролитом, ж — потенциал диффузной части двойного слоя

Толщина диффузной части л 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 ж — 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 х — расход жидкости под действием электроосмоса;

S — суммарная площадь поперечного сечения капиллярных каналов пористой среды;

ж — 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;

м — вязкость жидкости.

Учитывая, что сопротивление жидкости.

(1.2).

(1.3).

(1.4).

где чудельная 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.

(1.8).

или.

(1.8а) Для оценки степени участия в потоке электроосмических процессов в зависимости приложенного потенциала можно также использовать соотношение.

(1.9).

Принципиальная возможность повышение скорости фильтрации за счет электроосмоса доказано экспериментально. Однако многие вопросы приложения электрокинетических явлений в нефтепромысловой практике недостаточно изучены.

Как следует, из уравнения Гельмгольца-Смолуховского, интенсивность электроосмоса зависит в значительной мере от ж — потенциала, который обладает характерными свойствами, зависящими от строения диффузного слоя. Особый интерес для промысловой практики представляет зависимость значения ж — потенциала от концентрации и свойств электролитов. Сопровождается уменьшением толщины диффузного слоя и снижением электрокинетического потенциала. При некоторой концентрации электролита скорость электрокинетических процессов становиться равной нулю.

Электрокинетический потенциал может при этом не только быть равным нулю, но и приобретать противоположный знак. Это явление наблюдается при значительной адсорбции ионов на поверхности когда общий заряд ионов в плотном слое может оказаться больше заряда поверхности твердого тела.