ИЗМЕНЕНИЕ СКОРОСТИ ФИЛЬТРАЦИИ ФЛЮИДА В
ОБРАЗЦАХ ПЕСЧАНИКА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ
Майбук З.-Ю.Я., Киреенкова С.М., Пономарев А.В., Соболев Г.А.
Институт физики Земли им. О.Ю.Шмидта Российской академии наук (ИФЗ РАН),
Москва
Триггерные эффекты в геосистемах" 2019
1
ВВЕДЕНИЕ:
Естественное электрическое поле Земли влияет на
происходящие в ней физико-химические процессы, в частности,
на фильтрацию флюидов в горных породах на наноуровне, при
воздействии постоянного электрического поля.
Цель данных лабораторных исследований – изучение
скорости фильтрации флюидов (dF) при воздействии
постоянным электрическим током (контактная поляризация)
на образцах природных песчаников.
Исследовались цилиндрические образцы кварцполевошпатового песчаника (диаметр образцов =30 мм, длина
=60 мм), пористость 13 ÷ 15%, размер зерен 0.5 ÷1.5 мм).
Основным породообразующим минералом данных
песчаников является кварц, сцементированный глинистыми и
железистыми минералами.
Высокая пористость образцов позволила пропускать
растворы при атмосферном давлении. Исследовано 19
2
образцов, проведено более 70 серий измерений.
Флюиды:
Исследования проводились с различными жидкостями –
флюидами разного состава и концентрации входящих в него
компонентов (далее – растворы).
Составы растворов:
1. - на водной основе (дистиллированная (ДВ) и природная (ПВ)
(водопроводная) вода) с оксидом алюминия (Al2O3) с размером
частиц от 20 до 80 нм - концентрация (С) = 0,005% и 0,01%;
2. - с добавкой хлористого натрия (NaCl) - С = 0,005% и 0,01%;
3. - с добавкой хлористого калия (KCl) - С = 0,005% и 0,01%;
4. – с добавками NaCl С = 0,005% и 0,01% без Al2O3;
5. – с добавками KCl С = 0,005% и 0,01% без Al2O3;
6. – дополнительно с добавкой в растворы лимонной кислоты
(ЛК).
3
АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА:
Образец песчаника обжатый в термоусадочной трубке жакете, закреплялся вертикально. На торцах образца
устанавливали платиновые электроды. Конструкция
электродов обеспечивала смачиваемость более 90% площади
торцов образца.
4
Наночастицы Al2O3 и их агломерация
(фото изготовителя реактива)
Растворы - суспензии с
наноразмерными
частицами Al2O3
требовали
предварительной
подготовки, для чего
их обрабатывали
ультразвуком и
отмучивали, отделяя
более крупные
частицы.
Добавки ЛК
замедляли
агломерацию –
слипание частиц Al2O3
5
Концентрацию веществ определяли путем испарения 10
мл раствора и взвешивания остатка.
Готовые растворы в количестве 25 мл вводили на
поверхность торца образца в термоусадочную трубку над
верхним электродом. Объем раствора поддерживался
постоянным при помощи капельницы.
Измерялось время, за которое объем раствора 0,23 мл (5
капель) просачивался через образец при заданном напряжении
(U). Далее напряжение снижалось до нуля, и цикл повторялся
при более высоком напряжении. Каждый эксперимент состоял
из 6-ти таких циклов. После подачи на электроды постоянного
напряжения регистрировалась сила тока (J).
В цикле применяли ряд фиксированых напряжений, а
именно: 12, 24, 36, 48, 60 и 100 V. Время измерялось при
помощи секундомера с точностью 0.1с.
Время просачивания одной капли (0.046 мл) в разных
образцах составляло от 9 до 130 секунд.
6
При увеличении напряжения наблюдается
значительное увеличение тока в растворах с NaCl и KCl
по сравнению с раствором лимонной кислоты и оксидом
алюминия (более 50 мА). Скорость увеличения
фильтрации в растворе дистиллированной воды с
лимонной кислотой и оксидом алюминия была
одинаковой при относительном возрастании силы тока
от его начального значения.
Установлено, что скорость фильтрации растворов
с добавками NaCl; KCl; Al2O3 и лимонной кислоты с
концентрацией 0,01%, в разных сочетаниях и по
отдельности, увеличивается при воздействии
постоянного электрического тока определенной
полярности, причем при перемене полярности скорость
фильтрации не возрастает.
7
Флюид - ДВ+NaCl (С = 0.01%) +
Al2O3 (С = 0.01%).
Схема последовательных
измерений времени
фильтрации через образец
при различных значениях
напряжнния.
Высота серых колонок «А»
соответствует времени
протекания жидкости
(0.23мл) при отсутствии
тока; красных колонок «В»
─ при протекания тока.
Эффект проявляется при подаче положительного электрического
потенциала на верхний торец образца.
При подаче потенциала противоположного знака скорость
фильтрации уменьшается.
8
В качестве примера
приведены результаты 4-х
опытов, выполненных на
разных образцах № 1, 11,
12 с дистиллированной
водой для различных
значений силы тока.
В первом приближении скорость фильтрации dF возрастала
пропорционально силе тока. При вычислении скорости dF при каждом
уровне приложенных U бралось отношение времени протекания (Ti) в
данном цикле не ко времени начала эксперимента, а ко времени
9
протекания перед конкретным циклом; т.е. dF = (1 - Ti / Ti -1).
+ ---- ДВ + ЛК + Al2O3
(в остальных
экспериментах флюиды без
частиц Al2O3)
Величина начального тока
J0:
минимальный = 0,56 мА,
максимальный =4,95 мА
Показаны изменения скорости фильтрации в экспериментах с ДВ +
ЛК при повышении отношения текущего тока Ji к начальному значению J0.
Видно, что при сохранении общей тенденции роста скорости
фильтрации не прослеживается зависимость скорости от величины
10
начального тока J0.
Величина начального
тока J0:
минимальный =7,4 мА,
максимальный =14,2 мА
На слайде показаны результаты опытов, когда к ДВ были
добавлены хлористый калий (зеленые кружки, красные квадраты) или
хлористый натрий (синие треугольники), концентрация раствора
0.01%. Отличием от опытов без этих солей является более высокая
сила начального тока J0.
11
Для получения общей
закономерности
изменения скорости
фильтрации dF при
увеличении силы J
просуммировали dF в
разных
экспериментах при
одинаковых
значениях Ji/J0 и
нашли средние
значения.
Приведен сводный график, построенный по 8-ми экспериментам с ДВ
(синие кружки), 8-ми экспериментам с ДВ + ЛК (черные кружки) и 2-х ─
(ДВ + ЛК + Al2O3 (зеленые крестики). Пунктирная красная линия
представляет линейный закон dF% = 3.95 Ji/J0 - 4.35 для экспериментов с
водой, вычисленный по методу наименьших квадратов, коэффициент 12
детерминации R2 = -0.99.
Основные результаты выполненных экспериментов:
1. Выявлено, что скорость фильтрации через горную
породу растворов с добавками NaCl, KCl, Al2O3 и лимонной
кислоты с концентрацией 0.01%, в разных сочетаниях и по
отдельности, линейно увеличивается с ростом силы
постоянного тока определенной полярности, причем при
перемене полярности скорость фильтрации уменьшалась.
2. Добавка наноразмерных частиц Al2O3 не изменяла
скорость фильтрации.
3. Градиент роста фильтрации для всех исследованных
растворов не зависит от начального тока и от величины силы
тока, а определяется отношением силы тока в конкретной
ступени Ji/Ji-1.
13
Спасибо за
внимание
14
