Особенности распространения растворов ПАВ в угольном пласте
Saved in:
| Date: | 1998 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут фізики гірничих процесів НАН України
1998
|
| Series: | Физико-технические проблемы горного производства |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/189680 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Особенности распространения растворов ПАВ в угольном пласте / Э.П. Фельдман , Е.И. Питаленко, О.В. Маевский, Л.В. Шевченко // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 1998. — Вип. 1. — С. 59-64. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-189680 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1896802025-02-09T17:18:16Z Особенности распространения растворов ПАВ в угольном пласте Фельдман, Э.П. Питаленко, Е.И. Маевский, О.В. Шевченко, Л.В. 1998 Article Особенности распространения растворов ПАВ в угольном пласте / Э.П. Фельдман , Е.И. Питаленко, О.В. Маевский, Л.В. Шевченко // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 1998. — Вип. 1. — С. 59-64. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 2664-17716 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/189680 622.831 ru Физико-технические проблемы горного производства application/pdf Інститут фізики гірничих процесів НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| format |
Article |
| author |
Фельдман, Э.П. Питаленко, Е.И. Маевский, О.В. Шевченко, Л.В. |
| spellingShingle |
Фельдман, Э.П. Питаленко, Е.И. Маевский, О.В. Шевченко, Л.В. Особенности распространения растворов ПАВ в угольном пласте Физико-технические проблемы горного производства |
| author_facet |
Фельдман, Э.П. Питаленко, Е.И. Маевский, О.В. Шевченко, Л.В. |
| author_sort |
Фельдман, Э.П. |
| title |
Особенности распространения растворов ПАВ в угольном пласте |
| title_short |
Особенности распространения растворов ПАВ в угольном пласте |
| title_full |
Особенности распространения растворов ПАВ в угольном пласте |
| title_fullStr |
Особенности распространения растворов ПАВ в угольном пласте |
| title_full_unstemmed |
Особенности распространения растворов ПАВ в угольном пласте |
| title_sort |
особенности распространения растворов пав в угольном пласте |
| publisher |
Інститут фізики гірничих процесів НАН України |
| publishDate |
1998 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/189680 |
| citation_txt |
Особенности распространения растворов ПАВ в угольном пласте / Э.П. Фельдман , Е.И. Питаленко, О.В. Маевский, Л.В. Шевченко // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 1998. — Вип. 1. — С. 59-64. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| series |
Физико-технические проблемы горного производства |
| work_keys_str_mv |
AT felʹdmanép osobennostirasprostraneniârastvorovpavvugolʹnomplaste AT pitalenkoei osobennostirasprostraneniârastvorovpavvugolʹnomplaste AT maevskijov osobennostirasprostraneniârastvorovpavvugolʹnomplaste AT ševčenkolv osobennostirasprostraneniârastvorovpavvugolʹnomplaste |
| first_indexed |
2025-11-28T14:27:24Z |
| last_indexed |
2025-11-28T14:27:24Z |
| _version_ |
1850044636871000064 |
| fulltext |
УДК 622.831
ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАСТВОРОВ ПАВ В
УГОЛЬНОМ ПЛАСТЕ
д. ф.-м. н. Фельдман Э. П., к. т. н. Питаленко Е. И.,
икж. Маевскнй О. В., ииж. Шевченко А. В. (Отделение физико-
технических горных проблем ДонФТИ НАНУ)
Распространение жидкости а трещиновато-пористом газонапол
ненном веществе, каковым является угольный пласт - сложный и
неоднородный процесс. Путь жидкости состоит из ее перемещения
либо по трещинам эндогенного и техногенного происхождения (осо
бенно в зоне влияния горных выработок), либо по капиллярным и
микротрещинам (включая тупиковые участки). Учет особенностей
фильтрационного течения с помощью интегральных параметров был
сделан А. Дарси [1]. Он ввел понятие коэффициента фильтрации,
который определяется как скорость фильтрации жидкости при еди
ничном градиенте напора. Такой интегральный показатель характе
ризует сопротивление пористой среды при любых путях движения в
ней жидкости или газа (с учетом агрегатного состояния флюида).
Пуазейль [1], рассматривая течение жидкости в капиллярах, пришел
к выводу, что при небольших скоростях и диаметре капилляра много
меньшем его длины, массовая скорость течения жидкости в нем
прямо пропорциональна градиенту напора.
Однако часто в реальных условиях закон Дарси нарушается.
Причины нарушения при малых скоростях фильтрации сводятся к
следующему:
1. Вода обладает структурной прочностью, которую необходимо
разрушать, что приводит к возникновению начального градиента
течения.
2. Под влиянием поверхностных поровых каналов вода струк
турируется во всем объеме порового пространства равномерно. Для
приведения такой жидкости в движение требуется преодолеть на
чальное сопротивление.
3. Вследствие наличия в жидкости взвешенных и коллоидных
частиц, а не только за счет влияния контакта с поверхностью пор,
жидкость ведет себя как упруго-пластичная среда.
4. Реологические свойства будут проявляться только у той жид
кости, которая заключена в очень узких каналах, т.к. в больших по
рах она будет подчиняться ньютоновскому закону вязкого течения.
Поэтому для всей массы в целом начальный градиент напора близок
к нулю, а для узких каналов он существует.
Нарушение закона Дарси возникает из-за увеличения площади
сечения фильтрационного потока вследствие охвата процессом
фильтрации узких поровых каналов с увеличением градиентов дав
59
ления. Структурирование жидкости поверхностью скелета породы
происходит не равномерно, а с убыванием по мере удаления от гра
ниц фаз в глубь жидкости.
В связи с этим разрушение структуры жидкости с ростом скоро
сти фильтрационного потока должно происходить от оси поровых
каналов к его стенкам, в результате чего с повышением градиента
напора до некоторого предела должна нарастать проницаемость по
род за счет вовлечения в поток связанной жидкости.
В работе [2] показано, что если порода сравнительно однородна,
то зависимость коэффициента фильтрации от градиента напора
монотонна. Это объясняется тем, что с увеличением скорости тече
ния поровой жидкости более мелкие частицы угля и породы уносят
ся потоком и, застревая в сужениях поровых каналов, снижают
пропускную способность образцов. Такое явление характерно прак
тически для всех экспериментов в сравнительно слабо проницаемых
породах.
Нами была сделана попытка оценки взаимодействия жидкости
(вода, ПАВ.) с дисперсной средой и влияние этого взаимодействия на
характер увлажнения угля.
Ламинарное течение жидкости в пористой среде сопряжено с
проявлением различных видов энергии: гравитационной (опреде
ляемой градиентом напора), энергией взаимодействия молекул жид
кости между' собой (вязкость жидкости) и энергией взаимодействия
между молекулами жидкости и твердой поверхностью, ограничи
вающей жидкостный поток. Так как энергия межфазного взаимо
действия определяется только свойствами контактирующих фаз, то
сопротивление течению при стремлении скорости потока к нулю
является величиной, определяемой и отличной от нуля.
При увлажнении угольного пласта, когда в трещине площадь
контакта водного раствора ПАВ с твердой фазой незначительна,
проявление энергии взаимодействия жидкость - твердое тело очень
мало, тогда как в фильтрационных потоках с высокоразвитой по
верхностью раздела эффект взаимодействия фаз ощутим и при мед
ленных течениях играет определяющую роль в сопротивлении пото
ку. Независимость такого сопротивления от скорости движения
жидкости обусловливает диссипацию гравитационной энергии. Это
позволяет говорить о том, что влияние возбуждения водонасыщен
ного пласта не может распространяться неограниченно.
По второму правилу Л. Полинга структура, образованная иона
ми, должна быть электронейтральна, т.е. каждому отрицательному
заряду должен соответствовать положительный. Главной чертой
внутреннего энергетического поля твердого тела является его ста
бильность (в отличие от газа или жидкости), определяющаяся взаи
модействием его компонентов. Естественно, что на поверхности
твердого тела составляющие его компоненты компенсируют только
половину своих энергетических возможностей, взаимодействуя
60
лишь внутри тела. Внутренние же (по отношению к поверхностным)
компоненты также лишь частично компенсируют избыток энергии
за счет соседей, т.к. из-за близости к поверхности возникает анизо
тропия поля. Поэтому поверхностная энергия твердого тела должна
учитывать и их влияние.
Насыщение угля водными растворами происходит путем запол
нения фильтрационного и сорбционного объемов порового про
странства. Причем в первом случае уравнение течения жидкости
подчиняется законам гидравлики, т, е. без изменения свойств и со
стояния самой жидкости. Движение жидкости в сорбционном объе
ме сопровождается ее структуированием, проявляющимся в ано
мальном изменении ее вязкости и происходит по диффузионному
механизму. Соотношение сорбционного и фильтрационного объемов
первых пространств составляет, примерно, 1:1, однако в отдельных
случаях может достигать и 10:1 [3]. В абсолютных величинах поро-
вой объем угля составляет порядка 0,04 см3 (грамм сухой беззольной
массы и колеблется от 0,001 до 0,06 см3) г.о.б.м. для отдельных пла
стов Донбасса.
Диффузионный механизм течения жидкости определяется эф
фективным коэффициентом диффузии (ДК) для пористых тел,
имеющих глобулярную структуру, определяется выражением:
Л е '
(1)
[1 + 0,274 (1 -г)]2 (1 + 2 ,4 ',)
где Д - коэффициент свободной диффузии, т.е. без учета
структуирования жидкости в микрокапилярах;
г - гидродинамический радиус молекулы диффундирую
щего вещества;
е - пористость исследуемого материала;
у т7„ - вязкость раствора в объеме и соответственно в ми-
рокапилярах радиуса тк.
Основным изменяющимся параметром в уравнении является со
отношение "/, значение которого в зависимости от радиуса капил
ляров приведено на рис. 1. Вязкость растворов определялась путем
измерения количества жидкости продиффундировавщего через
мембрану из селикогеля с заданными радиусами капилляров. Из по
лученных данных следует, что изменение вязкости раствора не за
висит от вида вещества, его природы и размера молекул, а опреде
ляется только радиусом капилляров.
Изменение вязкости, т. е. уменьшение подвижности молекул во
ды, можно контролировать методом ЯМР (4) выделяя узкую линию в
его спектре. Изменение ширины узкой линии характеризует под
вижность молекул - увеличение ширины узкой линии воды соответ
ствует повышению ее вязкости рис. 2., что позволяет расширить
61
■ и, А
О 20 40 60 НО 100
Рис.1. Зависимость относительной вязкости т|/г]о водных растворов
от радиуса капилляров силикагеля Гк при 209С, по данным скорости
диффузии Лз (•); СНзОН(°); С12Н22О 11 (А) и данным по кинетике про
питки ( )
АН. эрст
Гк, А
Рис. 2. Зависимость ширины линий АН в спектрах ЯМР воды в
силикагелях от радиуса их капилляров Гк
62
информативность метода ЯМР при определении свойств и состоя
ния угля в части оценки его коллекторских свойств.
Обработка приведенных выше данных позволила получить зави
симость ширины узкой линии спектра ЯМР воды от ее вязкости:
ущ = 67,424 АН + 1,99 ( г = 0,943) (2)
Таким образом полученный результат позволяет по ширине ли
нии спектра ЯМР воды определять ее относительную вязкость, а,
следовательно, представить эффективный коэффициент диффузии
в виде:
Дгг67,424АЯ+1,99 (3)
[1+ 0,274(2)]: {П 2,4) 1
Из полученного соотношения следует: ширины узкой линии в
спектре ЯМР угля прямопропорциональна коэффициенту эффек
тивной диффузии и при ширине линии меньшей или равной
0.01эрстед движение водных растворов происходит по преобла
дающему фильтрационному объему порового пространства.
Молекулы жидкости контактирующей с твердой поверхностью в
силу своей подвижности заполняют энергетические минимумы поля
поверхностной энергии (потенциальные ямы), образуя определенную
структуру. С удалением от границы раздела фаз энергия поверхно
стных сил убывает, а молекулы жидкости оказываются распреде
ленными по энергии связи.
Измерения краевых углов натекания Он и оттекания на углях,
а также краевых углов натекания воды (^в на поверхности, модифи
цированной растворами ПАВ показали, что в области малых кон
центраций наблюдается гистерезис краевых углов и ассиметрия ка
пель раствора на модифицированной поверхности. Эти результаты
показывают, что адсорбционный слой неоднороден и имеет участки
с различной ориентацией молекул, причем размеры таких участков
значительно превышают молекулярные.
В соответствии с моделью равномерного распределения ПАВ на
поверхности и правилом уравнивания полярностей П.А.Ребиндера в
этой области концентраций можно было ожидать гидрофилизацию
угля. Однако, при проведении эксперимента установлено, что крае
вые углы (^в изменяются незначительно. Поэтому можно сделать вы
вод о том, что адсорбированное вещество распределено на твердой
поверхности неравномерно, т.е. адсорбционный слой имеет
“мозаичную” структуру.
Нами выполнены исследования открытой и закрытой пористости
углей марок КЖ по оригинальной методике ДонФТИ НАНУ [3] и оце
нена площадь поверхности микропор. Установлено, что общая по
ристость угля составляет в среднем 0,35-10'6 м3, в том числе закры
63
тая достигает величины 0,25-106 м3. Поверхность открытых пор по
ориентировочным расчетам может занимать площадь до 200 м2, а
закрытая - до 1500 м2. В результате обработки образцов угля вод
ными растворами ПАВ закрытая пористость уменьшается в 1,9-2,0
раза при соответствующем увеличении открытой пористости, что
приводит и к возрастанию площади поверхности пор Выполненный
анализ результатов экспериментальной обработки угольных пластов
растворами ПАВ на шахтах Донбасса показал, что фактический
расход раствора составляет 11-20 л/тили (0,011-0,02)-103 м/г. Это в
10 раз меньше объема открытых пор и более чем в 20 раз - закры
тых. Если оценить возможность адсорбции молекул растворов ПАВ
на поверхности пор, то наши расчеты показывают, что количества
молекул, содержащихся в растворе хватает для размещения только
на 10% поверхности открытых пор. Следовательно, объема закачи
ваемого раствора ПАВ недостаточно даже для заполнения объема
открытых пор. Поэтому вполне допустимо, что растворы ПАВ адсор
бируются на поверхности угольных пор неравномерно, по мозаич
ному типу.
СПИСОК ССЫЛОК
1. Арье А.Г. Физические основы фильтрации подземных вод. -
М.: Недра, - 1984. - 97 с.
2. Варенблатт Г.И., Ентов В.Н., Рыжик В.Н. Теория нестацио
нарной фильтрации жидкости и газа. М.: Недра, 1972. - 263 с.
3. Методические указания по определению содержания сорби
рованного метана в накопленых утлях. Макеевка-Донбасс, МакНИИ,
1977.- 72 с.
4. Методические указания по применению способа отличия вне
запного высыпания угля от выброса для экспертной оценки типа
газодинамического явления. Донецк. ОФТГП ДонФТИ НАН Украины,
1998.- 19 с.
64
|