Одним из способов повышения эффективности добычи нефти является применение физико-химических методов увеличения нефтеотдачи. При этом в пласт закачивают специально разработанные жидкости с заданной динамикой изменения реологического состояния [2, 15, 16, 19 и др.]. Диапазон его возможного изменения весьма широк – от маловязкой ньютоновской жидкости до практически нетекучего твердообразного тела; в ходе технологического процесса возникает проблема контроля закачиваемого раствора. Главным параметром является его вязкость; одновременно с началом закачки начинают ее измерение в параллельном лабораторном эксперименте, имитирующем реальные условия в разрабатываемом пласте.
Традиционные способы определения вязкости обычно требуют около десяти минут, однако под действием внешних условий реологическое состояние образца может измениться за меньшее время; с другой стороны, для контроля маловязких и гелеобразующих жидкостей используются разные средства измерения. Для адекватного контроля ситуации требуется специальная измерительная техника. Из существующих способов измерения вязкости наибольшим быстродействием обладает вибрационный метод [12,13, 17].
Вибрационная вискозиметрия основана на классической теории вязкого течения и сводится к измерению механического сопротивления, которое жидкая среда оказывает колеблющемуся в ней пробному телу – зонду (рис. 1). То есть зонд является одним из основных элементов измерительного устройства.
Трение между колеблющимся телом и окружающей средой описывается функцией механического сопротивления Z, которой при стабилизации амплитуды его движения пропорционален выходной электрический сигнал датчика U. Предполагается, что пробное тело находится в бесконечно большой среде и стенки сосуда не влияют на результат измерения. В этом случае для ньютоновских жидкостей Z и U связано со значением вязкости простым алгебраическим выражением:
Z = F/x' = A*F/x = C*(rh)1/2,
где Z – механическое сопротивление жидкости;
F – сила, вызывающая движение;
x – амплитуда колебаний;
x' – амплитуда скорости движения;
r – плотность жидкости;
h – вязкость жидкости;
А, С – коэффициенты пропорциональности.
Внутри указанных коэффициентов пропорциональности скрыты составляющие, связанные с площадью трущейся о жидкость твердой поверхности, скоростью движения (частотой) и лобовым сопротивлением, однако все они в эксперименте остаются постоянными и таким образом исчезают при представлении результатов в виде относительных значений.
Как правило, зонд вискозиметра представляет собой конструкцию из двух частей – собственно погружаемое в контролируемую среду пробное тело и элементы его присоединения к вибратору – подвес. При этом трением соприкасающейся с жидкостью части подвеса пренебрегают, а все наблюдаемое в эксперименте механическое сопротивление относят к пробному телу. Далее используем термины «зонд» и «пробное тело» как равнозначные.
Если зонд совершает сдвиговые механические колебания с частотой ω = 2πf, то в слое жидкости, примыкающем к его поверхности, образуется поперечная волна. Глубина ее проникновения внутрь вмещающего объема равна δ = 2η/(ρω), где η – динамическая вязкость жидкости; ρ – ее плотность; k = ω/c – волновое число, c – скорость распространения волны. Считается, что, если геометрические размеры пробного тела значительно больше величины длины возникающей волны, характер движения вязкой жидкости вблизи зонда произвольной формы аналогичен движению жидкости, возникающему при колебаниях неограниченной плоской поверхности.
Одновременно происходит излучение продольной (звуковой) волны.
Вмещающая пробное тело среда оказывает сопротивление движению [12, 13].
Zм = Ra + iRр
Активная составляющая Rа = Ra1 + Rа2, где Rа1 – сопротивление трения твердой поверхности, возникает из-за излучения поперечных вязких волн; Rа2 – сопротивление излучения продольных звуковых волн.
Реактивная составляющая Rр комплексного механического сопротивления также определяется двумя компонентами. Первая Rр1 обусловлена присоединенной массой. Она пропорциональна частоте колебаний зонда и от вязкости не зависит. Вторая составляющая Rр2 обусловлена перемещением массы вязкой жидкости пограничного слоя. Величина реактивного сопротивления Rр2, как и величина активного сопротивления Rа1, пропорциональна значению (hrw)0,5. Пограничный слой оказывает одинаковое активное и реактивное сопротивление.
С уменьшением частоты колебаний и поперечных размеров вибратора эффективность излучения им звука уменьшается. При условии kr << 1, волновое поле в неограниченной среде не зависит от формы создающего его объекта и при описании ситуации пробное тело можно заменить осциллирующим шаром радиуса r. Тогда значение Rр1 стремится к величине - iωρ(V/2), где V – объем шара, а ρV = mo – заключенная в нем масса жидкости.
Как правило, пробное тело конструктивно выполняют в виде объекта простой геометрической формы – шара, круглого стержня, пластины и т.д., от которой зависит соотношение указанных компонентов механического сопротивления. Например, лобовое сопротивление тонкой пластины, совершающей движение в своей плоскости много меньше, чем значение (Rа1). Материал зонда в любом случае должен обладать стабильностью механических характеристик и высокой коррозионной стойкостью. Желательны также минимальные температурные коэффициенты линейного расширения.
Пробное тело-зонд современного лабораторного вибрационного вискозиметра присоединено к электрически управляемому вибратору. Возможно, наиболее распространенными в настоящее время являются устройства на основе вибраторов типа «веретена», «Marimex ViscoScope», вискозиметры серии ВВН [13]. Пробное тело и область возбуждения – измерения параметров движения находятся в этом случае по разные стороны изолирующей мембраны. Это дает возможность встраивать датчик в замкнутый измерительный объем или трубопровод, но не обеспечивает требуемую для отслеживания слабых межмолекулярных взаимодействий чувствительность измерений.
Добротность вибратора определят возможную предельную чувствительность измерения. С этой точки зрения более перспективными являются устройства на основе камертона, имеющие малое значение Z0 и U0, которые определяется при движении пробного тела на воздухе. В некоторых конструкциях к одному из плеч акустического камертона крепится виброзонд, а второе плечо имеет функцию компенсатора.
В работе [14] показано, что при использовании компенсатора передача колебательной энергии от возбудителя на основание датчика уменьшается, при этом пропорционально уменьшается влияние на амплитуду колебаний механического сопротивления связи между камертоном и массой (землей). Результатом является повышение стабильности амплитуды движения пробного тела и увеличение чувствительности датчика к изменениям вязкости. Такие датчики обеспечивают непрерывность измерения, имеют достаточно высокое быстродействие и могут быть размещены в пробах малого объема. Использование двух компенсирующих друг друга плеч камертона с двумя зондами, очевидно, дает возможность двукратного увеличения чувствительности при необходимом увеличении размеров измерительного сосуда.
В [10] в качестве вибратора использован горизонтально расположенный стеклянный камертон с зондом в виде шара диаметром 4 мм, вытянутого автором на тонкой короткой ножке с помощью горелки из нижнего плеча камертона (верхнее в этом случае – компенсатор). Устройство демонстрирует достаточно высокую чувствительность и точность измерения.
Изготовление камертона из металла дает возможность реализовать различные варианты построения измерительного узла, отличающихся ориентацией и местом крепления зондов к скобе камертона. Они схематически изображены ниже на соответствующих рисунках, однако следует отметить практически полное отсутствие разработок, использующих сменные стеклянные или кварцевые зонды. Эти материалы удовлетворяют всем необходимым требованиям и превосходят большинство металлов по коррозионной стойкости.
На рисунках имеет место единая система обозначений:
1 – скоба камертона, состоит из двух ветвей и неподвижной узловой области;
2 – электромеханический преобразователь (пьезокерамика или электродинамический), 3 – пробное тело, 4 – противовес, 5 – утолщенная ось, 6 – планка, 7 – масса, 8 – изолирующая мембрана, 9 – контролируемая жидкость, 10 – узел сочленения зонда со скобой камертона.
Во всех рассматриваемых устройствах также «виртуально» присутствует главная ось камертона, относительно которой разнесены параллельные ей ветви (плечи камертона) и на которой находится область нулевой фазы – узел рассматриваемой колебательной системы с распределенными параметрами.
Используются крутильные (рисунки 6, 7) и возвратно-поступательные (рисунки 3, 4, 5) колебания одного или пары (рисунки 5, 8) пробных тел в устройствах с разной степенью симметрии построения измерительного узла, горизонтальная (рисунки 3, 4) и вертикальная (рисунки 5–8) ориентация главной оси камертона относительно горизонта. При этом пробное тело может находиться перпендикулярно (рисунки 3, 4), параллельно и на продолжении главной оси (рисунки 5, 6, 8) с совмещением или разнесением (рисунки 8, 9) зоны крепления устройства относительно узловой точки. Области возбуждения и регистрации движения могут быть расположены на противоположных ветвях камертона, по одну и по разные стороны относительно узловой точки вдоль главной оси, а противовесы смещены относительно нее, создавая при возвратно-поступательном движении ножек камертона крутящий момент относительно главной оси.
Горизонтальная ориентация присутствует, например, в устройствах типа [14, 15], «Реокинетика» [18] и «Виброскан» [6]. Вертикально расположен датчик вискозиметра Гернета [3], устройств серии SV компании A&D [9], вискозиметров Степичева и Кремлевского [4]. Упрощенно их структуру отображают рис. 5, 6 и 8.
Горизонтально ориентированные датчики имеют высокую чувствительность. Это дает возможность использовать в качестве пробного тела объекты небольшого размера и соответственно уменьшить необходимое для измерения количество вещества. Их главным недостатком является невозможность герметизации измерительного объема и несимметричность механической нагрузки ветвей, что существенно ограничивает область их применения и круг контролируемых объектов. В предельном случае датчик представляет собой зажатую с конца консольную пластину – вторая ветвь камертона отключается.
Область возбуждения вертикально ориентированного камертона, электромеханические преобразователи (рис. 6, 8) и два пробных тела – продолжения его ветвей – могут находиться по разные стороны формирующей узловую точку мембраны 8 или его основания (рис. 8) Это создает потенциальную возможность герметизировать измерительный объем, проводить долговременные непрерывные измерения и контролировать токсичные и летучие жидкости.
На рисунке 10 представлены разработанные для вискозиметров «Реокинетика» стеклянные/кварцевые (варианты исполнения) измерительные зонды с утолщенным окончанием оси. Они имеют форму в виде тела вращения и могут быть использованы в составе вискозиметров продольных и в составе вискозиметров крутильных колебаний [4].
А – зонд общего назначения, пробное тело в виде шара;
Б – зонд повышенной чувствительности, пробное тело в виде скругленного на концах цилиндра, предназначен для контроля маловязких жидкостей, например, разбавленных растворов полимеров;
В – зонд расширенного диапазона измерений, пробное тело в виде тонкого стержня; предназначен для контроля динамики реологического состояния.
Они присоединяются к вибратору с помощью узла сочленения утолщенной стеклянной оси с металлом – цангового подвеса (рис. 11).
Таким образом, рассмотрены конструкции зондов камертонного датчика с горизонтальной и вертикальной ориентацией камертона, универсального цангового подвеса и сменных стеклянных зондов, разработанных для вискозиметра «Реокинетика».
Работа выполнена в рамках государственного задания ИХН СО РАН, финансируемого Министерством науки и высшего образования Российской Федерации (НИОКТР № 121031500048-1).
Литература
1. S. V. Gupta Viscometry for Liquids Calibration of Viscometers // Springer Series in Materials Science, 2016, Book 194, 266 p.
2. Алтунина Л.К. Физико-химические методы увеличения нефтеотдачи пластов нефтяных месторождений (обзор) / Л.К. Алтунина, В.А. Кувшинов / Успехи химии. – 2007. – Т. 76, № 10. – С. 1034–1052.
3. А.с. № 612160 Гернет М.М., Денисов В.И., Маршалкин Г.А., Казаков П.В. Вибрационный вискозиметр // Б.И. – 1978. – № 23.
4. А.с. № 329445 Степичев А.А. Двухчастотный измеритель вязкости камертонного типа // Б.И. – 1972. – № 7.
5. Богословский А.В. Определение точки гелеобразования полимерсодержащих составов вибрационным методом / А.В. Богословский, И.С. Кожевников, Л.А. Стасьева, Л.К. Алтунина / Вестник ТвГУ. Серия: Химия. – 2017. – № 4. – С. 91–98.
6. Богословский А.В. Сканирование ПВС содержащей двухфазной системы бензол-вода неподвижным и вибрирующим зондом / А.В. Богословский И.С. Кожевников / Вестник ТвГУ. Серия: Химия. – 2016. – № 1. – С. 6–13.
7. Богословский А.В. Архитектура камертонных датчиков вязкости / А.В. Богословский И.С. Кожевников / Башкирский химический журнал. 2023. – Т. 30, № 1. – С. 129–133.
8. Богословский А.В. Зонды для камертонного датчика / А.В. Богословский, И.С. Кожевников / Добыча, подготовка, транспорт нефти и газа: материалы Х Международной конференции, Томск, 2023. – С. 36–37.
9. Вибровискозиметр серии SV. Руководство по эксплуатации. Электронный ресурс: https://www.mirvesov.ru/docs/guide/10138.pdf.
10. Гочжень Ч. Измерение вязкости и плотности при помощи колеблющегося шарика / Ч. Гочжень, С. Лаоли / Приборы для научных исследований. – 1985. – № 8. В. Н. C. 144–147.
11. Колешко В.М. Проектирование интеллектуальных сенсорных систем измерения вязкости материалов / В.М. Колешко, В.Я. Сунка, Е.В. Крупская. – Минск: БНТУ, 2010. – 81 с.
12. Крутин В.Н. Колебательные вискозиметры и пути их совершенствования / В.Н. Крутин / Вибрационная вискозиметрия: [сборник научных трудов] / – Новосибирск, 1976. – С. 8–28.
13. Крутин В.Н. Колебательные реометры / В.Н. Крутин / – М.: Машиностроение, 1985. 160 с.
14. Кузьмин В.Я., Измерения массы, плотности и вязкости / В.Я. Кузьмин, С.И. Торопин, Ю.В. Тарбеев и др. – М.: Изд-во стандартов, 1988. – 175 с.
15. Лейк Л. Основы методов увеличения нефтеотдачи / Л. Лейк. – Остин: Университет Техас, 2005. – 449 с.
16. Лозин E.В. Применение коллоидных реагентов для повышения нефтеотдачи / E.В. Лозин, В.Н. Хлебников. – Уфa: Башнипинефть, 2003. – 233 c.
17. Соловьев A.Н. Вибрационный метод измерения вязкости жидкостей/ A.Н. Соловьев, A.Б. Каплун. – Новосибирск: Наука, – 1970. – 142 c.
18. Соломин Б.А. Камертонный вибровискозиметрический датчик для исследования термостимулированных процессов в жидкостях / Б.А. Соломин, А.М. Низаметдинов, М.Л. Конторович, А.А. Черторийский / Известия Самарского научного центра РАН. – 2015. ‒ Т. 17, № 2. ‒ С. 26–30.
19. Шрамм Лорье Л. Поверхностно-активные вещества в нефтегазовой отрасли. Состав, свойства, применение/ Лорье Л. Шрамм. – CПб.: ЦOП Профессия, 2018. – 592 c.
