Воздействие электромагнитных полей на нетрадиционные виды углеводородного сырья

В работе рассматривается возможность использования электромагнитных полей для разработки нетрадиционных видов углеводородного сырья, в частности, газовых гидратов. Дан обзор работ, посвященных диэлектрическим свойствам газовых гидратов. Приведены некоторые результаты научных исследований по данной п...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2013
Автори: Низаева, И.Г., Макогон, Ю.Ф.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Відділення морської геології та осадочного рудоутворення НАН України 2013
Назва видання:Геология и полезные ископаемые Мирового океана
Теми:
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99513
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Воздействие электромагнитных полей на нетрадиционные виды углеводородного сырья / И.Г. Низаева, Ю.Ф. Макогон // Геология и полезные ископаемые Мирового океана. — 2013. — № 3. — С. 42-54. — Бібліогр.: 24 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-99513
record_format dspace
spelling irk-123456789-995132016-04-30T03:02:10Z Воздействие электромагнитных полей на нетрадиционные виды углеводородного сырья Низаева, И.Г. Макогон, Ю.Ф. Полезные ископаемые В работе рассматривается возможность использования электромагнитных полей для разработки нетрадиционных видов углеводородного сырья, в частности, газовых гидратов. Дан обзор работ, посвященных диэлектрическим свойствам газовых гидратов. Приведены некоторые результаты научных исследований по данной проблеме, полученные группой ученых Башкирского государственного университета под руководством профессора Ф.Л. Саяхова. Затронуты вопросы теоретического и экспериментального изучения влияния постоянного электрического поля на кинетику образования гидратов. У роботі розглядається можливість використання електромагнітних полів для розробки нетрадиційних видів вуглеводневої сировини, зокрема, газових гідратів. Дано огляд робіт, присвячених діелектричним властивостям газових гідратів. Наведено деякі результати наукових досліджень з даної проблеми, отримані групою вчених Башкирського державного університету під керівництвом професора Ф.Л. Саяхова. Порушено питання теоретичного та експериментального вивчення впливу постійного електричного поля на кінетику утворення гідратів. The paper considers the possibility of the use of electromagnetic fields for the development of unconventional hydrocarbon resources, particularly gas hydrates. An overview of the studies dedicated to the dielectric properties of the gas hydrates is provided along with some research results on this scientific problem carried out by the group of scientists of Bashkir state University under the direction of Professor Sayakhov F.L. Besides, the paper touches upon the problem of theoretical and experimental investigations of the influence of a constant electric field on the kinetics of hydrate formation. 2013 Article Воздействие электромагнитных полей на нетрадиционные виды углеводородного сырья / И.Г. Низаева, Ю.Ф. Макогон // Геология и полезные ископаемые Мирового океана. — 2013. — № 3. — С. 42-54. — Бібліогр.: 24 назв. — рос. 1999-7566 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99513 622.32 ru Геология и полезные ископаемые Мирового океана Відділення морської геології та осадочного рудоутворення НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Полезные ископаемые
Полезные ископаемые
spellingShingle Полезные ископаемые
Полезные ископаемые
Низаева, И.Г.
Макогон, Ю.Ф.
Воздействие электромагнитных полей на нетрадиционные виды углеводородного сырья
Геология и полезные ископаемые Мирового океана
description В работе рассматривается возможность использования электромагнитных полей для разработки нетрадиционных видов углеводородного сырья, в частности, газовых гидратов. Дан обзор работ, посвященных диэлектрическим свойствам газовых гидратов. Приведены некоторые результаты научных исследований по данной проблеме, полученные группой ученых Башкирского государственного университета под руководством профессора Ф.Л. Саяхова. Затронуты вопросы теоретического и экспериментального изучения влияния постоянного электрического поля на кинетику образования гидратов.
format Article
author Низаева, И.Г.
Макогон, Ю.Ф.
author_facet Низаева, И.Г.
Макогон, Ю.Ф.
author_sort Низаева, И.Г.
title Воздействие электромагнитных полей на нетрадиционные виды углеводородного сырья
title_short Воздействие электромагнитных полей на нетрадиционные виды углеводородного сырья
title_full Воздействие электромагнитных полей на нетрадиционные виды углеводородного сырья
title_fullStr Воздействие электромагнитных полей на нетрадиционные виды углеводородного сырья
title_full_unstemmed Воздействие электромагнитных полей на нетрадиционные виды углеводородного сырья
title_sort воздействие электромагнитных полей на нетрадиционные виды углеводородного сырья
publisher Відділення морської геології та осадочного рудоутворення НАН України
publishDate 2013
topic_facet Полезные ископаемые
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99513
citation_txt Воздействие электромагнитных полей на нетрадиционные виды углеводородного сырья / И.Г. Низаева, Ю.Ф. Макогон // Геология и полезные ископаемые Мирового океана. — 2013. — № 3. — С. 42-54. — Бібліогр.: 24 назв. — рос.
series Геология и полезные ископаемые Мирового океана
work_keys_str_mv AT nizaevaig vozdejstvieélektromagnitnyhpolejnanetradicionnyevidyuglevodorodnogosyrʹâ
AT makogonûf vozdejstvieélektromagnitnyhpolejnanetradicionnyevidyuglevodorodnogosyrʹâ
first_indexed 2025-07-07T08:05:21Z
last_indexed 2025-07-07T08:05:21Z
_version_ 1836974627736256512
fulltext 42 УДК 622.32 И.Г. Низаева 1, Ю.Ф.Макогон 2 1 Башкирский государственный университет, Россия 2 Техасский АМ университет, США ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА НЕТРАДИЦИОННЫЕ ВИДЫ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ В работе рассматривается возможность использования электромагнитных по� лей для разработки нетрадиционных видов углеводородного сырья, в частности, газовых гидратов. Дан обзор работ, посвященных диэлектрическим свойствам газовых гидратов. Приведены некоторые результаты научных исследований по данной проблеме, полученные группой ученых Башкирского государственного университета под руководством профессора Ф.Л. Саяхова. Затронуты вопросы теоретического и экспериментального изучения влияния постоянного электри� ческого поля на кинетику образования гидратов. Ключевые слова: газовые гидраты, диэлектрические свойства, высокочас� тотное электромагнитное поле. Современные мировые энергетические потребности обеспечива* ются в основном нефтью и газом (на 60 %). Время выхода на зак* лючительный этап освоения углеводородов неодинаково для раз* ных странах, но для их большинства оно настанет при текущих объемах добычи нефти в пределах 2030—2050 гг., при условии дос* таточно заметного воспроизводства их запасов. Однако уже около 20 лет добыча нефти в мире опережает прирост ее запасов [1]. Это неизбежно приводит к необходимости более активной разработки нетрадиционных видов углеводородного сырья (тяжелые и высо* ковязкие нефти, нефтяные пески и битумы, сланцевые нефти в глинистых отложениях, газогидраты и водорастворенные газы в подземной гидросфере, сланцевые газы и газы угленосных отло* жений и т.д.). Особое место в ряду нетрадиционных видов углеводородного сырья принадлежит газовым гидратам. По современным оценкам потенциальные ресурсы газа, сосредоточенного в газогидратных залежах, составляют величину порядка 1,5 � 1016м3 [2]. Кроме того, остается актуальной задача борьбы с техногенными газовыми гид* ратами, осложняющими добычу и транспортировку нефти и газа. © И.Г. НИЗАЕВА, Ю.Ф.МАКОГОН, 2013 ISSN 1999�7566. Геология и полезные ископаемые Мирового океана. 2013. № 3 43ISSN 1999�7566. Геология и полезные ископаемые Мирового океана. 2013. № 3 Воздействие электромагнитных полей на нетрадиционные виды углеводородного сырья Особую остроту эта проблема приобрела с выходом на добычу традиционных уг* леводородов в зоне распространения многолетнемерзлых пород и в акваториях Мирового океана. Все большую актуальность приобретает задача экологического мониторинга процессов разложения и образования гидратов природных газов [3]. Учеными многих стран ведется поиск и разработка современных технологий, которые позволят рентабельно разрабатывать месторождения нетрадиционных видов углеводородного сырья. Одними из перспективных для разработки месторождений тяжелых и высо* ковязких нефтей, битумов и газовых гидратов могут оказаться технологии, осно* ванные на эффектах, возникающих при взаимодействии электромагнитных полей с продуктивными пластами. Следует отметить, что впервые на возможность применения высокочастот* ного электромагнитного (ВЧ ЭМ) поля для нагрева продуктивного пласта указы* вается в патенте [4]. Теоретические, экспериментальные и промысловые исследования возмож* ности применения мощных ВЧ и сверхвысокочастотных (СВЧ) ЭМ полей в про* цессах добычи, подготовки, транспорта и переработки нефти и газа в России про* водились группой исследователей под руководством профессора Саяхова Ф.Л. начиная с конца 60*х годов. На начальном этапе группой Саяхова Ф.Л. были выполнены эксперимен* тальные исследования диэлектрических характеристик различных нефтегазовых объектов (нефтегазовые продуктивные породы, нефти, их компоненты и фрак* ции, водонефтяные эмульсии), поскольку в большинстве случаев эти среды яв* ляются в ЭМ отношении диэлектриками [5]. С помощью разработанных ориги* нальных методик измерения и устройств проведены исследования в широком диапазоне частот 50 кГц—30 ГГц, в интервале температур 273—373 К и давлений 0—5 МПа. Были определены значения диэлектрических характеристик, области их частотной дисперсии и сделан вывод о том, что при допустимых уровнях мощности ЭМ поля, в данных средах можно ожидать заметных для осуществле* ния технологических процессов термоэлектрогидродинамических эффектов. Исследования влияния ВЧ полей на процессы фильтрации позволили обнару* жить явление интенсификации фильтрации углеводородных вязких жидкостей в ВЧ и СВЧ ЭМ полях, обусловленное объемным характером нагрева и заметным снижением вязкости флюида; изменение эффективной вязкости при течении высоковязкой нефти в капиллярах; явление перераспределения давления в на* сыщенной пористой среде и развитие термоупругих эффектов; уменьшение по* верхностного натяжения для нефти и воды на границе с воздухом за счет ориен* тационной поляризации молекул в ВЧ ЭМ поле. Логическим продолжением этих работ было создание на уровне авторских свидетельств устройств и способов разработки залежей нефти и битумов на осно* ве ЭМ воздействия на пласт через скважину. Эти устройства в начале 70*х годов успешно прошли промысловые испытания на Ишимбайском нефтяном место* рождении. В 1979 году была осуществлена скважинная добыча битумной нефти на пласт ВЧ ЭМ полем. Параллельно с экспериментальными и промысловыми исследованиями Ф.Л. Саяхов работал над теорией взаимодействия ВЧ и СВЧ ЭМ излучения с продуктивными пластами. Эти исследования велись в двух направлениях: про* 44 ISSN 1999�7566. Геология и полезные ископаемые Мирового океана. 2013. № 3 И.Г. Низаева, Ю.Ф.Макогон цесс темпломассопереноса в многофазных средах при взаимодействии с ЭМ из* лучением и развитие ВЧ ЭМ термогидродинамики. По первому направлению сформулирована и детально проанализирована система уравнений неизотерми* ческой фильтрации вязкого углеводородного флюида при воздействии на порис* тую среду ЭМ излучения. Классическая система уравнений фильтрации была дополнена уравнениями ЭМ поля в пористой среде и электродинамическими уравнениями состояния. На основе полученной системы уравнений сформули* рованы, аналитически и численно решены задачи по расчету температурного поля при ВЧ нагреве пластов, теплофизические задачи о диссоциации газовых гидра* тов и расплавлении битума и т.д. Второе направление является логическим раз* витием ЭМ термогидродинамики квазистатических полей Л.Д. Ландау на область высоких частот и послужило основой создания нового научного направления [6]. В 80*х годах Саяхов Ф.Л. предложил идею применения ВЧ и СВЧ ЭМ полей не только для борьбы с техногенными гидратами, но и для разработки газогид* ратных залежей. В работах [7, 8] сформулированы физические основы воздей* ствия ЭМ полей на гидратонысыщенные среды. Задача о нагреве газовых гидра* тов ВЧ ЭМ полем привела в дальнейшем к формулировке обобщенной задачи Стефана [9]. Обобщение классической задачи математической физики Стефана заключалось в том, что в уравнение теплопроводности включаются объемные тепловые источники, возникающие за счет диссипации энергии ЭМ поля в теп* ло. Дальнейшие исследования показали, что процесс диссоциации гидрата в по* ле ЭМ излучения имеет не фронтовой, а объемный характер, то есть происходит в области конечных размеров [10—13]. Расчет технологических параметров воздействия электромагнитных полей на гидратонасыщенные среды невозможен без изучения электрофизических свойств газовых гидратов, и, главным образом, диэлектрических свойств. Диэлектрические свойства газовых гидратов. Основная масса работ, посвящен* ных исследованиям диэлектрических свойств гидратов, принадлежит группе уче* ных, работавших под руководством Девидсона. Ему же принадлежит наиболее пол* ный обзор по диэлектрическим исследованиям гидратов различных веществ [14]. Для изучения диэлектрических свойств гидратов в указанных работах приме* нялись методы мостовые, резонансные и диэлектрической релаксации. Были изучены диэлектрические свойства гидратов следующих веществ: тетрагидрофу* рана, триметилен оксида, ацетона, циклобутанона [15], этилен оксида [16], 1,3* диоксолана, пропиленоксида, дигидрофурана и других [17]. В работе [15] измерения проводились от нескольких герц до 1 МГц, в [16] — от 0,04 кГц до 100 МГц, в работе [18] — от 150 МГц до 10 ГГц. Диэлектрические свойства гидратов исследовались на широком диапазоне температур. От 1,8 К до 270 К проводились работы в [15], от 118 К до 270 К — в [17], от 233 К до 278 К — в [16] и от 2,5 до 300 К — в работе [19]. Анализ указанных работ показывает, что гидраты в отношении электромагнит* ных свойств представляют собой слабо проводящий немагнитный диэлектрик с потерями, характеризующийся комплексной диэлектрической проницаемостью ε. = ε' – j ε'' ; j = � –1, где ε.— комплексная диэлектрическая проницаемость; ε', ε'' — соответственно действительная (реальная) и мнимая части комплексной диэлектрической 45ISSN 1999�7566. Геология и полезные ископаемые Мирового океана. 2013. № 3 Воздействие электромагнитных полей на нетрадиционные виды углеводородного сырья проницаемости. Для постоянных полей диэлектрическая проницаемость ε (ее еще называют статической диэлектрической проницаемостью) совпадает с действительной частью комплексной диэлектрической проницаемости: ε = ε'. На рис. 1 приведено типичное для гидратов схематическое изображение час* тотной зависимости реальной и мнимой частей диэлектрической проницаемости [17]. Для гидратов любых веществ данные зависимости имеют две характерные об* ласти, называемые областями диэлектрической дисперсии. Левая область соотве* тствует процессам поляризации молекул воды, правая — гостевым молекулам. На низких частотах (частота лежит ниже области дисперсии) реальная часть комплексной диэлектрической проницаемости обозначается нижним индексом «0», соответственно для первой и второй областей дисперсии это ε01 и ε02. На высо* ких частотах (частота лежит выше области дисперсии) используется нижний ин* декс «�», соответственно для первой и второй областей дисперсии это ε�1 и ε�2. На низких частотах при сравнении переориентационных скоростей образу* ющих гидрат молекул оказывается, что основной вклад в реальную часть диэле* ктрической проницаемости дает переориентация диполей воды, а вклад от пере* ориентации молекул включений — гораздо меньше. С ростом частоты реальная часть диэлектрической проницаемости уменьшается довольно резко, и имеет место сильная диэлектрическая абсорбция при частотах, сравнимых с релаксаци* онными скоростями молекул воды (порядка кГц при 200 К). При более высоких частотах переориентация молекул воды не увеличивает вклада в реальную часть диэлектрической проницаемости, которая остается постоянной ε�1 = ε02 на ши* роком частотном диапазоне вплоть до появления более далекой дисперсно*абсорб* ционной области (в районе 10 ГГц при 200 К), связанной с переориентацией ди* польных молекул включений. За этой областью реальная часть диэлектрической проницаемости ε�2 не содержит вкладов от релаксаций молекул. Следует отметить, что хотя несколько диэлектрических измерений были проведены на сверхвысоких частотах, в которых была определена диэлектричес* кая абсорбция молекул включений в гидратах тетрагидрофурана и ацетона в ги* гагерцевом диапазоне при 90 К, неточность и неудобство, связанные с измере* нием слабой и широкой абсорбции, привели к необходимости измерений на сильно охлажденных образцах для перемещения абсорбционных частот в мега* герцевую область и ниже. При таких низких температурах (порядка 20 К) абсорб* ционные кривые очень широкие. Это является основной чертой релаксации мо* лекул*гидратообразователей в клатратных соединениях. Рис. 2. Области диэлектрической абсорбции, наблюдаемые для природного газового гидрата на частоте 10 кГц Рис. 1. Зависимость реальной ε' и мнимой ε'' частей диэлектрической проницаемости от частоты f 46 ISSN 1999�7566. Геология и полезные ископаемые Мирового океана. 2013. № 3 И.Г. Низаева, Ю.Ф.Макогон Диэлектрические измерения в ВЧ области были проведены и для некото* рых неполярных молекул*гидратообразователей при низких температурах. И, несмотря на малые дипольные моменты молекул включений, абсорбционно* дисперсная область, соответствующая релаксации этих молекул, была измере* на для пропана и изобутана [14]. В работах [14,18,19] отмечается, что гидраты всегда выделяются среди твердых структур высокой вращательной подвижностью молекул включений. Это можно объяснить почти сферической формой ячеек и всегда четырехгранно связанной структуры водной решетки, из*за которой результирующие электрические поля, обусловленные диполями молекул воды, относительно малы вблизи центров ячейки. Кривые комплексной диэлектрической проницаемости в области переори* ентации молекул воды в гидратах II структуры [15], для которых были проведены точные измерения, все имеют сходство. Ни амплитуда, ни форма водной абсорб* ционно*дисперсной области не зависят от природы гидратообразующих моле* кул. Но следует отметить, что релаксационные скорости в значительной степени изменяются по величине. В таблице приведены экспериментальные данные по низкочастотным диэлектрическим свойствам (для первой области дисперсии) некоторых гидратов II структуры для трех значений температуры по шкале Цельсия (t, °С). Экспериментальные значения несколько отличаются от действительных значений из*за наличий некоторой жидкой фазы, богатой эфиром, а при низких температурах — воздушных зазоров и трещин в образцах (THF — тетрагидрофу* ран, DHF — дигидрофуран, PO — пропиленоксид, TMO — триметиленоксид). Относительно высокие значения диэлектрической проницаемости (соответ* ственно �58 и �53 при 0 °С) на низких частотах объясняются связью между Экспериментальные данные по низкочастотным диэлектрическим свойствам некоторых гидратов II структуры Формула гидрата t, °С ε0 ε� THF � 16,7 H2O THF � 16,7 H2O DHF � 16,7 H2O PO � 16,7 H2O PO � 16,7 H2O TMO � 16,7 H2O TMO � 16,7 H2O –1,4 –40,5 –70,0 –22,5 –48,4 –83,5 –20,8 –58,2 –95,4 –6,3 –53,8 –84,9 –43,3 –93,2 –196,0 –24,6 –49,0 –91,0 –24,6 –74,2 –101,3 61,1 68,3 74,3 61,4 67,6 80,2 66,2 75,8 86,0 67,0 78,5 91,0 74,0 87,0 — 63,4 65,0 67,0 50,6 44,3 45,1 — — 4,70 — — 4,85 — 4,60 4,90 — — 5,74 — 5,90 8,48 — — 5,59 — — 11,0 47ISSN 1999�7566. Геология и полезные ископаемые Мирового океана. 2013. № 3 Воздействие электромагнитных полей на нетрадиционные виды углеводородного сырья направлениями диполей воды в решетке, образованной водородными связями, как это наблюдается, например, для льда (�92 при 0 °С). На низкочастотном диапазоне, включающем водную релаксацию, была ис* следована температурная зависимость (от 100 К до точек плавления) для диэлек* трической проницаемости. В [14] приведены следующие формулы зависимости от температуры соответственно для гидратов II и I структуры: ε01 = ε�1 + ; ε01 = ε�1 + , где Т — абсолютная температура в градусах Кельвина; ε01 и ε�1 — реальная часть комплексной диэлектрической проницаемости для первой области дисперсии, обусловленной водной релаксацией, соответственно до и после области дисперсии. Следует упомянуть одну из немногих работ, посвященных исследованию ди* электрических свойств образцов природного газа. В работе [20] проведены диэ* лектрические измерения неразложившегося природного газового гидрата второй структуры в придонном керновом материале, извлеченном вблизи Мексики. Данные измерения были выполнены при низких температурах, вплоть до 2 К. На рис. 2 видны слабые диэлектрические потери, наблюдаемые при низких темпера* турах. По вертикальной оси отложена мнимая часть комплексной диэлектричес* кой проницаемости, по горизонтальной оси — абсолютная температура в граду* сах Кельвина. Из трех разрешаемых пиков, наблюдаемые при 14 и 30 К могут быть отнесены к абсорбции слабо поляризованных молекул пропана и изобутана при данных температурах. Таким образом, несмотря на то, что исследованы достаточно подробно диэ* лектрические свойства гидратов значительного числа веществ, все же, многие вопросы, касающиеся поведения гидратов во внешних ВЧ и СВЧ ЭМ полях еще не изучены. Во*первых, исследования диэлектрических характеристик в работах [15—19] проводились, главным образом, при низких температурах, что приводи* ло к смещению абсорбционно*дисперсионных зон в область более низких частот. Во*вторых, в основном исследовались гидраты химических веществ, не встреча* ющихся в природных условиях в чистом виде. В работе [20] изучались образцы гидрата природного газа, но также при низких температурах. Поэтому представляет особый интерес исследование диэлектрических свойств газовых гидратов компонентов природного газа в термодинамических условиях, близких к естественным, с целью использования полученных данных при разработке газогидратных залежей воздействием ВЧ ЭМ поля. Одной из первых российских работ, посвященных исследованию диэлектри* ческих свойств гидратов газов, входящих в состав природного газа, следует отме* тить статью [21]. Данная работа выполнена группой Саяхова Ф.Л. совместно с Ма* когоном Ю.Ф. Авторами проведены исследования в диапазоне частот от 50 кГц до 1 ГГц с помощью полностью перестраиваемого коаксиального резонатора при температуре 1—2 °С и давлениях, соответствующих давлению образования гидрата пропана (0,5—0,6 МПа). Измерения при положительных температурах гарантиро* вали отсутствие в образцах трещин и вкраплений льда. Значимость данной рабо* ты заключается не только в том, что впервые изучались диэлектрические свойства гидрата одного из основных компонентов природного газа при положительных температурах и давлениях, соответствующих условиям гидратообразования. 14900 Т 13300 Т 48 ISSN 1999�7566. Геология и полезные ископаемые Мирового океана. 2013. № 3 И.Г. Низаева, Ю.Ф.Макогон Диэлектрические свойства гидрата пропана сравнивались с аналогичными свой* ствами льда. Весьма актуальной является проблема разделения пород, насыщенных льдом, от пород, заполненных газовыми гидратами, при проведении геофизичес* ких исследований в скважинах, предположительно пересекающих газогидратные пласты. В природных условиях газовые гидраты в основной своей массе находят* ся при термодинамических условиях, близких к условиям гидратообразования. Исследования показали (рис. 3), что для гидрата пропана, начиная с частоты 1 МГц и, примерно, до 5 МГц наблюдается значительная дисперсия (уменьше* ние) действительной части комплексной диэлектрической проницаемости ε'. Для льда также наблюдается частотная зависимость диэлектрической проницае* мости, но эта зависимость слабо выражена. В этой области соответственно обнаружено уменьшение тангенса угла диэле* ктрических потерь (tgδ) (рис. 4). Но на частоте порядка 8 МГц наблюдался макси* мум, который, по мнению авторов, связан с потерями при ориентационной по* ляризации молекул воды в газовом гидрате. Наличие максимума диэлектрических потерь газового гидрата на частотном ди* апазоне 1—20 МГц и значения tgδ порядка 0,15—0,19 является хорошей предпосыл* кой для использования ЭМ полей для нагрева гидратонасыщенной среды. Во*пер* вых, максимум диэлектрических потерь соответствует максимальному переходу энер* гии ЭМ волн в тепло. Во*вторых, на данном частотном диапазоне затухание ЭМ волн происходит на расстоянии 10—30 метров, что позволяет прогревать призабой* ную зону пласта на соответствующие расстояния (следует отметить, что это расстоя* ние, в первую очередь, определяется диэлектрическими свойствами насыщенной породы). И, в*третьих, частота 13,56 МГц является разрешенной в большинстве стран для использования в промышленности и, соответственно, во многих странах выпускаются мощные промышленные ВЧ установки, работающие на этой частоте. Исследование диэлектрических свойств газового гидрата и взаимодействия гидратов с ЭМ полями было продолжено в работе [10]. В частности в [10] изуча* Рис. 3. Частотная зависимость действительной части комплексной диэлектрический проница* емости гидрата пропана (кривая 1) и льда (2, 3 — соответственно лед, полученный из 0,1 % и 0,01 % раствора NaCl в дистиллированной воде; 4 — лед, полученный из природной воды) Рис. 4. Частотная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь для гидрата пропана (кривая 1) и льда (кривая 2) 49ISSN 1999�7566. Геология и полезные ископаемые Мирового океана. 2013. № 3 Воздействие электромагнитных полей на нетрадиционные виды углеводородного сырья лась и температурная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь гидрата углекислого газа вблизи фазового перехода. П. Дебаем [22] рассматривался случай температурной аномалии диэлектрических свойств льда при различных темпера* турах. В кристаллах льда для любой молекулы существует несколько возможных положений, и между ними существует некоторое термодинамические равновесие. Если приложить ЭМ поле, то некоторые положения становятся выгоднее, и воз* никает поляризация. Установление нового равновесия требует определенного времени релаксации, которое зависит не только от взаимодействия молекул друг с другом, но и от температуры. Аналогичные рассуждения справедливы и для газо* вых гидратов, которые помимо кристаллической решетки воды, вносящей основ* ной вклад в поляризацию, имеют в своем составе молекулы газа — гидратообразо* вателя, связанные с решеткой Ван*дер*ваальсовыми силами. Вращение молекул газа в полостях кристаллической решетки воды также зависит от температуры и соответственно зависит от температуры вклад в поляризацию данных молекул. На рис. 5 представлены результаты измерений температурной зависимости для чистого гидрата углекислого газа (кривая 1) [10] и для гидрата, полученного в модели пористой среды (кварцевый песок с пористостью 0,38) [12]. Из рисунка видно, что вблизи фазового равновесия происходит значительное возрастание величины тангенса угла диэлектрических потерь, несмотря на то, что температура фазового перехода при соответствующем давлении не достигнута. Поведение кривой для гидрата в пористой среде аналогично поведению диэлект* рических свойств чистого гидрата, хотя тангенс угла диэлектрических потерь име* ет меньшее значение. Это объясняется тем, что эта физическая величина на дан* ном диапазоне частот и температур имеет величину порядка 0,02, что меньше, чем у гидрата. Кроме того, кварцевый песок не имеет области дисперсии. Физические основы взаимодействия высокочастотных электромагнитных поH лей с гидратонасыщенными средами. Как было сказано выше, газовый гидрат в Рис. 5. Температурная зависимости тангенса угла диэлектрических потерь чистого гидрата уг* лекислого газа (кривая 1) и гидрата углекислого газа, полученного в модели пористой среды (кривая 2). Частота 30 МГц Рис. 6. Зависимость степени заполнения малых полостей гидрата метана: 1 — гидрата, полу* ченный без поля; 2 — гидрат, полученный в постоянном электрическом поле 50 ISSN 1999�7566. Геология и полезные ископаемые Мирового океана. 2013. № 3 И.Г. Низаева, Ю.Ф.Макогон отношении электромагнитных свойств представляет собой слабо проводящий немагнитный диэлектрик с потерями. Это обусловлено его строением. Газовый гидрат — твердое соединение, в котором молекулы газа при определенных темпера* турах и давлениях заполняют структурные пустоты кристаллической решетки, обра* зованной молекулами воды, являющимися диполями. Чистая вода — диэлектрик и поэтому в свободном состоянии на сверхвысоких частотах имеет область диэлек* трической дисперсии. Так на частоте 23 ГГц мнимая часть комплексной диэлек* трической постоянной ε'' имеет максимум. В гидрате вода находится в связанном состоянии, поэтому происходит смещение дисперсной области, соответствую* щей переориентации дипольных молекул воды, в ВЧ диапазон частот (1—20 МГц) [20]. Молекулы газа, образующие гидрат, связаны с кристаллической решеткой воды Ван*дер*ваальсовскими силами. Эти силы слабее по сравнению с водород* ными связями, удерживающими молекулы воды в решетке. Поэтому область дисперсии, соответствующая переориентации молекул газа, более широкая и вносит гораздо меньший вклад в диэлектрические свойства гидрата. Этот вклад еще меньше, если молекулы газа, образующего гидрат, не являются полярными. Поэтому для достижения максимальной эффективности ВЧ воздействия на гид* ратосодержащий пласт необходимо работать на частотах, соответствующих мак* симуму диэлектрических потерь, соответствующему поляризации молекул воды. Основные положения и соотношения теории поляризации полярной среды под действием периодического электрического поля были сформулированы П. Де* баем [22]. Данная теория вполне правильно описывает особенности ориентаци* онной поляризации дипольных моментов в области дисперсии. Согласно этой теории при наложении поля диполи ориентируются в направлении поля. Для этого требуется определенное время, называемое временем релаксации τp. Если приложенное поле является периодическим с частотой ω и период этого поля 2π/ω больше времени релаксации, то диполи успевают ориентироваться по полю. Если период поля меньше времени релаксации, то ориентация диполей не успе* вает установиться. Следовательно, в области 2π/ω � τp должна наблюдаться за* висимость поляризации от частоты поля и от температуры среды. Именно в этой области частот (в области дисперсии) наблюдаются особенности поляризации и обусловленные ими термогидродинамические процессы при взаимодействии с ЭМ полем. Происходит уменьшение диэлектрической проницаемости, тангенс угла диэлектрических потерь проходит через максимум. В этом случае комплекс* ная диэлектрическая постоянная, так же как и ее действительная и мнимая час* ти, является функцией не только частоты внешнего электромагнитного поля, но и функцией температуры и давления [10, 12]. Как показывает физический анализ и теоретические исследования, электри* ческое и силовое взаимодействие ВЧ ЭМП с такими средами количественно и качественно характеризуется возникновением в ней распределенных по объему сил, моментов сил электромагнитного происхождения и источников тепла. Вы* ражения для этих физических величин приведены в работах [3, 10, 12,]. Постоян* ная распространения ЭМ волн, полученная из уравнений Максвелла для диэлек* трических сред с потерями, является также величиной комплексной, что связано с затуханием ЭМ волн по мере распространения из*за поглощения в рабочей среде, и также зависит от термодинамического состояния среды. А оно с течени* ем времени изменяется из*за преобразования части энергии ЭМВ в тепло. 51ISSN 1999�7566. Геология и полезные ископаемые Мирового океана. 2013. № 3 Воздействие электромагнитных полей на нетрадиционные виды углеводородного сырья Взаимодействие ВЧ ЭМ поля с гидратной средой приводит к изменению термо* динамических характеристик диэлектрика. В работе [10] получено выражение для химического потенциала как функции термодинамических параметров физических величин, обусловленных воздействием внешнего поля. Таким образом, воздействие внешнего поля приводит к изменению химических потенциалов контактирующих сред (например, газа в гидратном состоянии и в свободном состоянии). Это, в свою очередь, приводит к смещению равновесной кривой образования гидрата. Влияние постоянного электрического поля на степень заполнения полостей гаH зового гидрата. В механизме воздействия ВЧ ЭМ поля на диэлектрик можно вы* делить два основных момента. Первый обусловлен поляризационными процес* сами, возникающими при наложении разности потенциалов. Второй момент связан с релаксационными явлениями, имеющими место при смене полярности накладываемой разности потенциалов с частотой ω. Известно, что релаксацион* ные процессы в диэлектриках с потерями приводят к возникновению тепловых источников, то есть к изменению термодинамического состояния среды из*за нагрева. Поэтому представляет интерес, прежде всего, исследовать влияние пос* тоянного электрического поля на процессы образования гидратов, которое прак* тически не изменяет температуру среды. В работе [23] Саяхова Ф.Л. было высказано предположение о влиянии по* стоянного электрического поля на процесс образования газового гидрата и полу* чено выражение для степени заполнения полостей гидрата в присутствии посто* янного электрического поля. На рис. 6. приведены зависимости степени заполнения малых полостей гид* рата метана от давления. Кривая 1 построена по изотерме Ленгмюра для гидрата, полученного в отсутствие поля. Кривая 2 построена в предположении, что гидрат получен в постоянном электрическом поле напряженностью 20 кВ/м. Из рис. видно, что при одном значении давления гидрат, полученный в поле, имеет мень* шую степень заполнения полостей. Газовые гидраты стабильны при степени за* полнения полостей выше некоторого предельного значения, которому соответ* ствует давление диссоциации гидрата. Следовательно, воздействие постоянного электрического поля приводит к увеличению давления диссоциации. Образова* ние гидрата соответственно начинается при большем значении давления. Экспериментальное исследование влияния постоянного электрического поля на процессы образования гидратов. Для подтверждения приведенных теоретических выводов возникла необходимость экспериментального исследования влияния внешнего ВЧ ЭМ поля на процессы образования гидратов. Результаты исследо* ваний приведены в [10, 24]. Для решения поставленной задачи использовалась ячейка визуального на* блюдения, представляющая собой одновременно реакторную камеру и цилинд* рический конденсатор. Напряженность электрического поля в межэлектродном пространстве имела порядок величины, теоретически рассчитанный в работе [12]. При заданных термодинамических условиях в измерительной ячейке выра* щивался газовый гидрат в отсутствии поля в течение заданного времени. При этом отмечалось время появления первых кристаллов, конфигурация и месторас* положение выросших кристаллов. Затем определялось давление диссоциации гидрата. Далее приводился аналогичный эксперимент, но при наличии постоян* ного электрического поля. 52 ISSN 1999�7566. Геология и полезные ископаемые Мирового океана. 2013. № 3 И.Г. Низаева, Ю.Ф.Макогон В отсутствие поля визуально определяемое появление зародышей кристал* лов гидратов начиналось спустя 30—45 минут после создания необходимых тер* модинамических условий. Дальнейший рост газового гидрата приводил к образо* ванию достаточно равномерного по толщине слоя, полностью покрывающего контакт газ—вода. В некоторых случаях наблюдалось образование отдельных на* ростов гидрата на стенках корпуса ячейки, как в жидкой, так и в газовой фазе. В присутствии внешнего поля рост гидрата начинался спустя 2—3 часа. Образова* ние кристаллов происходило только вблизи стенок ячейки на контакте газ—вода и в жидкой фазе. Форма растущих гидратных образований напоминала конусы, основания которых лежали на стенках корпуса, а острые пики были направлены к электроду. Возле центрального электрода, где напряженность поля максималь* на, газовый гидрат не образовывался вообще. На рис. 7 схематично изображен внешний вид гидратов, полученных без поля (слева) и в присутствии постоянно* го электрического поля (справа). Сравнение давлений диссоциации газовых гидратов, образовавшихся в поле и без поля, показало, что наличие поля при неизменной температуре приводит к повышению значения давления диссоциации. В экспериментах, проведенных в статических условиях, это превышение составило около 3 . 105 Па при разности потенциалов 2,5 кВ. На рис 8. представлена фотография образовавшихся кристаллогидратов в постоянном электрическом поле. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Якуцени В.П., Петрова Ю.Э., Суханов А.А. Нетрадиционные ресурсы углеводородов — ре* зерв для восполнения сырьевой базы нефти и газа в России. // Нефтегазовая геология. Те* ория и Практика. — 2009 — (4). — 20 с. 2. Makogon, Y.F., 1982. Perspectives for the development of Gas Hydrate deposits. In: Fourth Canadian Permafrost Conference, Calgary, March 2—6,1981. 3. Makogon, Y.F., 1997. Hydrates of Hydrocarbons. Penn Well, Tusla, USA. — 516 p. 4. Пат.2757738 США, МКИ3 Е 21 В 43/00. Radiation heating system/ H.W.Ritchey. Опубликовано 07.08.56; НКИ 166—39. — 8 с. 5. Хабибуллин И.Л. Научное творчество Саяхова Ф.Л. Физико*химическая гидродинамика. Уфа, 2004. 6. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. — М. : Физматгиз, 1952. Рис. 7. Форма гидратных образований, полученных без поля (а) и при наличии поля (б): 1 — центральный электрод; 2 — гидрат; 3 — вода; 4 — газ Рис. 8. Газовые гидраты, полученные в постоянном электрическом поле 53ISSN 1999�7566. Геология и полезные ископаемые Мирового океана. 2013. № 3 Воздействие электромагнитных полей на нетрадиционные виды углеводородного сырья 7. Макогон Ю.Ф., Саяхов Ф.Л., Хабибуллин И.Л. Способ добычи нетрадиционных видов углево* дородного сырья // Доклады АН СССР. 1989. — Т. 306. — №4. — С. 941—943. 8. Саяхов Ф.Л., Фатыхов М.А., Насыров Н.М. Исследования разложения гидрата в высокочас* тотном электромагнитном поле // Межд. конф. Разработка газоконденсатных месторожде* ний. Секция 6. Фундаментальные и поисковые исследования: Тез. докл. — Краснодар, 1990. — С. 37—41. 9. Хабибуллин И.Л., Насыров Н.М. Математическое моделирование диссоциации газовых гид* ратов в переменном электромагнитном поле // Математический X Всесоюзный семинар «Фильтрация многофазных систем». Новосибирск. 1991. — С. 91—95. 10. Низаева И.Г. Теплофизические особенности взаимодействия высокочастотного электромаг* нитного поля с газогидратной средой. Диссертация канд. Физ.*мат. Наук. Уфа, 1995. — 170 с. 11. Насыров Н.М., Низаева И.Г., Саяхов Ф.Л. Математическое моделирование явлений тепло* массопереноса в газогидратных залежах в высокочастотном электромагнитном поле // Прикладная механика и техническая физика. 1997. — Т. 38. — № 6. — С. 93—104. 12. Саяхов Ф.Л., Багаутдинов Н.Я.. Электротепловые методы воздействия на гидратофарафино* вые отложения. — М.: ООО «Недра*Бизнес*центр», 2003. —119 с. 13. Nizaeva I., Khabibullin I., Makogon Y. Physical bases for the extraction of gas from a gas hydrate accumulation under the effect of a powerful high*frequency electromagnetic field. In: Proceedings of the 6th International Conference on Gas Hydrates (ICGH 2008), Vancouver, British Columbia, CANADA, 2008. 14. Davidson, D.W. «Clathrate Hydrates», in Water // A Comprehensive Treatise, Plenum Press, New York, 2, Chap. 3, 115 (1973). 15. Gough S.R., Hawkins R.E., Morris B., Davidson D.W. Dielectric properties of some clatrate hydrates of structure II. // J. of Phys, Chem. — 1973. — V. 77, № 5. — P. 2969—2976. 16. Davidson D.W., Wilson G.I. The low*frequency dielectric properties of ethylene oxide and ethylene oxide hydrate. Canad. // J. of Chem. 1963. — V. 41. — № 6. — P. 1424—1434. 17. Hawkins R.E., Davidson D.W. Dielectric relaxation in clatrate hydrates of same cyclic ethers // J. of Phys. Chem. 1966. — V. 30. — № 6. — P. 1889—1894. 18. Harvey K.D., Court Mc. F.R., Shurvell H.G. Infrared absorption of the SO2 clatrate hydrate motion on the SO2 molecule // Canad. J, of Chem. 1964. — V. 42. — P. 960—963. 19. Child W.C. Molecular interactions of clathrates: A comparison with others condensed phases // Quart. Rev. Chem. Soc. 1964. — V.18. — P. 321—346. 20. Davidson, D.W., et al. 1986. Laboratory analysis of a naturally occurring gas hydrate from sediment of the Gulf of Mexico. Geochim., Cosmochim. Acta. 50 : 619—623. 21. Фатыхов М.А., Саяхов Ф.Л., Макогон Ю.Ф. Результаты исследования диэлектрических свойств газового гидрата пропана // Тр. ЭИВНИИЭгазпрома. Сер. Подготовка, переработ* ка и использование газа. — 1990. — Выпуск 2. — С. 4—6. 22. Дебай П., Закк Г. Теория электрических свойств молекул. 1936. — 144 с. 23. Назмутдинов Ф.Ф., Саяхов Ф.Л. Расчет фазовых равновесий газовых гидратов в электромаг* нитном поле // XIII школа*семинар по проблемам трубопроводного транспорта. — Уфа, 1990. — С. 48—49. 24. Nizaeva I. Experimental investigation of the impact of electric field on gas hydrate formation. Proceedings of the 7th International Conference on Gas Hydrates (ICGH 2011), Edinburgh, Scotland, United Kingdom, July 17—21, 2011. Статья поступила 14.05. 2013 І.Г. Назаєва, Ю.Ф. Макогон ВПЛИВ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ПОЛІВ НА НЕТРАДИЦІЙНІ ВИДИ ВУГЛЕВОДНЕВОЇ СИРОВИНИ У роботі розглядається можливість використання електромагнітних полів для розробки нетра* диційних видів вуглеводневої сировини, зокрема, газових гідратів. Дано огляд робіт, присвяче* них діелектричним властивостям газових гідратів. Наведено деякі результати наукових досліджень з даної проблеми, отримані групою вчених Башкирського державного університету 54 ISSN 1999�7566. Геология и полезные ископаемые Мирового океана. 2013. № 3 И.Г. Низаева, Ю.Ф.Макогон під керівництвом професора Ф.Л. Саяхова. Порушено питання теоретичного та експеримен* тального вивчення впливу постійного електричного поля на кінетику утворення гідратів. Ключові слова: газові гідрати, діелектричні властивості, високочастотне електромагнітне поле. I Nizaeva, Y Makogon INFLUENCE OF ELECTROMAGNETIC FIELDS ON UNCONVENTIONAL FORMS OF CRUDE HYDROCARBONS The paper considers the possibility of the use of electromagnetic fields for the development of uncon* ventional hydrocarbon resources, particularly gas hydrates. An overview of the studies dedicated to the dielectric properties of the gas hydrates is provided along with some research results on this scientific problem carried out by the group of scientists of Bashkir state University under the direction of Professor Sayakhov F.L. Besides, the paper touches upon the problem of theoretical and experimental investigations of the influence of a constant electric field on the kinetics of hydrate formation. Keywords: gas hydrates, dielectric properties, high*frequency electromagnetic field.