Моделирование закачки водорода в ПХГ
Сафарова Е.А., Лесин В.И.
Институт проблем нефти и газа РАН
С целью создания методики моделирования воздействия гидростатического давления на изменения физико-химических свойств водных растворов, вызванных течением через пористое пространство, исследованы изменения: концентрации ионов водорода — Ph, величины окислительно-восстановительного (редокс) потенциала — Eh, размеров агрегатов коллоидных частиц как под действием колебаний давления акустического диапазона частот, так и под действием химического реагента — водорода.
Экспериментально установлено, что кратковременное акустическое воздействие на водный раствор (пластовая вода щигровского горизонта Щелковского ПХГ) инициирует процессы снижения Eh и роста Ph, выпадение в твердую фазу частиц, содержащих оксиды железа и растворенные в воде соли; предельные значения Eh и Ph достигаются через несколько часов после прекращения воздействий в результате выпадения в осадок коллоидных частиц.
Проведенные исследования обосновывают использование высокочастотных колебаний давления для моделирования процессов, сопровождающих течение водных растворов в пористой среде под действием давления, создаваемого газом в процессах отбора и заполнения подземного хранилища.
Экспериментально установлено, что кратковременное акустическое воздействие на водный раствор (пластовая вода щигровского горизонта Щелковского ПХГ) инициирует процессы снижения Eh и роста Ph, выпадение в твердую фазу частиц, содержащих оксиды железа и растворенные в воде соли; предельные значения Eh и Ph достигаются через несколько часов после прекращения воздействий в результате выпадения в осадок коллоидных частиц.
Проведенные исследования обосновывают использование высокочастотных колебаний давления для моделирования процессов, сопровождающих течение водных растворов в пористой среде под действием давления, создаваемого газом в процессах отбора и заполнения подземного хранилища.
Введение
В настоящее время на модельных объектах исследуются физико-химические явления, которые могут сопровождать процессы, связанные с подземным хранением как водорода, так и смеси водорода с метаном и углекислым газом. Для прямого моделирования процессов закачки газа необходимо использование взрывоопасных лабораторных установок, работающих при давлениях в диапазоне нескольких десятков единиц МПа, что требует специальной аппаратуры и особых условий ее размещения для проведения экспериментов.
Известно, что течение коллоидных растворов, включая водные растворы и нефть, через капилляры и пористые среды сопровождается возникновением в жидкости электрического поля E и, как следствие, «потенциала течения» — разности потенциалов ΔU (E = ΔU/Δx), которые пропорциональны градиенту давления P — ΔР/Δx [1]:
где к = const, E — средняя напряженность электрического поля в интервале Δx.
В случае, когда жидкий раствор в капилляре подвергается акустическому воздействию, создаваемому колебаниями давления P с частотой ω – P = Pоsin (ωt – kx), уравнение (1)
приобретает вид [2]:
где ω — частота вибрационных колебаний, х — расстояние от источника давления,
k — волновое число, К = εεоζ/ησ ε — диэлектрическая проницаемость воды, εо — вакуумная постоянная, ζ — дзета потенциал коллоидной частицы, η — вязкость, σ — проводимость раствора. Типичные значения К для течения в горных породах лежат в диапазоне 10÷50 мВ/МПа [3].
Из (1) и (2) следует, что в коллоидном растворе, поскольку divE~ρ (где ρ плотность электрического заряда), как под действием постоянного градиента давления, так и под действием колебаний давления, возникают объемы жидкости, обладающие ненулевыми зарядами, в которых возникают условия протекания химических реакций невозможных в электрически нейтральной среде при низкой температуре. За счет появления объемных зарядов возникают объемные силы Eρ, создающие локальный градиент давления, изменяющий скорость движения жидкости. Такие электрические поля возникают в результате смещений диффузного слоя ионов относительно заряженной коллоидной частицы и/или агрегата коллоидных частиц [4].
Агрегаты коллоидных частиц обладают фрактальным строением, содержат в своем составе коллоидные частицы и растворенные в водных прослойках между частицами ионы. Агрегаты формируются уже при объемной концентрации 10-5 % весовых, разрушаются на фрагменты как под действием течения жидкости, так и под действием внешних электромагнитных полей [5–7].
Течение коллоидных растворов воды и нефти, как в пористом пространстве, так и в трубопроводах, сопровождается возникновением электрических полей и волн плотности электрических зарядов, представляющих движущиеся электрически заряженные объемы жидкости [7, 8]. За счет взаимного притяжения электрических зарядов повышается локальное гидростатическое давление, возникают градиенты давления, направленные против течения, которые компенсируются силами Стокса, вызываемыми обтеканием вязкой жидкостью коллоидных частиц. Изменения электрического потенциала, вызванные течением через пористую среду уже при градиентах давления порядка 0,3 атм/м водяного столба, могут достигать величин порядка 0,1В–1В [7].
Известно, что течение коллоидных растворов, включая водные растворы и нефть, через капилляры и пористые среды сопровождается возникновением в жидкости электрического поля E и, как следствие, «потенциала течения» — разности потенциалов ΔU (E = ΔU/Δx), которые пропорциональны градиенту давления P — ΔР/Δx [1]:
E=ΔU/Δx=к×(ΔР/Δx) (1),
где к = const, E — средняя напряженность электрического поля в интервале Δx.
В случае, когда жидкий раствор в капилляре подвергается акустическому воздействию, создаваемому колебаниями давления P с частотой ω – P = Pоsin (ωt – kx), уравнение (1)
приобретает вид [2]:
E(ω)=(ΔU/Δx)(ω)=К∙(ΔР/Δx) (ω),
или ΔU=КΔР (2),
где ω — частота вибрационных колебаний, х — расстояние от источника давления,
k — волновое число, К = εεоζ/ησ ε — диэлектрическая проницаемость воды, εо — вакуумная постоянная, ζ — дзета потенциал коллоидной частицы, η — вязкость, σ — проводимость раствора. Типичные значения К для течения в горных породах лежат в диапазоне 10÷50 мВ/МПа [3].
Из (1) и (2) следует, что в коллоидном растворе, поскольку divE~ρ (где ρ плотность электрического заряда), как под действием постоянного градиента давления, так и под действием колебаний давления, возникают объемы жидкости, обладающие ненулевыми зарядами, в которых возникают условия протекания химических реакций невозможных в электрически нейтральной среде при низкой температуре. За счет появления объемных зарядов возникают объемные силы Eρ, создающие локальный градиент давления, изменяющий скорость движения жидкости. Такие электрические поля возникают в результате смещений диффузного слоя ионов относительно заряженной коллоидной частицы и/или агрегата коллоидных частиц [4].
Агрегаты коллоидных частиц обладают фрактальным строением, содержат в своем составе коллоидные частицы и растворенные в водных прослойках между частицами ионы. Агрегаты формируются уже при объемной концентрации 10-5 % весовых, разрушаются на фрагменты как под действием течения жидкости, так и под действием внешних электромагнитных полей [5–7].
Течение коллоидных растворов воды и нефти, как в пористом пространстве, так и в трубопроводах, сопровождается возникновением электрических полей и волн плотности электрических зарядов, представляющих движущиеся электрически заряженные объемы жидкости [7, 8]. За счет взаимного притяжения электрических зарядов повышается локальное гидростатическое давление, возникают градиенты давления, направленные против течения, которые компенсируются силами Стокса, вызываемыми обтеканием вязкой жидкостью коллоидных частиц. Изменения электрического потенциала, вызванные течением через пористую среду уже при градиентах давления порядка 0,3 атм/м водяного столба, могут достигать величин порядка 0,1В–1В [7].
В работе [9] на основе анализа экспериментальных результатов был сделан вывод о том, что: «циклическая смена термобарических воздействий приводит к изменению окислительно-восстановительных условий в системе “порода — поровые воды” и сопровождается повышением реакционной способности кальция, магния, серы, железа». Многократный циклический рост и падение давления на образцах глин и аргиллитов сопровождались в поровых водах ростом Ph на 1÷2 единицы, минерализации, концентрации органического углерода, концентрации Fe2+, а также снижением концентрации Fe3+ в минералах.
Проведенные в [10] исследования обосновали «использование электрических полей для моделирования процессов, сопровождающих эксплуатацию подземных хранилищ, расположенных в водоносных пластах»; электрическое воздействие привело к снижению Eh и росту Ph, выпадению в осадок растворенных веществ из водного раствора.
Использование электродов для создания электрических полей может сопровождаться их растворением, что может вносить определенный вклад в изменение физико-химических характеристик объекта, поэтому целью данного исследования стала замена прямого электрического воздействия на косвенное, возникающее при акустических колебаниях давления (вибровоздействии) на водный раствор, поскольку такого типа воздействия широко применяются в качестве технических средств для очистки поровых каналов горной породы от твердых механических примесей [2].
В [11] авторы показали, что снижение Eh и рост Ph после перемешивания водных растворов вызваны диссоциацией «микродисперсной фазы» и ее повторным образованием через несколько часов после прекращения перемешивания.
На основании результатов, полученных в [4, 7, 10, 11], в данной работе в качестве физико-химических характеристик водных растворов были приняты: водородный показатель — Ph, окислительно-восстановительный (редокс) потенциал — Eh, размеры и концентрация механических примесей.
Проведенные в [10] исследования обосновали «использование электрических полей для моделирования процессов, сопровождающих эксплуатацию подземных хранилищ, расположенных в водоносных пластах»; электрическое воздействие привело к снижению Eh и росту Ph, выпадению в осадок растворенных веществ из водного раствора.
Использование электродов для создания электрических полей может сопровождаться их растворением, что может вносить определенный вклад в изменение физико-химических характеристик объекта, поэтому целью данного исследования стала замена прямого электрического воздействия на косвенное, возникающее при акустических колебаниях давления (вибровоздействии) на водный раствор, поскольку такого типа воздействия широко применяются в качестве технических средств для очистки поровых каналов горной породы от твердых механических примесей [2].
В [11] авторы показали, что снижение Eh и рост Ph после перемешивания водных растворов вызваны диссоциацией «микродисперсной фазы» и ее повторным образованием через несколько часов после прекращения перемешивания.
На основании результатов, полученных в [4, 7, 10, 11], в данной работе в качестве физико-химических характеристик водных растворов были приняты: водородный показатель — Ph, окислительно-восстановительный (редокс) потенциал — Eh, размеры и концентрация механических примесей.
Экспериментальная часть
В качестве объектов акустического воздействия ультразвуковой частоты (УЗ колебаниями) была использована пластовая вода, отобранная из скважины Щелковского подземного хранилища метана. В водном растворе содержались примеси около 40 низкомолекулярных органических соединений (спирты, алкены, кетоны кислоты в концентрациях порядка долей и нескольких единиц микрограммов). Общая минерализация (сухой остаток) в воде составляла 135 г/л, концентрация H2CO3 составляла 59 мг/л, концентрация NaCl — 131 г/л в пересчете на Cl-, SO4 — 1 585 мг/л,
K — 802 мг/л, Ca — 6 932 мг/дм3, железо общее Fe — 19,9 мг/л. Помимо вышеперечисленных в качестве примесей в воде присутствовали другие минеральные соли и растворенные органические вещества, составляя в сумме не более 135 г/л сухих веществ в качестве примесей (состав водного раствора приведен в [10]).
После извлечения из скважины водный раствор хранился в открытой для наземной атмосферы емкости, в которой примерно за 8 часов хранения выделились коллоидные частицы трехвалентного железа красно-коричневого цвета, что свидетельствовало о том, что в исходном растворе железо присутствовало в восстановленной двухвалентной форме растворенных в воде соединений. Находясь в контакте с атмосферным воздухом, в котором присутствуют окислители в виде O2 и СO2, двухвалентное железо окисляется до трехвалентного, что сопровождается формированием коллоидных частиц, представляющих нерастворимые в воде оксиды железа c примесями органических веществ. Такие коллоидные частицы, обладающие электрическими зарядами, образуют состоящие из сотен тысяч частиц коллективные структуры фрактального строения — фрактальные агрегаты — ФА [5, 7], которые захватывают из раствора ионы для снижения сил отталкивания между электрически заряженными коллоидными частицами.
На рисунке 1 показаны изображения частиц в водном растворе до и после проведения процедуры УЗ обработки.
K — 802 мг/л, Ca — 6 932 мг/дм3, железо общее Fe — 19,9 мг/л. Помимо вышеперечисленных в качестве примесей в воде присутствовали другие минеральные соли и растворенные органические вещества, составляя в сумме не более 135 г/л сухих веществ в качестве примесей (состав водного раствора приведен в [10]).
После извлечения из скважины водный раствор хранился в открытой для наземной атмосферы емкости, в которой примерно за 8 часов хранения выделились коллоидные частицы трехвалентного железа красно-коричневого цвета, что свидетельствовало о том, что в исходном растворе железо присутствовало в восстановленной двухвалентной форме растворенных в воде соединений. Находясь в контакте с атмосферным воздухом, в котором присутствуют окислители в виде O2 и СO2, двухвалентное железо окисляется до трехвалентного, что сопровождается формированием коллоидных частиц, представляющих нерастворимые в воде оксиды железа c примесями органических веществ. Такие коллоидные частицы, обладающие электрическими зарядами, образуют состоящие из сотен тысяч частиц коллективные структуры фрактального строения — фрактальные агрегаты — ФА [5, 7], которые захватывают из раствора ионы для снижения сил отталкивания между электрически заряженными коллоидными частицами.
На рисунке 1 показаны изображения частиц в водном растворе до и после проведения процедуры УЗ обработки.
Рис. 1. Микрофотографии (шкала 200 мкм) частиц водного раствора: а — до вибровоздействия; б — после вибровоздействия; в — после осаждения
Исходный раствор был подвергнут обработке вибровоздействием в течение 20 мин. при температуре 21 °С. На рисунке 1 показаны микрофотографии частиц, находившихся в растворе до вибровоздействия (рис. 1а) и после вибровоздействия (рис. 1б).
Сравнение фотоизображений показывает, что после обработки вибровоздействием произошло разрушение ФА: исчезли ФА с размерами более 1 мкм, что вызвало рост Ph и снижение Eh.
До вибровоздействия количество ФА n в единице объема составляло n = 160+/-12, Ph = 4,97,
Eh = 225 мВ; после обработки — n = 60+/-8, Ph = 5,7, Eh = 157 мВ.
Через 24 часа количество ФА возросло до n = 195+/-14, Ph = 6,16 , Eh = 214 mВ.
Через 50 часов стало Eh = 160 мВ, Ph = 6,3, произошло осаждение коллоидных частиц размерами более 1 мкм, что демонстрирует микрофотография (рис. 1в), на которой не было зарегистрировано частиц с размерами более 1 мкм.
Для моделирования воздействия водорода через водный раствор продувался водород, после чего на него осуществляли акустическое воздействие.
После продувки водородом было зарегистрировано снижение Eh c Eh = 200 мВ до Eh = 28 мВ. Кратковременное акустическое воздействие на раствор сопровождалось процессом снижения Eh и ростом Ph во времени (рис. 2, 3).
Сравнение фотоизображений показывает, что после обработки вибровоздействием произошло разрушение ФА: исчезли ФА с размерами более 1 мкм, что вызвало рост Ph и снижение Eh.
До вибровоздействия количество ФА n в единице объема составляло n = 160+/-12, Ph = 4,97,
Eh = 225 мВ; после обработки — n = 60+/-8, Ph = 5,7, Eh = 157 мВ.
Через 24 часа количество ФА возросло до n = 195+/-14, Ph = 6,16 , Eh = 214 mВ.
Через 50 часов стало Eh = 160 мВ, Ph = 6,3, произошло осаждение коллоидных частиц размерами более 1 мкм, что демонстрирует микрофотография (рис. 1в), на которой не было зарегистрировано частиц с размерами более 1 мкм.
Для моделирования воздействия водорода через водный раствор продувался водород, после чего на него осуществляли акустическое воздействие.
После продувки водородом было зарегистрировано снижение Eh c Eh = 200 мВ до Eh = 28 мВ. Кратковременное акустическое воздействие на раствор сопровождалось процессом снижения Eh и ростом Ph во времени (рис. 2, 3).
Рис. 2. График изменений Eh в ходе эксперимента по воздействию УЗ колебаниями на водный раствор
Рис. 3. График изменений Ph в ходе эксперимента по воздействию УЗ колебаниями на водный раствор
На рисунках 4а и 4б показаны микрофотографии капель этого раствора, полученных до и после процедуры акустического воздействия. Фотографии показывают, что коллективные структуры, образованные коллоидными частицами, разрушились после акустического воздействия в течение 4,5 мин.
Исходная величина Eh раствора составляла +28 мВ, что находится в интервале значений 0÷100 мВ, соответствующем окислительно-восстановительным свойствам. Акустическое воздействие оказывалось в течение 1,5 мин. и прекращалось после достижения раствором температуры 23 °С, после чего производилось измерение параметров раствора. После достижения Eh = -19 мВ
акустическое воздействие было прекращено, образец находился в покое, наблюдался процесс осаждения взвешенных в растворе частиц, производились измерения Eh и Ph. На рисунках 2 и 3 показаны данные измерений Eh и Ph, полученные в ходе эксперимента.
Исходная величина Eh раствора составляла +28 мВ, что находится в интервале значений 0÷100 мВ, соответствующем окислительно-восстановительным свойствам. Акустическое воздействие оказывалось в течение 1,5 мин. и прекращалось после достижения раствором температуры 23 °С, после чего производилось измерение параметров раствора. После достижения Eh = -19 мВ
акустическое воздействие было прекращено, образец находился в покое, наблюдался процесс осаждения взвешенных в растворе частиц, производились измерения Eh и Ph. На рисунках 2 и 3 показаны данные измерений Eh и Ph, полученные в ходе эксперимента.
Рис. 4. Фотография образца водного раствора: а — УЗ воздействия (шкала 200 мкм); б —после УЗ воздействия (шкала 50 мкм)
Из графиков видно, что после прекращения акустического воздействия снижение Eh и рост Ph, вызванные колебаниями давления, продолжились во времени. Через 24 часа раствор приобрел значительный восстановительный потенциал Eh = -162 мВ (рис. 2), величина Ph раствора выросла с Ph = 5,7 до Ph = 6,35, что соответствует снижению концентрации в водном растворе ионов H+, обладающих окислительными свойствами, и росту концентрации ионов OH-, обладающих восстановительными свойствами. При дальнейшем наблюдении было обнаружено, что за счет окисления водного раствора в результате диффузии О2 и СО2 при продолжении хранения образца в контакте с воздухом Eh возрос до Eh = -144 мВ.
После ультразвукового воздействия средние размеры частиц, имевшие характерную для фрактальных агрегатов форму, уменьшились в размерах с 50÷60 мкм до 5÷10 мкм. Ультразвуковое воздействие при температуре 22 °С сопровождалось снижением Eh с 28 мВ до Eh = -4 мВ и ростом рН. После прекращения воздействия падение Eh продолжалось и достигло предельного значения -160 мВ за 20 час.
При измерении Eh и Ph в ходе эксперимента отмечался слабый дрейф сигналов Eh и Ph, что свидетельствовало о присутствии электрически заряженных коллоидных частиц, обладающих низким коэффициентом диффузии, вследствие чего первичное значение сигнала изменялось за счет процесса движения частиц к детектору.
После ультразвукового воздействия средние размеры частиц, имевшие характерную для фрактальных агрегатов форму, уменьшились в размерах с 50÷60 мкм до 5÷10 мкм. Ультразвуковое воздействие при температуре 22 °С сопровождалось снижением Eh с 28 мВ до Eh = -4 мВ и ростом рН. После прекращения воздействия падение Eh продолжалось и достигло предельного значения -160 мВ за 20 час.
При измерении Eh и Ph в ходе эксперимента отмечался слабый дрейф сигналов Eh и Ph, что свидетельствовало о присутствии электрически заряженных коллоидных частиц, обладающих низким коэффициентом диффузии, вследствие чего первичное значение сигнала изменялось за счет процесса движения частиц к детектору.
Статья написана в рамках выполнения бюджетного задания № 125020501406-8 (FMME-2025-0011) по теме «Геологическое обоснование оптимальных условий природной и индуцированной внутрипластовой генерации водорода и его подземного хранения в истощенных месторождениях УВ и соляных структурах».
Полученные экспериментальные результаты позволяют сделать вывод о том, что изменения физико-химических параметров водного раствора являются следствием воздействия на коллоидную составляющую, присутствующую как в виде агрегатов коллоидных частиц фрактального строения — ФА, так и в виде отдельных коллоидных частиц. ФА представляют агрегаты электрически положительно заряженных коллоидных частиц оксидов трехвалентного железа с примесями других соединений и, вероятно, коллоидных частиц, не содержащих железо.
Агрегаты могут быть разрушены силами напряжений сдвига, вызываемыми течением жидкости под действием градиента скорости, вызванным как переменным, так и стационарным давлением. Напряжение сдвига, возникающее при акустических колебаниях, вызывает разрушение агрегата на фрагменты, представляющие как отдельные коллоидные частицы, так небольшие группы коллоидных частиц [7], что сопровождается появлением в растворе захваченных ФА ионов, в том числе OH-, понижающих величину Eh и повышающих величину Ph.
Отметим, что разрушение агрегатов сопровождается изменением во времени проводимости σ, дзета потенциала ζ, поэтому и константа К в формуле (2) также будет зависеть от времени в случае, когда в растворе присутствуют агрегаты коллоидных частиц.
Разрушение агрегатов возможно как за счет изменения заряда, так и за счет изменения химического состава коллоидных частиц под действием активных реагентов, к которым относится водород. В [12] было экспериментально показано, что коллоидные частицы оксида железа Fe2O3 в присутствии газов водорода H2 в водном растворе образуют частицы магнетита коричневого цвета Fe3O4 (Fe2O3 + H2 ↔ 2Fe3O4 + H2O), который выпадает в осадок совместно с другими соединениями, содержащимися в растворе, что и наблюдалось в приведенном в данной статье эксперименте.
Полученные экспериментальные результаты показывают, что как вибрационное воздействие, так присутствие водорода в растворе вызывают рост Ph (снижение
концентрации H+), что соответствует росту величины Ph, наблюдавшемуся в [9] при циклическом повышении давления в диапазоне нескольких десятков МПа, приводящего к вытеснению водных растворов из порового пространства. Вытеснение — течение водных растворов в поровом пространстве вызывало растворение Fe3+ и появление в растворе восстановленной формы железа Fe2+, что сопровождалось ростом Ph [9].
Характерные времена изменений Eh и Ph, полученные в работе, соответствуют скоростям процессов разрушения-формирования коллективных структур коллоидных частиц — агрегатов фрактального строения [5, 6], в том числе в аналогичных по составу водных растворах, содержащих примеси коллоидных частиц железа. Такие агрегаты присутствовали в исследованных растворах и разрушались на мелкие фрагменты в результате акустического воздействия. Как видно из рисунка 1, акустическое воздействие разрушает агрегаты коллоидных частиц, увеличивая поверхность контакта жидкость — коллоидная частица. Такое воздействие сопровождается повышением концентрации ионов, захваченных агрегатами [7], что проявляется в изменениях Eh и Ph.
В обзоре [13] отмечено сходство результатов электрохимической и УЗ деструкции растворенных в воде органических веществ. Это связано с тем, что как при УЗ воздействии в присутствии частиц соединений железа, так и при электровоздействии с использованием железных электродов в водном растворе возникают объемные электрические заряды и происходят электрохимические процессы, приводящие к образованию перекиси водорода и активным формам кислорода, вызывающим деструкцию органического вещества до H2O и CO2, что сопровождается осаждением Fe(OH)3 совместно с захваченными окислителями-радикалами.
Агрегаты могут быть разрушены силами напряжений сдвига, вызываемыми течением жидкости под действием градиента скорости, вызванным как переменным, так и стационарным давлением. Напряжение сдвига, возникающее при акустических колебаниях, вызывает разрушение агрегата на фрагменты, представляющие как отдельные коллоидные частицы, так небольшие группы коллоидных частиц [7], что сопровождается появлением в растворе захваченных ФА ионов, в том числе OH-, понижающих величину Eh и повышающих величину Ph.
Отметим, что разрушение агрегатов сопровождается изменением во времени проводимости σ, дзета потенциала ζ, поэтому и константа К в формуле (2) также будет зависеть от времени в случае, когда в растворе присутствуют агрегаты коллоидных частиц.
Разрушение агрегатов возможно как за счет изменения заряда, так и за счет изменения химического состава коллоидных частиц под действием активных реагентов, к которым относится водород. В [12] было экспериментально показано, что коллоидные частицы оксида железа Fe2O3 в присутствии газов водорода H2 в водном растворе образуют частицы магнетита коричневого цвета Fe3O4 (Fe2O3 + H2 ↔ 2Fe3O4 + H2O), который выпадает в осадок совместно с другими соединениями, содержащимися в растворе, что и наблюдалось в приведенном в данной статье эксперименте.
Полученные экспериментальные результаты показывают, что как вибрационное воздействие, так присутствие водорода в растворе вызывают рост Ph (снижение
концентрации H+), что соответствует росту величины Ph, наблюдавшемуся в [9] при циклическом повышении давления в диапазоне нескольких десятков МПа, приводящего к вытеснению водных растворов из порового пространства. Вытеснение — течение водных растворов в поровом пространстве вызывало растворение Fe3+ и появление в растворе восстановленной формы железа Fe2+, что сопровождалось ростом Ph [9].
Характерные времена изменений Eh и Ph, полученные в работе, соответствуют скоростям процессов разрушения-формирования коллективных структур коллоидных частиц — агрегатов фрактального строения [5, 6], в том числе в аналогичных по составу водных растворах, содержащих примеси коллоидных частиц железа. Такие агрегаты присутствовали в исследованных растворах и разрушались на мелкие фрагменты в результате акустического воздействия. Как видно из рисунка 1, акустическое воздействие разрушает агрегаты коллоидных частиц, увеличивая поверхность контакта жидкость — коллоидная частица. Такое воздействие сопровождается повышением концентрации ионов, захваченных агрегатами [7], что проявляется в изменениях Eh и Ph.
В обзоре [13] отмечено сходство результатов электрохимической и УЗ деструкции растворенных в воде органических веществ. Это связано с тем, что как при УЗ воздействии в присутствии частиц соединений железа, так и при электровоздействии с использованием железных электродов в водном растворе возникают объемные электрические заряды и происходят электрохимические процессы, приводящие к образованию перекиси водорода и активным формам кислорода, вызывающим деструкцию органического вещества до H2O и CO2, что сопровождается осаждением Fe(OH)3 совместно с захваченными окислителями-радикалами.
В работе показано, что как кратковременное воздействие акустическими колебаниями, так и введение в раствор газа восстановителя — водорода сопровождаются сходными изменениями физико-химических свойств водного раствора, что является следствием разрушения-формирования-выпадения в осадок дисперсной фазы раствора. Это позволяет производить предварительную оценку рисков потерь водорода в процессе эксплуатации подземных водоносных геологических структур, используя любое из вышеперечисленных воздействий.
Окисление железа до трехвалентного состояния после контакта с атмосферным воздухом показывает, что водный раствор в подземном хранилище метана обладает восстановительными свойствами, вследствие чего в водном растворе железо присутствует в форме Fe2+.
Окисление железа до трехвалентного состояния после контакта с атмосферным воздухом показывает, что водный раствор в подземном хранилище метана обладает восстановительными свойствами, вследствие чего в водном растворе железо присутствует в форме Fe2+.
1. Комаров В.А. Геоэлектрохимия. СПб.: Санкт-Петербургский университет, 1994. 136 с.
2. Шафарец Б.П. Реализация приемной антенны на механизме электрокинетического явления «потенциал течения» // Научное приборостроение. 2019. Т. 29. № 2. С. 103–108.
3. Барабанов В.Л. Прикладная механика электрокинетических явлений проницаемых пористых песчаников по данным лабораторных
экспериментов // Актуальные проблемы нефти и газа. 2018. № 1. 24 с.
4. Лесин В.И. Волны плотности электрических зарядов при течении жидких коллоидных растворов // Нефтяное хозяйство. 2005. № 4. С. 124–126.
5. Sonntag R.C., Russel W.B. Structure and breakup of flocs subjected to fluid stresses: I. Shear experiments. Journal of Colloid and Interface Science, 1986, Vol. 113, issue 2, P. 399–413. (In Eng).
6. Ролдугин В.И. Свойства фрактальных дисперсных систем // Успехи химии. 2003. Т. 72. № 11. С. 102–105.
7. Лесин В.И. Роль коллоидных частиц в воздействии электромагнитных полей и напряжений сдвига на вязкость и фильтрацию нефти и воды // Технологии нефти и газа. 2024. № 1. С. 34–39.
8. Газимов М.Г., Максутов Р.А., Кадеев К.М. Электризация при освоении и эксплуатации скважин. Казань: Татарское книжное издательство,
1972. 80 с.
9. Абукова Л.А., Абрамова О.П. Прогноз гидрогеохимических эффектов в глинистых флюидоупорах при подземном хранении водорода с метаном // Георесурсы. 2021. Т. 23. № 1. С. 118–126.
10. Сафарова Е.А., Лесин В.И. Применение метода электровоздействия на водные растворы как способ моделирования процессов, сопровождающих подземное хранение водорода // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. 2024. № 12. С. 65–69.
11. Яхно Т.А., Яхно В.Г. Исследование роли микродисперсной фазы воды при переходе ее в состояние активации // Актуальные вопросы биологической физики и химии. 2020. Т. 5. № 1. С. 43–51.
12. Pathak A., Bowman S., Sharma S. Modeling impacts of Fe activity and H2 partial pressure on hydrogen storage in shallow subsurface reservoirs. Aquatic Geochemistry, 2024, Vol. 30, P. 73–92. (In Eng).
13. Харламова Т.А., Колесников А.В., Алафердов А.Ф., Сарбаева М.Т., Гайдукова А.М. Перспективные электрохимические процессы в технологиях обезвреживания сточных вод. II. Электрохимическая деструкция органических веществ; использование электролиза в технологии очистки воды // Гальванотехника и обработка поверхности. 2013. Т. 21. № 3. С. 55–62.
2. Шафарец Б.П. Реализация приемной антенны на механизме электрокинетического явления «потенциал течения» // Научное приборостроение. 2019. Т. 29. № 2. С. 103–108.
3. Барабанов В.Л. Прикладная механика электрокинетических явлений проницаемых пористых песчаников по данным лабораторных
экспериментов // Актуальные проблемы нефти и газа. 2018. № 1. 24 с.
4. Лесин В.И. Волны плотности электрических зарядов при течении жидких коллоидных растворов // Нефтяное хозяйство. 2005. № 4. С. 124–126.
5. Sonntag R.C., Russel W.B. Structure and breakup of flocs subjected to fluid stresses: I. Shear experiments. Journal of Colloid and Interface Science, 1986, Vol. 113, issue 2, P. 399–413. (In Eng).
6. Ролдугин В.И. Свойства фрактальных дисперсных систем // Успехи химии. 2003. Т. 72. № 11. С. 102–105.
7. Лесин В.И. Роль коллоидных частиц в воздействии электромагнитных полей и напряжений сдвига на вязкость и фильтрацию нефти и воды // Технологии нефти и газа. 2024. № 1. С. 34–39.
8. Газимов М.Г., Максутов Р.А., Кадеев К.М. Электризация при освоении и эксплуатации скважин. Казань: Татарское книжное издательство,
1972. 80 с.
9. Абукова Л.А., Абрамова О.П. Прогноз гидрогеохимических эффектов в глинистых флюидоупорах при подземном хранении водорода с метаном // Георесурсы. 2021. Т. 23. № 1. С. 118–126.
10. Сафарова Е.А., Лесин В.И. Применение метода электровоздействия на водные растворы как способ моделирования процессов, сопровождающих подземное хранение водорода // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. 2024. № 12. С. 65–69.
11. Яхно Т.А., Яхно В.Г. Исследование роли микродисперсной фазы воды при переходе ее в состояние активации // Актуальные вопросы биологической физики и химии. 2020. Т. 5. № 1. С. 43–51.
12. Pathak A., Bowman S., Sharma S. Modeling impacts of Fe activity and H2 partial pressure on hydrogen storage in shallow subsurface reservoirs. Aquatic Geochemistry, 2024, Vol. 30, P. 73–92. (In Eng).
13. Харламова Т.А., Колесников А.В., Алафердов А.Ф., Сарбаева М.Т., Гайдукова А.М. Перспективные электрохимические процессы в технологиях обезвреживания сточных вод. II. Электрохимическая деструкция органических веществ; использование электролиза в технологии очистки воды // Гальванотехника и обработка поверхности. 2013. Т. 21. № 3. С. 55–62.
В качестве источника УЗ колебаний с использовался УЗДН-А (22 кГц, 300 Вт), излучающий элемент которого, имеющий вид диска диаметром 1,5 см, погружался в водный раствор на глубину 1 см. Поверхность водного раствора была открыта для воздушной атмосферы, исходная температура растворов составляла 21 °С, при акустическом воздействии температура образца не повышалась более, чем на 2 °С. Измерения рН и редокс-потенциала Eh производились с помощью многофункционального калиброванного тестера C-600 при температуре 21÷23 °С. Измерения величин Eh и Ph производились до начала и после обработки растворов УЗ колебаниями.
Изображения частиц, обнаруживаемых в пробах, полученные с помощью микроскопа
(Olympus CX-41), обрабатывались системой оцифровки изображений. Для получения изображений частиц капли растворов одинакового объема помещали между покровными стеклами на предметный столик микроскопа.
Изображения частиц, обнаруживаемых в пробах, полученные с помощью микроскопа
(Olympus CX-41), обрабатывались системой оцифровки изображений. Для получения изображений частиц капли растворов одинакового объема помещали между покровными стеклами на предметный столик микроскопа.
подземное хранение газов, водный раствор, акустические колебания, редокс-потенциал, выпадение твердого осадка
Сафарова Е.А., Лесин В.И. Моделирование процессов закачки газа в подземные хранилища водорода путем воздействия акустическими колебаниями на водный раствор // Экспозиция Нефть Газ. 2025. № 2 С. 48–53. DOI: 10.24412/2076-6785-2025-2-48-53
26.03.2025
УДК 621.6.028+662.767.2
DOI: 10.24412/2076-6785-2025-2-48-53
DOI: 10.24412/2076-6785-2025-2-48-53
Рекомендуемые статьи
© Экспозиция Нефть Газ. Научно-технический журнал. Входит в перечень ВАК
+7 (495) 414-34-88