МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КАВИТАЦИОННЫХ ПУЗЫРЬКОВ В НЕФТИ ПРИ АКУСТИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

Аннотация

Высоковязкие нефти, содержащие значительное количество смолисто-асфальтеновых компонентов, характеризуются повышенным сопротивлением течению и выраженной структурной чувствительностью к внешнему физическому воздействию. В этих условиях акустическая обработка представляет интерес как способ изменения реологических свойств нефти. Основным физическим механизмом такого воздействия является акустическая кавитация, сопровождающаяся зарождением, ростом и схлопыванием пузырьков в жидкой среде. Поэтому количественная оценка параметров кавитационного поля имеет принципиальное значение при анализе эффективности ультразвуковой обработки нефтяных систем. Целью настоящей работы является разработка экспериментально-расчётной методики количественной оценки параметров кавитационных пузырьков, формирующихся в нефти при акустическом воздействии, и установление их связи со структурно-реологическими свойствами нефтяной системы. В работе использована высоковязкая нефть Зюзеевского месторождения. Методика включает визуализацию кавитационной зоны, обработку изображений и физико-математическое моделирование динамики пузырька на основе уравнения Келлера–Миксиса. В качестве основных характеристик кавитационного процесса определялись плотность пузырьков, максимальный радиус их расширения, время схлопывания, локальный перепад давления и энергия единичного кавитационного события. Установлено, что при увеличении продолжительности акустической обработки от 10 до 180 с плотность пузырьков возрастает от 3,0 до 8,0 пузырьков/см3, максимальный радиус — от 1,40 до 2,00 мкм, время схлопывания — от 2,04 до 2,91 мкс, а энергия единичного пузырька — от 2,07·10-13 до 6,03·10-13 Дж. Одновременно кинематическая вязкость нефти при 20 °C снизилась с 151,9 до 28,3 мм2/с, а при 50 °C — с 31,8 до 10,4 мм2/с. Полученные результаты применимы для обоснования рациональных режимов акустической обработки высоковязких нефтей в лабораторных условиях. Перенос полученных зависимостей на пластовые условия требует дальнейших исследований, направленных на разработку математической модели, позволяющей прогнозировать параметры акустического воздействия с учётом фильтрационно-ёмкостных свойств пласта и характеристик нефтенасыщенной среды.