итоговый отчет

растущей ледяной пластины. Таким образом, растущую ледяную пластину можно моделировать в виде двух антипараллельных двойных слоев, расположенных на расстоянии 2h друг от друга.

Для расчета распределения электрического поля кристаллизующейся пленки воды будем моделировать ее в виде дискового «сэндвича» радиуса R, состоящего из нескольких слоев разнородных диэлектриков: двух симметрично расположенных сверху и снизу слоев воды толщиной λ–h каждый с диэлектрической проницаемостью ε2, двух антипараллельных двойных слоев заданной мощности χ, заполненных внутри диэлектриком с проницаемостью εls и слоя диэлектрика между ними толщиной 2h с

проницаемостью, равной проницаемости льда ε1.

Расчет показывает, что потенциал поля вне системы лед-вода определяется

где k – безразмерный коэффициент «передачи», который складывается из коэффициентов k1 и k2, зависящих от геометрических параметров и/или физических свойств ледяной пластины и жидкой пленки соответственно, а V1= 2πR2h – объем ледяной фазы. Для оценки соотношения между k1 и k2 возьмем типичные для опытов по регистрации электрических сигналов при кристаллизации пленки значения: R=3 мм, x≈R, 2λ ≈180 мкм, 2h =(30-50) мкм, ε2=81. Подставляя их в (15.2-15.4), получим k1=3×10-3, k2=10-6, т.е. k≈k1.

Следовательно, выражение для потенциала поля на оси пленки в виде диска можно записать в виде:

Таким образом, аналитически установлена взаимосвязь между межфазной разностью потенциалов, возникающей при замерзании сильно переохлажденной воды (эффектом Воркмана-Рейнольдса) с потенциалом генерируемого в ходе кристаллизации квазистационарного электрического поля – сигналом электромагнитной эмиссии.

172

Взаимосвязь сигнала ЭМЭ с потенциалом замерзания U и объемом V1 в

соответствии с выражениями (15.2-15.5) дает возможность, с одной стороны, по известному потенциалу замерзания измерять бесконтактно объем растущего льда, т.е. строить in situ кинетическую кривую фазового перехода, а с другой – при наличии условий для независимого контроля объема твердой фазы (например, оптическими методами) бесконтактно измерять межфазную разность потенциалов.

173

16. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ НЕПРЕРЫВНОГО ОПТИЧЕСКОГО, АКУСТИЧЕСКОГО И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО МОНИТОРИНГА ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА В УСЛОВИЯХ КОНТАКТА С НЕФТЬЮ

Предложный электромагнитный метод контроля динамики структурных элементов при кристаллизации, деформировании и разрушении льда может стать основой концепции электромагнитного зондирования объектов, содержащих большие массы воды, льда и снега, а также иных сред, имеющих общую межфазную границу с водой. В данном проекте проведены исследования возможности использования электромагнитного контроля динамики межфазной границы переохлажденная вода – нефть в условиях зарождения и роста льда в водно-нефтяной смеси.

Методика, используемая для этих исследований, аналогична изложенной в главе 6. В

качестве объекта исследования была выбрана кювета из кварцевого стекла, которая заполнялась водой и нефтью (Рисунок 16.1). При этом удалось получить отчетливую межфазную поверхность нефть-вода без признаков какого-либо перемешивания. Кювета помещалась в морозильную камеру в измерительную ячейку с кольцевой антенной для фиксации электромагнитного излучения, сопровождающего процесс замерзания воды.

Рисунок 16.1 − Экспериментальный образец, моделирующий контакт нефти и воды.

174

Было зафиксировано электромагнитное излучение импульсного характера при кристаллизации пробы воды (Рисунок 16.2). В спектре электромагнитного излучения помимо медленных сигналов (отвечающих собственно росту льда) (Рисунок 16.3)

присутствуют сигналы более высоких частот, обусловленные дилатационными явлениями водно-ледяной среде и процессами растрескивания. Рисунок 16.4.

Рисунок 16.4 − Фрагмент сигнала электромагнитной эмиссии, сопровождающего эволюцию системы нефть-вода/лед: импульс с длительностью фронта ~2 мс

сопровождающий раскрытие трещины во льде.

Рисунок 16.5 − «Пачка» медленных импульсов, отвечающих за динамику нефти на межфазной границе.

176

Температура в испытательной ячейке составила -14ºС. При этом основной структурой, образующегося льда являются игольчатые ветки в конкуренции с компактной игольчатой структурой. В данных условиях, поскольку выбранный образец нефти имел достаточно высокое содержание парафинов, температура его затвердевания около -4ºС.

Поскольку лед имеет плотность относительно воды 0.9, то при возникновении и последующем росте льда система вода-лед находилась в условиях повышенной компрессии. Поэтому в спектре электромагнитной эмиссии зафиксированы сигналы,

обусловленные также компрессионным сжатием нефти и ее просачиванием в открывающиеся поры во льде (Рисунок 16.5).

Таким образом, предложенная методика позволяет на основе изучения свойств электромагнитного сигнала проводить качественные и количественные оценки состояния среды, содержащей нефть в контакте с водой.

177

17. ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ И МОРФОЛОГИИ РОСТА ЛЬДА В НЕФТЕ-ВОДНОЙ СМЕСИ ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Кинетику и морфологию роста льда в контакте с нефтью, а также динамику межфазной границы нефть-вода/лед исследовали поляризационно-оптическим методом,

поскольку лед и нефть обладают способностью к вращению плоскости поляризации.

Поэтому такая методика позволяла оценивать долю замерзшей воды в пробе, а также распределение внутренних напряжений в нефти при росте льда.

Было обнаружено, что первоначально гладкая межфазная поверхность вода-нефть при кристаллизации воды «размывается» (Рисунок 17.1 и 17.2). При этом объем такого диффузного слоя составляет около 5% от первоначального объема воды. Образование этого слоя обусловлено, видимо тем, что при кристаллизации воды выделяется скрытая теплота, при диссипации которой на фазовой границе вода-нефть происходит частичное расплавление застывшей нефти и поэтому происходит перемешивание мелких капель воды, нефти и льда.

Рисунок 17.1. Размытие межфазной границы нефть-вода/лед при замерзании пробы воды.

178