Физика пласта: Курс лекций по одноименной дисциплине, страница 30

Рисунок 5.1 - Форма капли, обусловленная

поверхностным натяжением

Поверхностное натяжение нефти на границе с водой слабо зависит от давления и температуры, но может уменьшаться с ростом давления и температуры, вследствие растворения в воде компонентов нефти. Поверхностное натяжение нефти на границе с газом уменьшается с ростом давления и температуры интенсивнее, чем для воды, в связи с большей растворимостью газа в нефти.

Смачивание и краевой угол. Величину поверхностного натяжения жидкости оценивают по величине угла  θ  касательной, проведенной к капле жидкости, у её основания, нанесенной на породу (рисунок 5.1). Чем выше смачивающая способность жидкости, тем меньше угол θ.

Угол θ служит мерой смачивания жидкостями твердого тела. Угол не зависит от величины капли и определяется молекулярными свойствами поверхности твердого тела и соприкасающейся жидкости. Высокополярные жидкости с высоким поверхностным натяжением хуже смачивают твердую поверхность. Например, ртуть смачивает только некоторые металлы; вода, кроме металлов, смачивает многие минералы. Кварц, известняк и другие нефтесодержащие породы гидрофильны (смачиваемы водой). Однако присутствие в породах нефти делает породы гидрофобными (не смачиваемыми или плохо смачиваемыми водой).

Воду в нефтепромысловой технологии применяют для вытеснения нефти. Поэтому она должна иметь высокие нефтеотмывающие свойства и хорошо смачивать породу. Величина угла смачивания зависит от механического строения поверхности, адсорбционных свойств породы, состава и свойств жидкости, загрязнения, электрического заряда. С увеличением давления и температуры угол смачивания изменяется. При этом изменения давления и температуры будут по-разному воздействовать на смачиваемость породы.

При полном смачивании при отрыве жидкости от смачиваемого тела, происходит разрыв жидкости, а не ее отрыв от поверхности. При полной несмачиваемости жидкостью поверхности тела, на отрыв жидкости не затрачивается работа. Следовательно, по величине работы, необходимой для отрыва жидкости от поверхности тела, можно судить о смачиваемости или натяжении смачивания. Такая работа носит название работы адгезии. При смачивании твердого тела жидкостью выделяется тепло, теплота смачивания.

Адгезию и теплоту смачивания определяют экспериментально.

При неустановившихся процессах на поверхности раздела фаз угол смачивания будет зависеть от направления движения и скорости в капиллярных каналах (рисунок 5.2).

При передвижении по твердой поверхности трехфазной границы раздела фаз смачиваемость характеризуют кинетическим гистерезисом смачивания (изменением угла смачивания). При вытеснении нефти водой угол  θ2   называют наступающим, вытеснении воды нефтью  –  θ1,2  отступающим. С увеличением скорости вытеснения нефти водой наступающий угол смачивания возрастает и может стать значительно больше  900 .

Гистерезис обусловлен прочностью сцепления молекул соприкасающихся фаз.

Рисунок  5.2 – Схема изменения углов смачивания при изменении

направления движения мениска в капиллярном канале

При вытеснении из пор нефти, воде приходится удалять адсорбированные твердой поверхностью породы полярные компоненты нефти, на что необходима дополнительная энергия. Это и обуславливает разность наступающего и отступающего углов.

Свойства поверхностных слоев жидкости.  Слои жидкости у поверхности раздела фаз отличаются по своим свойствам от основной массы жидкости. Это обусловлено поляризацией молекул жидкости с образованием ориентированных молекул. Эти слои отличаются структурой, плотностью, повышенной вязкостью, упругостью на сдвиг. Они могут образовывать гелеобразные структуры. В состав поверхностных слоев нефти входят нафтеновые кислоты, низкомолекулярные смолы, коллоидные частицы, микрокристаллы парафинов, частицы минеральных и углеродных суспензий.

Особые структурно-механические свойства поверхностных слоев системы учитываются  при планировании технологии вытеснения нефти водой или специальными отмывающими составами.

5.2  ВЫТЕСНЕНИЕ НЕФТИ ВОДОЙ И ГАЗОМ