6.2. Поверхностное натяжение
Поверхностное натяжение связано с такими понятиями как свободная энергия поверхностного слоя жидкости, работа поверхностного натяжения, сила поверхностного натяжения и
Поверхностное натяжение () характеризует избыток свободной энергии сосредоточенной на одном квадратном сантиметре площади поверхностного слоя на границе раздела двух фаз:
Е = S, (6.1)
где – поверхностное натяжение;
S – суммарная поверхность двух фаз.
Поверхностное натяжение характеризует работу, образования 1 см2 новой поверхности в изотермических условиях:
A = S. (6.2)
Поверхностное натяжение характеризует силу, действующую на единицу длины периметра взаимодействия двух фаз (линию смачивания):
,
(6.3)
где
–
линия смачиваемости.
Физический смысл величины поверхностного натяжения характеризует меру некомпенсированности молекулярных сил
По величине поверхностного натяжения пластовых жидкостей на различных модельных поверхностях (аналогичных пластовым) можно судить о свойствах соприкасающихся фаз, закономерностях взаимодействия жидких и твёрдых тел, процессах адсорбции, количественном и качественном составе полярных компонентов в жидкости, интенсивности проявления капиллярных сил и т.д.
Коэффициент поверхностного натяжения зависит от давления, температуры, газового фактора, свойств флюидов.
Влияние температуры и давления на поверхностное натяжение можно установить исходя из молекулярного механизма возникновения свободной поверхностной энергии и энергетической сущности поверхностного натяжения.
С увеличением давления жидкости на границе с газом понижается. С повышением температуры происходит ослабление межмолекулярных сил и величина поверхностного натяжения чистой жидкости (чистой воды) на границе с паром (газом) уменьшается.
Общий характер изменения величины поверхностного натяжения с изменением температуры и давления для нефти такой же, как и у воды (рис. 6. 1).
Рис. 6.1. Зависимость поверхностного натяжения нефти Небитдагского
месторождения от давления на границе с метаном: 1. – Т = 20єС; 2. – Т = 60єС; 3. – с этан-пропановой смесью
Однако, количественные изменения зависят от многих дополнительных факторов: химического состава нефти, состава газа (рис. 6.1, кривая 3), количества растворенного газа, количества и природы полярных компонентов и др.
С увеличением количества растворенного газа в нефти величина поверхностного натяжения нефти на границе с газом уменьшается.
Поведение величины жидкости на границе с жидкостью зависит во многом от полярности жидкостей.
Поверхностное натяжение малополярных нефтей на границе с водой в пределах давлений, встречаемых в промысловой практике, мало зависит от давления (рис. 6.2) и температуры. Это объясняется относительно небольшим и примерно одинаковым изменением межмолекулярных сил каждой из жидкостей с увеличением давления и температуры, так что соотношение их остаётся постоянным.
Рис. 6.2. Зависимость поверхностного натяжения нефти Туймазинского месторождения на границе с водой от давления
при Т = 20єС
Для высоко-полярных нефтей её поверхностное натяжение на границе с водой может увеличиваться с ростом давления и температуры.
Сложный характер имеет зависимость поверхностное натяжение на границе с водой от давления и температуры в условиях насыщения нефти газом (рис. 6.3). Это обусловлено изменением концентрации полярных компонентов в поверхностном слое нефти при растворении в ней газа.
Величина по ряду месторождений в зависимости от насыщения нефти газом может быть значительной: 3-6 мН/м при изменении давления от 0 до 26,5 МПа.
Поверхностное натяжение на границе раздела между газом и жидкостью, двумя жидкостями можно измерить, то поверхностное натяжение на границе раздела порода-жидкость, порода-газ измерить трудно.
Рис. 6.3. Зависимость поверхностного натяжения нефти Небитдагского месторождения от давления на границе с водой
при Т = 20єС:
1. – при насыщении обеих фаз метаном;
2. – при насыщении обеих фаз этан-пропановой смесью
Поэтому для изучения поверхностных явлений на границе порода-жидкость пользуются косвенными методами изучения поверхностных явлений: измерением работы адгезии и когезии, исследованием явлений смачиваемости и растекаемости, изучением теплоты смачивания.