Глава V молекулярно-поверхностные свойства системы нефть — газ — вода — порода

§ 55. Роль поверхностных явлений при движении

Нефти, воды и газа в пористой среде

Нефтяной пласт представляет собой огромное скопление капил­лярных каналов и трещин, поверхность которых очень велика. Мы уже видели, что иногда поверхность поровых каналов 1 м² нефтесодержащих пород составляет несколько гектаров. Поэтому закономерности движения нефти в пласте и ее вытеснения из пори­стой среды наряду с объемными свойствами жидкостей и пород (как вязкость, плотность, сжимаемость и др.) во многом определяются свойствами пограничных слоев соприкасающихся фаз и процессами, происходящими на поверхности контакта нефти, газа и воды с по­родой.

Более интенсивное проявление свойств пограничных слоев по мере диспергирования (дробления) тела обусловлено возрастанием при этом числа поверхностных молекул по сравнению с числом моле­кул, находящихся внутри объема частиц. Поэтому с ростом дисперс­ности системы явления, происходящие в поверхностном слое, ока­зывают все большее влияние на движение воды и газа в нефтяных и газовых коллекторах.

Поверхностные явления и поверхностные свойства пластовых систем, по-видимому, сказались также и на процессах формирования нефтяных и газовых залежей. Так, например, степень гидрофобизации поверхности поровых каналов нефтью, строение газонефтя­ного и водонефтяного контактов, взаимное расположение жидко­стей и газов в пористой среде, количественное соотношение остаточ­ной воды и нефти и ряд других свойств пласта обусловлены поверх­ностными и капиллярными явлениями, происходившими в пласте в процессе формирования залежи.

Совершенно очевидно также, что важнейшая проблема увели­чения нефтеотдачи пластов не может быть решена без детального, изучения поверхностных явлений и свойств тонких слоев жидкостей, соприкасающихся с породой, так как объем нефти, остаю­щейся в пласте после окончания эксплуатации залежи в виде при­липающих к породе пленок и микрокапель, во многом определяется процессами, происходящими на поверхностях контакта минералов с пластовыми жидкостями.

С поверхностными явлениями мы сталкиваемся не только в пла­сте, но также и при разрушении и образовании водонефтяных эмульсий, при отложении парафина в скважинах и в призабойной зоне пласта и т. д. Поэтому теория поверхностных и капиллярных явлений находит большое приложение в промысловой практике.

§ 56. Поверхностное натяжение и поверхностная энергия

Неотъемлемым свойством всяких поверхностей, отделяющих одну фазу системы от другой, является их свободная энергия, обусловленная некомпенсированностью молекулярных сил в между­фазном поверхностном слое. Поверхностный слой всегда обладает некоторым избытком энергии по сравнению со слоем той же тол­щины, но взятым внутри фазы, и поэтому для образования новой поверхности раздела необходимо затратить работу. Отсюда выте­кает определение поверхностного натяжения а как работы, необхо­димой для образования единицы новой поверхности.

Поверхностное натяжение в Международной системе измеряется в следующих единицах:

[σ] = дж/м² или [σ] = н/м¹.

Следует иметь в виду, что поверхностное натяжение представляет собой лишь математическое понятие, эквивалентное по размерно­сти и численной величине свободной поверхностной энергии. На­личие некоторого избытка энергии в поверхностном слое не значит, что молекулы этого слоя обладают какими-то особыми силами сце­пления, действующими тангенциально к поверхности, образуя подобие пленки.

Поверхностное натяжение становится реальной силой только тогда, когда поверхность раздела фаз ограничена трехфазным пе­риметром; например, при смачивании поверхности твердого тела жидкостями. При этом стремление свободной энергии системы к минимуму приводит к возникновению сил, действующих на пери­метр смачивания и направленных перпендикулярно к периметру смачивания и тангенциально к поверхности раздела в сторону ее сокращения.

В нефтяном пласте могут быть следующие поверхности раздела и соответствующие им поверхностные натяжения: нефть -вода (σ_пв), нефть - газ (σ_нг), вода -газ (σ_вг), нефть - порода (σ_нп), вода - порода (σ_вп) и газ -порода (σ_гп).

Современные методы позволяют непосредственно измерить по­верхностное натяжение лишь между двумя жидкими фазами или же поверхностное натяжение жидкости на границе с газом (табл. 22).

Таблица 22