§ 73. Механизм разрушения пленки нефти на твердой поверхности под воздействием воды

Разрушение слоев нефти на твердой поверхности пород водой происходит под действием молекулярных сил. Этот процесс самопроизвольно может протекать только тогда, когда он сопровождается уменьшенном энергии системы. Свободная поверхностная энергия системы нефть — вода — порода становится меньше при вытеснении нефти с поверхности твердого тела водой, обладающей углом избирательного смачивания 9 меньше 90°.

Процесс разрушения тонкого слоя неполярных жидкостей происходит быстрее, чем разрушение слоя нефти, так как последняя содержит поверхностно-активные вещества. На различных участках толщина слоя нефти не одинакова вследствие сложного (неровного) строения поверхности твердого тела. Поэтому и сопротивление разрыву пленки также везде разное.

Разрыв пленки сопровождается образованием на твердой поверх­ности минерала микрокапель и линз нефти. Дисперсность нефти, прилипшей к твердой поверхности, возрастает с уменьшением угла смачивания. Чем меньше оказывается угол смачивания, тем больше вероятность образования очагов разрыва пленки и числа их, а сле­довательно, возрастает количество капель нефти, образующихся на поверхности минералов. Капли малых размеров имеют меньшую площадь и меньшую прочность прилипания к твердой поверхности при низких значениях межфазного натяжения, и поэтому они легче отмываются от породы потоком воды. Поэтому отмывка нефти улуч­шается при добавлении в воду поверхностно-активных веществ, уменьшающих межфазное натяжение нефть — вода и улучшающих условие смачиваемости породы водой.

Для разрушения слоев нефти водой необходимо некоторое время, продолжительность которого зависит от прочности пленок, свойств воды и пористой среды. С увеличением концентрации полярных примесей вязкость и прочность аномальных слоев нефти возрастают. Скорость удаления слоя нефти между каплей воды и твердой поверх­ностью определяется капиллярным давлением в капле воды, толщи­ной аномального слоя под ней, сопротивлением его течению у трех­фазного периметра смачивания и вязкостью нефти. С ростом этих величин замедляется процесс разрыва водой слоя нефти на твердой поверхности. Микрокапли остаточной воды на поверхности твер­дого тела способствуют разрушению слоев нефти и улучшению ус­ловий смачиваемости вытесняющей водой поверхности твердого тела.

Значительное влияние на удаление пленок нефти оказывает стро­ение поверхности минерала. Шероховатость поверхности способ­ствует более прочному закреплению нефти во впадинах поверхности минерала и в сужениях между зернами.

§ 74. Прилипание и отрыв капель нефти от твердой поверхности

Предполагается, что основные молекулярные связи, прикре­пляющие каплю нефти к твердой поверхности, сосредоточены на трехфазном периметре смачивания, в зоне которого имеется повы­шенная концентрация поверхностно-активных веществ. Прилипа­ние капли к твердому телу начинается с образования вначале неболь­шого участка контакта, который затем под действием молекулярных сил увеличивается до тех пор, пока краевой угол смачивания но до­стигнет равновесного значения.

Капли нефти, обладающие высокой дисперсностью, по-видимому, прилипают реже, так как сила их соударения с твердой поверхностью меньше, чем у крупных капель. Возможность прилипания капель нефти к твердой поверхности в водной среде сокращается с уменьше­нием величины угла смачивания и поверхностного натяжения нефти на границе с водой. Последнее связано с ослаблением капиллярного давления, оказываемого каплей на пленку воды, отток которой из-под капли воды при этом затрудняется.

Для улучшения условий вытеснения нефти водой из пласта весьма важно изучить процесс отрыва прилипших капель в свобод­ное состояние.

В зависимости от вытесняемой нефти возможны различные схемы этого процесса. На рис. 100 приведены последовательные положе­ния капли нефти, вытесняемой из капилляра.

По наблюдениям Г. А. Бабаляна пленка нефти на поверхности минералов имеет часто клочьеобразное строение. Вода при фильт­рации отрывает наиболее удаленные «клочья» нефти, которые в по­следующем приобретают шарообразную форму (рис. 101). Для пол­ного отрыва всей капли необходимо, чтобы периметр смачивания под воздействием потока сократился до нуля. Передвижению пери­метра смачивания капли нефти под действием воды препятствуют

полярные примеси нефти, способствующие закреплению и увеличе­нию его жесткости. Таким образом, явления гистерезиса смачивания способствуют образованию остаточных капель нефти на поверхности поровых каналов.

Для установления зависимости прочности закрепления капли нефти на твердой поверхности от различных факторов может быть использовано уравнение

, (7.10)

где р — сила, удерживающая каплю нефти на поверхности; г— ра­диус площади прилипания капли; 6 — краевой угол смачивания: σ_1,2— поверхностное натяжение между водой и нефтью; R — радиус вершили капли.

Из уравнения (7.10) следует, что с увеличением радиуса площади прилипания r, поверхностного натяжения σ_1,2 и угла смачивания θ прочность закрепления капли возрастает. Чем больше угол θ, тем более мелкие капли могут удерживаться на твердой поверхности. С ростом величины капли возрастают возможности отрыва с оставле­нием остаточной капли. Этому способствует также шероховатость поверхности.