Поверхностно-молекулярные свойства системы “Пласт-Вода-Нефть-Газ”

Оглавление

1. Введение 3

2. Поверхностные явления при фильтрации нефти,

газа и воды 4

3. Смачивание и краевой угол. Сорбционные явления.

Работа адгезии 8

4. Зависимость поверхностного натяжения от давления, температуры, добавок ПАВ 15

5. Капиллярные явления в пористых средах 17

6. Гистерезисные эффекты при смачивании 20

7. Электрокинетические явления. Свойства поверхностных слоев жидкости 23

Список литературы 26

1. Введение

При движении жидкостей и газов в пористой среде в силу причудливой формы поровых каналов граница раздела фаз имеет сложную поверхность с большой площадью. Это является причиной того, что на движение и равновесие жидкостей в пористой среде определяющее влияние оказывают поверхностные явления и капилляр­ные силы.

При наличии границы раздела между двумя фазами, например между жидкостью и газом, небольшая область вблизи поверхности раздела по своим свойствам отличается от основной части жидкости. Это отличие заключается в том, что граничные области обладают избытком энергии по отношению к внутреннему объему. Такая энергия называется поверхностной (свободной).

Свободная поверхностная энергия существует на границах разделах любых фаз. В пористой среде, где одновременно могут находиться несколько фаз, например вода, нефть и газ, и при наличии твердой поверхности межфазные границы могут иметь сложную форму. Это связано с тем, что, в частности, и на границе «жидкость —твердое тело», «газ—твердое тело» также существует свободная поверхностная энергия.

При движении жидкостей через пористые среды вследствие боль­шой удельной поверхности порового материала существенное значение на характеристики течения оказывают поверхностные явления, в ча­стности, явления, связанные с существованием двойного электриче­ского слоя (ДЭС) на поверхности раздела фаз и называемые электроповерхностными

2 Поверхностные явления при фильтрации нефти, газа и воды

Рассмотрим молекулу, которая находится внутри жидкости. В силу однородности жидкости молекула испытывает равномерное воздей­ствие со стороны окружающих ее молекул, и поэтому суммарная сила молекулярного воздействия на эту молекулу со стороны окружающих ее молекул равна нулю. Очевидно, что такая молекула может перемещаться внутри жидкости в любом направлении без затраты энергии.

Рассмотрим теперь молекулу, находящуюся в поверхностном слое. Здесь силы, которые действуют на нее со стороны других молекул, направлены или вдоль поверхности, или внутрь жидкости, так что равнодействующая сила отлична от нуля и направлена по нормали к поверхности внутрь жидкости. Поэтому для перемещения молекулы жидкости из объема к границе раздела требуется затратить определен­ное количество энергии. Отношение этой энергии, называемой поверх­ностной, к единице площади поверхности носит название коэффициента поверхностного натяжения. Эта величина положительна, так как в противном случае было бы невозможно раздельное существование контактирующих фаз. Исходя из определения можно записать dF= dS, где dF и dS — изменения, соответственно поверхностной энергии и площади раздела; а — коэффициент поверхностного натяже­ния (табл. 1).

Действие поверхностного натяжения наглядно демонстрируется следующим примером. Предположим, что мы имеем два надутых воздушных шарика разных размеров, соединенных между собой короткой трубкой. На первый взгляд кажется, что малый шарик будет надуваться за счет большого, пока между ними не у становится равновесие. Однако это не так, поскольку у меньшего шарика в соот­ветствии с формулой. Лапласа больше силы натяжения поверхности, равнодействующая которых направлена к центру. Поэтому и давление внутри меньшего шара больше, чем внутри большого и, следовательно, воздух будет перетекать от маленького шара к большому.

Поверхностное натяжение можно определить и как силу, дейст­вующую на единицу длины линии, ограничивающей поверхность соприкосновения двух фаз.

Таблица .1

Поверхностное: натяжение (мН/м) для некоторых жидкостей на границе с воздухом и водой (t=25°С),

	На границе с
Вещество
	воздухом	водой
Гептан	—	50,9
Циклогексан	26,5	...
Толуол	28,4	32
Керосин	22,3	47,6
Трансформаторное масло	28	33.1
Вазелиновое масло	32,1	31,1
Конденсат	25,3	24,2

Величину, а можно рассматривать и как характеристику полярности жидкости. В учении о поверхностных явлениях термином «полярность» обозначается интенсивность поля молекулярных сил, действующих в данной фазе. Эта характеристика сил межмолекулярного сцепления связана также с такими параметрами жидкости, как диэлектрическая проницаемость, поляризуемость, дипольный момент, степень ассоци­ации. С ростом этих параметров полярность также возрастает.

Очевидно, что разное значение поверхностного натяжения раз­личных жидкостей на границе с водой обусловлено их неодинаковой полярностью. Чем меньше полярность жидкости, например нефти, тем больше поверхностное натяжение жидкости на границе с водой.

Существование поверхностного натяжения приводит к деформации поверхности раздела так, что ее поверхность оказывается минималь­ной. По этой причине капельки жидкости и пузырьки газ-, принимают сферическую форму. На искривленной поверхности раздела двух фаз давление претерпевает скачок. Так, например, давление внутри капли выше, чем снаружи. Разность давлений по обе части искривленной поверхности раздела называется поверхностным или капиллярным давлением и вычисляется по формуле Лапласа

(1)

где R₁ и R₂—главные радиусы кривизны межфазной поверхности. До сих пор предполагалось, что коэффициент поверхностного натяжения постоянен. В связи с этим рассмотрим явления, обусловленные наличием градиента поверхностного натяжения (эффект Маран-гони). Его возникновение может обусловливаться различными при­чинами, такими, например, как наличием градиента температуры и градиента концентрации поверхностно-активных веществ.

Поскольку поверхностное натяжение зависит от температуры и концентрации поверхностно-активных веществ, то в этих условиях возникает градиент поверхностного натяжения.

Эффективным является следующий опыт. На горизонтальную стеклянную пластинку помещают две капли раствора разной кон­центрации на небольшом расстоянии друг от друга, и капли начинаю двигаться в одном направлении вдоль линии, соединяющей их центры. Это явление, которое можно назвать «погоней капель», наблюдается при условии, что концентрации растворов подобраны так, чтобы на одной из капель происходила конденсация растворителя из газовой фазы, а на другой — испарение. Если капли расположены достаточно близко, то исходное симметричное распределение концентраций в каж­дой из них будет нарушено.

Иными словами, возникает градиент концентрации, имеющий одинаковое направление в обеих каплях, а, следовательно, и градиент поверхностного натяжения, который заставляет капли двигаться в ту или иную сторону в зависимости от того, возрастает или убывает поверхностное натяжение с ростом концентрации.

Известно, что если опустить капилляр в сосуд с жидкостью, которая смачивает стенки капилляра, то наблюдается ее поднятие по капилляру. В случае вертикального расположения капилляра высота поднятия

где — плотность жидкости; r —радиус капилляра; — угол сма­чивания.

Точно также происходит пропитка пористой среды смачивающей фазой. Дня оценки скорости впитывания можно воспользоваться гидравлической моделью пористой среды, представляя ее в виде связки капилляров одинакового радиуса r. Примем также, что движение медленное, так что справедлива формула Пуазейля. Обо­значим переменную высоту подъема жидкости через h(t). В этом случае эффективный перепад давления, двигающий жидкость

а средняя скорость движения жидкости v = dh/dt.

В соответствии с формулой Пуазейля

Проведем оценочный расчет скорости капиллярной пропитки водой горизонтально расположенного керна проницаемостью k:=10~¹³м², и пористостью m= 0,2. Согласно формуле М. Д. Миллионщикова, средний размер поровых каналов

Принимая = 70мН/м, cos = 0,5, =1,мПа с, получаем согласно формуле (5.1) и~10~⁵м/с.

Предположим, что друг над другом находятся две смешиваю­щиеся жидкости, например глицерин и вода. В результате диф­фузионного процесса вблизи первоначальной границы раздела образуется зона смеси. С точки зрения термодинамики образо­вание смешиваемости жидкости означает, что свободная энергия смеси меньше суммы свободных энергий отдельных компонентов смеси, взятых в тех количествах, в которых они входят в смесь. В процессе образования смеси поверхность раздела, очевидно, воз­растает. Поэтому на первый взгляд, кажется, что граница раздела смешивающихся жидкостей имеет отрицательное поверхностное на­тяжение, и этой границе можно приписать отрицательную свободную энергию. Следуя Я. Б. Зельдовичу, покажем, что такое заключение неверно.

Представим себе сосуд с подвижными боковыми стенками, в котором налита вода сверх глицерина. Пере­двигая боковые стенки, можно изменять площадь границы раздела «вода — глицерин». Для простоты не учитываются изменение по­тенциальной энергии жидкости в поле силы тяжести, изменения свободной поверхности воды и поверхности соприкосновения жидкостей со стенками и дном сосуда.

Изменение молекулярного взаимодействия на поверхности раздела двух фаз, приводящее к изменению поверхностного натяжения, может осуществляться за счет применения веществ со специальными свой­ствами.

Эти свойства заключаются в способности преимущественной концентрации (адсорбции) молекул этого вещества на поверхности раздела фаз.

Вещества, адсорбирующиеся на поверхности раздела, называются поверхностно-активными (сокращенно ПАВ). Молекулы таких веществ являются полярными, т. е. представляют собой диполи. Поскольку вблизи поверхности раздела существует электрическое поле, то полярные молекулы поверхностно-активного вещества ориентируются вблизи границы. Вследствие этого добавка ПАВ в воду снижает межфазное натяжение воды на границе с нефтью и уменьшает краевые углы избирательного смачивания, т. е. увеличивает смачиваемость породы водой. Это способствует улучшению отмыва нефти с поверхности породы.

По химическим свойствам ПАВ делятся на ионогенные, которые диссоциируются на ионы в водных растворах, и на неионогенные. Ионогенные ПАВ, в свою очередь, подразделяются на ан и о но актив­ные, катионоактивные и амфотерные, в зависимости от того, какого знака ионы образуются в среднем в водной среде. При диссоциации анионоактивных ПАВ в водных растворах образуются поверхностно-активные анионы, состоящие из углеводородной части молекулы, и катионы, которые представляют собой неорганические ионы. Катионоактивные ПАВ образуют в водных растворах поверхностно-активные катионы, состоящие из длинных цепей углеводородных радикалов и анионов.

При заводнении пластов в основном применяют неионогенные ПАВ. Высокая поверхностная активность и низкая адсорбируем ость на поверхности пород отличает их от ионогенных ПАВ. Неионогенные ПАВ хорошо растворяются в пластовых (хлоркальциевых) водах и не дают осадка. Анионоактивные ПАВ взаимодействуют с солями Са и Mg и выпадают из раствора, образуя нерастворимые осадки. Большинство катионоактивных ПАВ не растворяется в минерализован­ных пластовых водах. Отмывающие свойства ПАВ используются в различных тех­нологических процессах: для улучшения вытеснения нефти из пласта, обработки призабойной зоны и т п.