3. Смачивание и краевой угол. Работа адгезии. Теплота смачивания.

Для исследования процессов взаимодействия твердых тел с жидкостями используют косвенные методы. К ним относится измерение работы адгезии, исследование теплоты смачивания и углов избирательного смачивания.

Если на поверхность твердого тела нанести каплю жидкости, то под действием молекулярных сил она растечется по этой поверхности. Угол, образованный касательной к капле в точках ее периметра, зависит от поверхностных натяжений на границах раздела фаз. Из условия равновесия векторов получим

(2)

Величина , если исключить влияние силы тяжести , не зависит от размеров капли и определяется лишь молекулярными свойствами поверхности твердого тела и соприкасающихся фаз. Поэтому, исходя из теории поверхностных явлений, можно установить связь краевого угла смачивания с поверхностным натяжением между твердым телом и жидкостью. Например, поверхность должна лучше смачиваться той жидкостью, которая обладает меньшей разностью полярностей между твердым телом и жидкостью, т.е. меньшей величиной поверхностного натяжения на их разделе. Высокополярные жидкости, т.е. жидкости с высоким поверхностным натяжением, хуже смачивают твердую поверхность, чем жидкости, обладающие низким поверхностным натяжением.

Величина угла смачивания зависит от множества факторов: механического строения поверхности, адсорбции на ней воздуха и других веществ, от ее загрязнения, электрического заряда и т.д.

Большое влияние на угол смачивания оказывают процессы адсорбции в связи с изменением химических свойств поверхности. Если при этом к поверхности ориентирована неполярная углеводородная цепь поверхностно-активных веществ, то гидрофильные радикалы (-ОН, -СООН, -СО, -СОН и др.), обращенные в сторону жидкости, способствуют смачиванию поверхности водой. При обратной ориентации поверхность гидрофобизуется.

Адсорбция полярных молекул на поверхности горных пород имеет большое значение при избирательном смачивании их водой и нефтью. Кварц, известняк и другие минералы, которыми в основном представлены нефтесодержащие породы, по своей природе в различной степени гидрофильны. Несмотря на это, все нефтесодержащие породы в значительной степени гидрофобизованы нефтью и часто очень плохо смачиваются водой, а иногда обладают устойчивой гидрофобной поверхностью.

Адгезия измеряется работой, которую необходимо совершить, чтобы оторвать твердое тело от жидкости в направлении нормали к поверхности раздела. Работа адгезии оценивается по уравнению Дюпре-Юнга

(3)

Установлено, что при смачивании твердого тела жидкостью выделяется тепло. Для пористых сред теплота смачивания изменяется в пределах 1-125 кДж/кг и зависит от степени дисперсности твердого тела и полярности жидкости. Степень гидрофильности горных пород оценивают сравнивая теплоту смачивания керна водой с теплотой смачивания абсолютно гидрофилизованной или гидрофобизованной породы. Среднее значение теплоты смачивания нефтенасыщенных терригенных пород колеблется от 6 до 24 кДж/кг.

Вследствие влияния на свойства поверхности горных пород большого числа факторов, избирательная смачиваемость их может меняться в широких пределах. В яснополянском надгоризонте ряда месторождений Пермской области встречаются породы поверхность которых характеризуется как гидрофобная. Как правило они залегают вблизи от ВНК и являются, вероятно, следом некого древнего ВНК, где происходило интенсивное окисление нефти. В зонах развития таких коллекторов совершенно бесперспективным является осуществление законтурного заводнения. Зато приконтурное дает ощутимый эффект за счет отсутствия оттока нагнетаемой воды за пределы залежи. Среди коллекторов месторождений Удмуртии и Пермского Прикамья преобладают породы, характеризующиеся промежуточной смачиваемостью (углы смачивания близки к 90 градусам). В терригенном девоне, где залегают маловязкие, малосернистые нефти, коллектора более гидрофильны вплоть до преимущественно гидрофильных.