2. Поверхностные явления при фильтрации пластовых жидкостей. Причины нарушения закона Дарси.

На закономерности фильтрации жидкостей и газов в пористой среде влияют не только границы раздела, возникающие между нефтью, газом и водой, но также и поверхностные явления, происходящие на границах жидкостей с твердым телом. Образование на поверхности каналов фильтрации адсорбционно-сольватных слоев, практически не участвующих в движении, приводит к постепенному затуханию фильтрации за счет уменьшения эффективного сечения каналов. Понижение скорости фильтрации может быть вызвано химической фиксацией адсорбционных слоев поверхностно-активных компонентов нефти. Этот процесс может продолжаться до полной закупорки каналов фильтрации вследствие возрастания толщины коллоидных пленок. Исследованиями было установлено, что эффект затухания фильтрации нефтей исчезает с повышением температуры до 60-65 ^оС и при увеличении перепадов давления. С повышением депрессии до некоторого предела происходит размывание возникших ранее адсорбционно-сольватных слоев. Эти явления служат одной из причин нарушения закона Дарси при изменении режима фильтрации углеводородных жидкостей в пористой среде. Для нефтей Пермской области, Удмуртии, Башкирии, Татарии явления затухания фильтрации как правило не наблюдается, если экспериментировать со свежими, не окисленными жидкостями. Это связано с малой активностью нефтей региона.

Другой причиной нарушения закона Дарси могут быть аномальные свойства жидкостей, связанные с отклонением от закона трения Ньютона. Зависимость скорости фильтрации от перепада давления для неньютоновских жидкостей является нелинейной и характеризуется градиентом сдвига. Строго говоря, аномальные свойства проявляются не только у нефтей, но и у воды, фильтрующейся в тонких каналах, свойственных для пористых сред. Таким образом, любые жидкости в пористой среде характеризуются неньютоновскими свойствами, но в одних случаях величина градиента сдвига поддается измерению, а в других она настолько мала, что ей пренебрегают.

3. Электрокинетические явления в пористых средах

Эти явления связаны с наличием ионно-электростатических полей у границ поверхностей в растворах электролитов. Распределение ионов в электролите у заряженной поверхности пористой среды имеет диффузионный характер, т.е. находятся у поверхности в виде “ионной атмосферы”, возникающей вследствие теплового движения ионов и молекул жидкости. Концентрация ионов, наибольшая вблизи адсорбированного слоя, убывает с расстоянием от твердой поверхности до тех пор, пока не сравняется со средней их концентрацией в растворе. У поверхности твердого тела образуется слой Гельмгольца толщиной, равной радиусу ионов, составляющих слой. Толщина диффузной части двойного слоя составляет несколько тысяч ангстрем.

При относительном движении твердой и жидкой фаз скольжение происходит не у самой поверхности твердого тела, а на некотором расстоянии, имеющем размеры, близкие к молекулярным. Интенсивность электрокинетических процессов характеризуется не всей величиной скачка и потенциала между твердой фазой и жидкостью, а скачком между частью жидкости, неразрывно связанной с твердой поверхностью и остальным раствором. Наличие двойного электрического слоя на границах раздела фаз способствует возникновению электрокинетических явлений (электроосмоса, электрофореза, потенциала протекания и др.). Все они имеют общий механизм возникновения, связанный с относительным движением твердой и жидкой фаз. При течении элекролита в пористой среде возникает электрическое поле (потенциал протекания). Если к пористой среде приложить электрическое поле, то под влиянием ионов раствор электролита приходит в движение в связи с тем, что направленный поток избыточных ионов диффузного слоя увлекает за собой массу жидкости под действием трения и молекулярного сцепления. Это явление носит название электроосмоса. С наложением электрического поля на взвесь дисперсных частиц возникает движение дисперсной фазы, получившее название электрофореза. При этом частицы раздробленной твердой или жидкой фазы переносятся к катоду или аноду в массе неподвижной дисперсной среды. Количественно зависимость скорости электроосмоса от параметров электрического поля и свойств пористой среды и жидкостей описывается формулой Гельмгольца - Смолуховского:

,

где - расход жидкости под действием электроосмоса;

- суммарная площадь поперечного сечения капиллярных каналов пористой среды;

- падение потенциала в подвижной части двойного слоя;

- диэлектрическая проницаемость;

- градиент потенциала;

-потенциал, приложенный к пористой среде длиной ;

- вязкость жидкости.

Учитывая, что сопротивление жидкости

,

а

,

где - удельная электропроводность жидкости;

- сила тока,

можно записать

или, аналогично закону Дарси

,

где - пористость;

- электроосмотический коэффициент проницаемости;

- площадь образца.

По закону Дарси расход жидкости равен

При совпадении направлений фильтрации с результатом проявления электроосмоса суммарный расход жидкости составит

Принципиальная возможность повышения скорости фильтрации за счет электроосмоса доказана экспериментально. Однако многие вопросы приложения электрокинетических явлений в нефтепромысловой практике изучены недостаточно. Увеличение концентрации электролитов сопровождается уменьшением толщины диффузного слоя и снижением электрокинетического потенциала. При некоторой концентрации электролитов скорость электрокинетических процессов становится равной нулю. Очевидно для месторождений Урало-Поволжья и в том числе Удмуртии, где пластовые воды являются высокоминерализованными электроосмотический перенос материи проявляется очень слабо. Но при нагнетании в пласты пресной воды и значительном разбавлении пластовых вод он вероятно может иметь место и оказывать то или иное влияние на скорость фильтрации пластовых жидкостей увеличивая или уменьшая ее.