11.Смачиваемость поверхности пород пластовыми жидкости и газами. Кинетический гистерезис смачивания.

При разработке нефтяных месторождений наблюдаются случаи значительного проявления капиллярных сил. Например, случай самопроизвольного впитывания в пластовые воды, либо вытеснение из пласта нефти. Действие капиллярных сил обусловлены в частности, поверхностным натяжением и наличием угла смачиваемости. Р_кап = 2σcosθ / r (1)

Как видно из формулы (1) величина Р_кап зависит от r.

Смачивание - это поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с твердым или др.жидким телом при наличии одновременного контакта 3-х несмешивающихся фаз.(п-да-нефть-вода; п-да-нефть-газ; п-да-вода-газ).

Степень смачиваемости породы той или иной жидкостью определяется краевым углом смачивания θ. Различают три положения на твердой поверхности капель нефти в водной среде и капель воды в нефтяной среде. Поверхность гидрофильная (рис1)

⁰ , вода лучше смачив. поверхность породы, нежели нефть.

Поверхность, одинаковосмачивающаяся (рис2) нефтью и водой. Идеальный случай (такого почти не бывает).

Поверхность гидрофобная, когда вода не смачивает твердую поверхность (рис3)

Переходная точка соответствующая θ=90⁰ называется точкой инверсии (т.е. точкой обращения).

Полное смачивание поверхности каплей воды в нефтяной среде соответствует θ=0⁰, такие поверхности наз.абсолютно гидрофильными поверхностями.

Полное смачивание поверхности породы каплей нефти в водной среде соответствует θ =180⁰ (cosθ =-1) такие поверхности наз.абсолютно гидрофобными поверхностями. Рассмотрим силы, действующие в какой-либо точке периметров смачивания и их направление.

На разделе вода-нефть сила поверхностного натяжения вн касательна к поверхности раздела вода-нефть. Горизонтальная её составляющая равная _вн cos стремится сократить поверхность раздела в сторону водной фазы. На разделе вода-порода сила поверхн. натяж-ия касательна к пов-ти раздела в-п и тоже стремится сократить площадь контакта капли воды с твердой поверхностью. На разделе порода нефть вектор поверх-го натяж-ия также касателен поверхности породы и действует в противоположном направлении, стремясь расширить площадь контакта капли воды с твердыми поверхностями.

Факторы, влияющие на θ .Величина θ, если исключить влияние сил тяжести зависит только от молекулярных свойств поверхности твердого тела и соприкасающихся с ней фаз. Установлено, что на величину θ оказ. влияние:

1. Полярность фаз: чем меньше отличие в полярности соприкасающихся фаз, т. е. чем меньше величина поверхностного натяжения на их разделе, тем лучше поверхность смачивания жидкостью и наоборот. Например, вода на чистом стекле хорошо смачивает поверхность стекла, но капля воды на поверхности парафина плохо смачивает го поверхность.

2. Процессы адсорбции: если поверхность твердого тела ориентирована неполярная углеводородная цепь поверхностно активного вещ-ва , то гидрофильные радикалы ,обращенные в сторону воды, способствует смачиванию, т.е. поверхность гидрофилизуется. А если ориентация ПАВ обратная, то поверхность гидрофобизуется. Причиной этого является способность молекул ориентироваться полярной частью к более полярной среде, а неполярной- к неполярной среде. Концентрация ПАВ в жидкостях: исследованиями Ребиндера было установлено, что зависимость угла θ от концентрации ПАВ в жидкостях может быть 2-х видов.

Рис.1 С увеличением С_пав поверхность из гидрофильной становится гидрофобной (линия 1). И наоборот, из гидрофобной в гидрофильную (линия 2).

Рис.2 Случай, когда точки инверсии не наблюдается, т.е. изменение COS θ ограничено.

т.А на рис.1 –наз. точкой инверсией смачивания или обращения. Шероховатость поверхности. С увеличением шероховатости породы скорость смачивания породы водой ухудшается. Температура. С ростом температуры в пласте уменьшается адсорбцияактивных компонентов в пласте, отсюда следует поверхн-ть породы гидрофилизуется и лучше смачивается водой. Количество и состав растворимого газа. При растворении N₂ угол смачивания не меняется, а если растворяются углеводородные газы в нефти, количество полярных компонентов уменьшается, снижается их адсорбция, улучшается смачиваемость пор водой, т.е. порода гидрофилизуется. Давление. При высоких давлениях больше, чем при низких давлениях, т.е. смачиваемость породы водными растворами уменьшается. Состав вытесняющей воды. Щелочные воды лучше смачивают поверхность пород, чем жесткие минерализованные и пресные воды. Это связано с омылением органических кислот щелочными водами. Величина θ зависит от минералогического состава породы. θ меньше на кварце, чем на карбонатных, что указывает на меньшую гидрофильность по сравнению с терригенными породами.

Кинетический гистерезис смачивания

для статического гистерезиса смачивания капля жидкости во всех точках периметра смачивания имеет одно и то же значение θ .

Если твердая поверхность наклонить, то капля начнет перемещаться и углы θ изменятся. θ₀- отступающий угол;θ_н- наступающий угол; θ_н > θ _0.

В пласте в большинстве случаев существует кинетический гистерезис смачивания. Изменение при движении капли(либо менисков в поровом канале) на ТВ. Поверхности-кинетический гистерезис смачсивания. В пластовых условиях в капиллярах он будет выглядеть след. образом: Р₁>Р₂; Р₁-Р₂=P ;н> ₀.

При вытеснении из пористой среды нефти водой или газом образующийся угол называется наступающим углом смачивания, и наоборот при вытеснении воды нефтью образующийся угол смачивания называется отступающим.