§ 4. Кинетический гистерезис смачивания

В предыдущем параграфе явления смачивания рассматри­вались при равновесном состоянии системы. В пластовых же условиях чаще всего наблюдаются неустановившиеся процессы, происходящие на поверхностях раздела фаз. Внешне при та­ком процессе изменяется угол смачивания в зависимости от скорости и направления движения менисков в капиллярных каналах.

Кинетическим гистерезисом смачивания при­нято называть изменение угла смачивания при передвижении по твердой поверхности трехфазного периметра смачивания.

При изучении кинетического гистерезиса смачивания уста­новлены следующие общие закономерности.

Гистерезис зависит от направления движения периметра смачивания, т, е. от того, происходит ли вытеснение с твердой поверхности воды нефтью или нефти водой (рис. VI.5). Угол, образующийся при вытеснении нефти водой (_2,1). принято на­зывать наступающим, а угол образующийся при вытеснении воды нефтью (_1,2),— отступающим. При этом отсту­пающий _1,2, наступающий _2,1 и статический  углы всегда на­ходятся в соотношении _2,1>>_1,2.

Р ис. VI.5 Схема изменения углов смачивания при изменении направ­ления движения мениска в капилляр­ном канале

Гистерезис смачивания зависит от скорости перемещения трехфазной границы раздела фаз по твердой поверхности, а также от адсорбции на ней веществ и от шероховатости твер­дого тела.

С увеличением скорости вытеснения нефти водой из капил­лярных каналов пористой среды вследствие гистерезисных яв­лений наступающий угол смачивания возрастает и может стать больше 90°, если даже, в статических условиях поверхность ка­пилляра гидрофильна.

Причины гистерезиса еще недостаточно изучены. Одни ис­следователи считают, что он обусловлен силами трения, вызы­ваемыми неровностью поверхности, так как на полированных поверхностях гистерезис проявляется слабо. Другие наиболее вероятной считают молекулярную природу гистерезиса, завися­щего от прочности сцепления с твердой поверхностью молекул соприкасающихся фаз. При вытеснении из пор нефти воды при­ходится удалять с твердой поверхности адсорбированные моле­кулы полярных компонентов нефти. Поэтому возникает допол­нительное сопротивление растеканию воды по поверхности. В зависимости от порядка смачивания значение этих сил сопротивления неодинаково, чем и обусловлено различие, отступающих и наступающих углов.

Следует учитывать, что если энергия прилипания жид­кости к твердой поверхности больше энергии сцепления мо­лекул жидкости, то вытесняе­мая жидкость оставляет на по­верхности пленку толщиной, соизмеримой с радиусом действия молекулярных сил. Это — одна из причин образования остаточной пленочной нефти в пласте.

В пластовых условиях гистерезис смачивания осложняется влиянием остаточной воды, которая, по-видимому, способствует улучшению смачивания поверхности капиллярных каналов вы­тесняющей водой.

§ 5. Свойства поверхностных слоев пластовых жидкостей

О структуре поверхностного слоя существуют различные предположения.

Многие исследователи, изучающие строение и толщину тон­ких слоев жидкости, связывают образование пристенных слоев с поляризацией молекул и их ориентацией от поверхности твердого тела во внутренние области жидкости с образованием сольватных слоев (Сольватными называют полимолекулярные слои ориентированных мо­лекул, адсорбирующихся поверхностью зерен породы, Сольватные пристен­ные слои в порах пласта, заполненных нефтью, состоят из поверхностно-ак­тивных и других компонентов нефти).

Особо сложное строение имеют слои нефти, контактирую­щие с горными породами пласта, так как взаимодействие поверх­ностно-активных веществ с минералами очень многообразно.

Замечено, например, что реагенты применяемые во флота­ционной технике, могут закрепляться на поверхности минерала как в форме обычных трехмерных пленок, образующих само­стоятельную фазу на поверхности минеральных частиц, так и в виде поверхностных соединений, не имеющих определенного состава и не образующих отдельной самостоятельной фазы.

Наконец, реагенты могут концентрироваться в диффузион­ной части двойного электрического слоя, а не на самой поверх­ности раздела фаз.

Поверхностно-активные компоненты, по-видимому, всегда концентрируются не только на поверхности, но и в трехмерном объеме вблизи поверхности раздела.

Многими исследователями были сделаны попытки измерять толщину пленки различных жидкостей на твердых телах. Так, например, по результатам измерений Б. В. Дерягина и М. М. Кусакова толщина смачивающих пленок водных растворов солей на различных твердых плоских поверхностях составляет около 0,1 мкм. По результатам исследований И. Л. Мархасина, толщина граничного слоя нефти ряда месторождений Башкирии, остающейся на поверхности кварцевого песка, при вытеснении ее с реально существующими градиентами давлений может до­стигать 2—3 мкм. Эти слои отличаются от остальной части жидкости структурой и механическими свойствами—упруго­стью на сдвиг и повышенной вязкостью. Установлено, что свой­ства жидкости в поверхностном слое изменяются также вслед­ствие ее сжатия. Например, плотность адсорбированной силикагелем воды по некоторым измерениям составляет 1027— 1285 кг/м³.

Особыми свойствами обладают также адсорбционные и свя­занные с ними сольватные оболочки на разделах фаз в неф­тяном пласте. Некоторые составные части могут образовывать гелеобразные структурированные адсорбционные слои (с не­обычными — аномальными свойствами) с высокой структурной вязкостью, а при высоких степенях насыщения адсорб­ционного слоя — с упругостью и механической прочностью на сдвиг.

Исследования показывают, что в состав поверхностных слоев на разделе нефть — вода входят нафтеновые кислоты, низкомолекулярные смолы, коллоидные частицы высокомолеку­лярных смол и асфальтенов, микрокристаллы парафина, а также частицы минеральных и углеродистых суспензий. Предполага­ется, что поверхностный слой на разделе нефть — вода образу­ется в результате скопления минеральных и углеродистых ча­стиц, а также микрокристаллов парафина под влиянием изби­рательного смачивания водной фазой гидрофильных участков их поверхности. Адсорбирующиеся на этой же поверхности раз­дела асфальто-смолистые вещества, переходящие в гелеобразное состояние, цементируют частицы парафина и минералов в единый монолитный слой. Поверхностный слой еще, более утолщается вследствие сольватации гелей асфальто-смолистых веществ со стороны нефтяной фазы.

Особые структурно-механические свойства механиче­ских слоев обусловливают стабилизацию различных систем и, в частности, высокую устойчивость некоторых водонефтяных эмульсий.

Существование адсорбционных слоев на разделе остаточная вода — нефть, по-видимому, оказывает также некоторое задер­живающее влияние на процессы смешивания нагнетаемых в пласт вод с остаточными.