Зависимость поверхностного натяжения пластовых жидкостей от давления и температуры

РОЛЬ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ ПРИ ДВИЖЕНИИ НЕФТИ, ВОДЫ И ГАЗА В ПОРИСТОЙ СРЕДЕ

Нефтяной пласт представляет собой залежь осадочных гор­ных пород в виде тела, более или менее однородного по со­ставу, с огромным скоплением капиллярных каналов и трещин, поверхность которых очень велика. Мы уже видели, что иногда поверхность поровых каналов в 1 м³ нефтесодержащих пород составляет несколько гектаров. Поэтому закономерности дви­жения нефти в пласте и ее вытеснения из пористой среды на­ряду с объемными свойствами жидкостей и пород (вязкость, плотность, сжимаемость и др.) во многом зависят от свойств пограничных слоев соприкасающихся фаз и процессов, проис­ходящих на поверхности контакта нефти, газа и воды с породой.

Более интенсивное проявление свойств пограничных слоев по мере диспергирования (дробления) тела обусловлено возра­станием при этом числа поверхностных молекул по сравнению с числом молекул, находящихся внутри объема частиц. В ре­зультате с ростом дисперсности системы явления, происходя­щие в поверхностном слое, оказывают все большее влияние на движение воды и газа в нефтяных и газовых коллекторах.

Поверхностные явления и поверхностные свойства пластовых систем, по-видимому, сказались также на процессах формиро­вания нефтяных и газовых залежей. Так, например, степень гидрофобизации поверхности поровых каналов нефтью, строе­ние газонефтяного и водонефтяного контактов, взаимное распо­ложение жидкостей и газов в пористой среде, количественное соотношение остаточной воды и нефти и некоторые другие свой­ства пласта обусловлены поверхностными и капиллярными яв­лениями, происходившими в пласте в процессе формирования залежи.

Очевидно также, что важнейшую проблему увеличения неф­теотдачи пластов нельзя решить без детального изучения про­цессов, происходящих на поверхностях контакта минералов с пластовыми жидкостями, и свойств тонких слоев жидкостей, соприкасающихся с породой.

Физико-химические свойства поверхностей раздела различ­ных фаз и закономерности их взаимодействия характеризуются рядом показателей—поверхностным натяжением границы раз­дела фаз, явлениями смачиваемости и растекания, работой ад­гезии и когезии, теплотой смачивания.

Определение понятия поверхностного натяжения s связыва­ется с работой обратимого изотермического процесса образо­вания единицы новой площади поверхности раздела фаз при постоянстве давления и химических потенциалов компонентов.

По поверхностному натяжению пластовых жидкостей на раз­личных поверхностях раздела можно судить о свойствах сопри­касающихся фаз, о закономерностях взаимодействия жидких и твердых тел, о процессах адсорбции, о количественном и каче­ственном составе полярных компонентов в жидкости, об интенсивности; проявления капиллярных сил и т. д.

Влияние температуры и давления на поверхностное натяже­ние жидкостей можно установить, исходя из молекулярного ме­ханизма возникновения свободной поверхностной энергии и энергетической сущности поверхностного натяжения.

С повышением температуры уменьшается поверхностное на­тяжение чистой жидкости на границе с паром, что связано с ос­лаблением межмолекулярных сил с ростом температуры. Эта зависимость определяется следующей формулой:

s_t = s₀(l —gt), (VI. 1)

где s_t и s₀ — поверхностные натяжения системы (мН/м) при температурах t и О °С; g — температурный коэффициент поверх­ностного натяжения, сохраняющий свойства константы при тем­пературах вдали от критической точки, 1/°С; t — темпера­тура, °С.

В табл. VI.1 приведены температурные коэффициенты неко­торых жидкостей.

Таблица VI.1 Температурные коэффициенты некоторых жидкостей

С увеличением давления поверхностное натяжение жидкости на границе с газом понижается. Это связано с уменьшением свободной поверхностной энергии вследствие сжатия газа и его растворения в жидкости. В табл. VI.2 приведены результаты измерений поверхностного натяжения воды при различных тем­пературах и давлениях.

Таблица VI.2 - Поверхностное натяжение воды на границе с газом при различных температурах и давлениях

Еще более сложна зависи­мость поверхностного натяже­ния нефти от давления на гра­нице с газом. Хотя ее общий характер остается таким же, как и для воды, количествен­ные изменения s на границе с газом для нефти с увеличением давления зависят от многих до­полнительных факторов — хи­мического состава нефти, ко­личества растворенного газа и его состава, природы полярных компонентов и их количества и т. д. На рис. VI.1 приводятся результаты измерений поверх­ностного натяжения нефти на границе с газом при различных давлениях, полученные М. М. Кусаковым, Н. М. Лубман и А. Ю. Кошевник. Оказалось, что чем выше растворимость газа, тем интенсивнее уменьшается поверхностное натяжение нефти с повышением давления.

Рис. VI. 1. Зависимость поверхно­стного натяжения нефти Небитдагского месторождения от дав­ления 1 - на границе с метаном (при t=20 °С); 2 — на границе с метаном (при t=60 °С); 3 — на границе с этан-пропановой смесью

Поверхностное натяжение дегазированной малополярной нефти на границе с водой в пределах давлений, встречающихся в промысловой практике, мало зависит от давления и темпера­туры (рис. VI.2). Это объясняется относительно небольшим и примерно одинаковым изменением межмолекулярных сил каж­дой из жидкостей с увеличением давления и температуры, так что соотношение их остается постоянным.

Рис. VI.2. Поверхностное на­тяжение нефти Туймазинского месторождения на границе с водой при различных давле­ниях и t=20 °С

При содержании в нефти воднорастворимых полярных ком­понентов поверхностное натяжение ее на границе с водой мо­жет увеличиваться с ростом давления и температуры вследст­вие растворения этих компонентов в воде.

Сложный характер имеет зависимость поверхностного натя­жения нефти на границе с водой от давления и температуры в условиях насыщения нефти газом (рис. VI.3). Это обусловлено изменением концентрации полярных компонентов в поверхност­ном слое нефти при растворении в ней газа.

Рис. VI.3. Зависимость поверхност­ного натяжения нефти Небитдагского месторождения на границе с водой от давления при температуре 20 °С 1 - при насыщении обеих фаз метаном, 2 — при насыщении обеих фаз этан-пропановой смесью

В связи со значительно большей растворимостью газа в нефти поверхностное натяжение последней на границе с га­зом с увеличением давления насыщения (при постоянной тем­пературе) уменьшается интенсивнее, чем для воды. Это значит, что с ростом давления увеличивается и разница поверхностных натяжений нефти и воды на границе с газом, а следовательно, и межфазное натяжение между ними.

По результатам измерения поверхностного натяжения нефти на границе с водой в зависимости от давления насыщения нефти газом по ряду месторождений видим, что поверхностное натяжение при этом может быть значительным (3—6 мН/м и более) с изменением давления в пределах 0—26,5 МПа.

Повышение температуры сопровождается ухудшением раст­воримости газа и увеличением коэффициента сжимаемости нефти. Поэтому поверхностное натяжение ее на границе с во­дой с повышением температуры должно уменьшаться. Следо­вательно, рост давления и температуры действует в противопо­ложных направлениях и в результате в отдельных случаях воз­можно, что изменения поверхностного натяжения не будет.

Исходя из энергетической сущности поверхностного натя­жения, используя правило Антонова (Согласно правилу Антонова межфазное натяжение двух жидкостей s_AB (если известно поверхностное натяжение s_А и s_B их насыщенных рас­творов на границе с воздухом) определяется соотношением s_АВ=s_А—s_B.) и учитывая другие сооб­ражения, можно высказать соответствующие предположения о зависимости поверхностного натяжения нефти на границе с во­дой от давления и температуры в области выше давления насыщения. Однако эти зависимости исследованы еще недостаточно, и поэтому о них пока можно судить лишь предположительно.

Значительные изменения поверхностного натяжения нефти на различных поверхностях раздела в зависимости от давления и температуры в пластовых условиях необходимо учитывать при оценке капиллярных процессов в пористой среде. На границе с газом капиллярные давления могут быть меньше, чем это на­блюдается в лабораторных условиях при низких давлениях. На разделе нефть — вода с ростом давления интенсивность капил­лярных процессов может возрастать.

Как уже отмечалось, весьма ценные данные о нефти и ее свойствах можно получить при специальных измерениях поверх­ностного натяжения. Например, по поверхностному натяжению на границе с воздухом воднощелочных вытяжек из нефти оце­нивают содержание примесей в ней кислотного характера, ко­торые омыляются при контакте нефти со щелочной водой и переходят в воду. Такие определения, как мы увидим впослед­ствии, имеют большое значение для оценки нефтевымывающих свойств воды.

Для определения характеристики омыляемой части нефти обычно готовят воднощелочные вытяжки путем настаивания нефти в контакте с равными объемами растворов NaOH раз­личной концентрации.

Дата добавления: 2014-11-07