Основные понятия поверхностных и капиллярных сил

При рассмотрении углеводородных систем необходимо учитывать не только силы, возникающие на границе раздела газа и жидкости, но также и силы, действующие на границе раздела между двумя несмешивающимися жидкими фазами и между жидкостями и твердыми телами. Комбинация всех действующих поверхностных сил определяет смачиваемость и капиллярное давление в пористой среде.

Смачиваемость. Адгезионное натяжение (работа адгезии), являющееся функцией поверхностного натяжения, определяет, какая из двух исследуемых фаз лучше смачивает поверхность твердого тела. Рисунок 8 иллюстрирует случай, когда в контакте с твердым телом находятся две жидкости (нефть и вода). По определению, угол смачивания q измеряется в сторону жидкой фазы, имеющей большую плотность, и изменяется от 0 до 180^о. В соответствии с этим определением адгезионное натяжение можно выразить следующим образом:

, 21

где А_н — адгезионное натяжение; s_тн — поверхностное натяжение на границе раздела нефть — твердое тело; s_тв — поверхностное натяжение на границе раздела вода — твердое тело; s_вн — поверхностное натяжение на границе раздела вода — нефть.

Положительная величина адгезионного натяжения указывает на то, что вода избирательно лучше смачивает поверхность твердого тела. Если адгезионное натяжение равно нулю, следовательно, обе фазы имеют одинаковое сродство с твердым телом. Величина адгезионного натяжения, определяемая выражением 21, характеризует способность смачивающей фазы прилипать к твердому телу и растекаться по его поверхности. При высоком значении адгезионного натяжения или, что одно и то же, при малом угле смачивания вода будет быстро растекаться по поверхности твердого тела, стремясь покрыть эту поверхность. Если угол избирательного смачивания велик, то для того, чтобы заставить воду растекаться по поверхности, потребуется внешний источник энергии. В связи с этим смачивающая фаза стремится занять пустоты наименьших разиеров, а несмачивающая – более крупные открытые каналы. Для системы «нефть — вода — твердое тело» в зависимости от химического состава фаз и породы поверхность твердого тела может быть или гидрофильной (q>0) или гидрофобной(q<0). Большинство пород нефтяных месторождений гидрофобны по отношению к воде и гидрофильны по отношению к нефти.

Подъем жидкостей в капиллярах. Рассмотрим капиллярную трубку очень малого диаметра. Если такую трубку одним концом опустить в сосуд со свободным уровнем жидкости, то жидкость будет подниматься в трубке выше ее свободного уровня в сосуде. Эта разница уровней возникает вследствие действия сил взаимодействия (адгезионного натяжения) между внутренней стенкой трубки и жидкостью, которые преодолевают вес столба жидкости в трубке. Вследствие адгезионного натяжения жидкость стремится прилипнуть к внутренней поверхности трубки и будет подниматься в ней до тех пор, пока равнодействующая сил, действующих на жидкость вверх, не уравновесится весом столба жидкости, находящейся в трубке (рис 9).

Давление в жидкой фазе в капилляре под границей раздела газ – жидкость меньше, чем давление в газовой фазе над этой границей. Разница давлений по обе стороны границы раздела называется капиллярным давлением системы р_к. Из приравнивания сил веса жидкости и подъёмной на поверхности раздела в капилляре получим выражение для определения капиллярного давления, как функции поверхностных сил

. 22

Из данного соотношения видно, что к увеличению высоты подъёма воды в капилляре приводит уменьшение радиуса капилляра и уменьшение угла смачивания.

Последнее объясняет образование языков заводнения через наименее проницаемые коллектора.

Следует отметить, что характер кривизны поверхности раздела таков, что давление в несмачивающей фазе больше, чем давление в смачивающей фазе. Поэтому в пористой среде смачивающая фаза находится под меньшим давлением, чем несмачивающая.

Порядок насыщения пористой среды. Для изучения влияния порядка насыщения пористой среды необходимо рассмотреть вопрос о порах переменного размера. Для капиллярной трубки переменного диаметра высота подъема жидкости зависит от адгезионного натяжения, плотности жидкости и изменения диаметра капилляра по длине. Если к поверхности раздела фаз в таком капилляре приложено давление, то эта поверхность будет стремиться занять новое равновесное положение, в результате чего объем жидкости в капилляре уменьшится. Уменьшение объема воды означает уменьшение ее насыщенности и сопровождается увеличением капиллярного давления.

Таким образом, между капиллярным давлением и насыщенностью смачивающей фазы имеется обратная функциональная зависимость и более низким насыщенности соответствуют меньшие значения радиусов кривизны поверхности раздела. Поэтому смачивающая фаза будет занимать мелкие тупиковые и открытые поры системы, оставляя большие открытые каналы несмачивающей фазе. Насыщенность является не только функцией капиллярного давления, но зависит также от порядка насыщения пористого материала.

Например, в непрерывной капиллярной трубке, подобной изображенной на рис. 10, насыщенность при одних и тех же значениях капиллярного давления зависит от того, была ли первоначально система целиком заполнена смачивающей фазой или только начинает насыщаться ею. При поступлении несмачивающей фазы в трубку, заполненную смачивающей фазой, вытеснение последней будет происходить до тех пор, пока капиллярное давление не станет равно сумме приложенного давления и давления, создаваемого столбом оставшейся смачивающей жидкости. В случае, доказанном ва рис. 10а, порода насыщена смачивающей фазой на 80% при сравнительно более высоком значении капиллярного давления. Теперь рассмотрим случай, когда трубка первоначально заполнена несмачивающей фазой и погружена в сосуд с жидкостью, избирательно лучше смачивающей поверхность трубки. Смачивающая фаза начнет самопроизвольно впитываться в трубку под действием силы адгезионного натяжения между ею и поверхностью трубки до тех пор, пока сила адгезии не.уравновесится силой веса столба жидкости. Как показано на рис. 10б, насыщенность в этом случае составляет только 10%. В приведенном примере разной насыщенности (10 и 80%) соответствует одинаковое капиллярное давление. Из этого весьма упрощенного примера видно, что соотношение между насыщенностью смачивающей фазы и капиллярным давлением зависит от порядка насыщения. Для процесса дренирования пористой системы может, быть получено большее значение насыщенности, чем для случая впитывания смачивающей фазы в эту пористую систему.

Таким образом, соотношение «капиллярное давление — насыщенность» зависит от: 1) размера пор и их распределения; 2) свойств насыщающих фаз и природы поверхности твердого тела, участвующих в этом процессе, и 3) порядка насыщения.

Дата добавления: 2014-11-08