Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 [ 68 ] 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100

фактора может иметь разный характер, а может быть положительной или отрицательной.

Щелочные воды лучше смачивают поверхность кварца и других минералов, слагающих пласт, чем морская и дистиллированная вода. Это связано с омылением органических кислот щелочами воды. Мыла, адсорбпруясь на поверхности раздела нефть - вода и нефть- - порода - вода, способствуют гидрофилизации поверхности, т. е. уменьшению угла смачивания.

В атмосферных условиях величина угла смачивания пропорциональна поверхностной активности нефти. При высоких давлениях это условие нарушается.

Кроме измерения углов Недгть Ша

смачивания, взаимодействие------

жидких и твердых тел может быть исследовано путем изучения работы адгезии и теп-лот смачивания.

Работа адгезии по урав- Рис. VI.5. Схема изменения углов сма-нению Дюпре оценивается чивания при изменении направления дви-величиной жения мениска в капиллярном канале.

И = (Тз,2 + ст1,2-(Тз,1, (VI.4)

где aj,2 - поверхностное натяжение жидкости на границе с воздухом;

<з,2 и Одд - поверхностное натяжение твердого тела на границе с воздухом и с жидкой фазой. Неизвестные величины 03, и Од из уравнения (VI.4) можно исключить, если использовать соотношение (VI.3) и (VI.2). Подставляя в уравнение Дюпре вместо Ogj и 03,2 их значения из (VI.2), получим уравнение Дюпре - Юнга

= (1,2(1 +cos 0). (VI.5)

Из соотношения

f3,2 -Оз,1 = (1,2С03 9 (VI.6)

следует, что при смачивании свободная энергия единицы поверхности твердого тела уменьшается на а cos 6. Величину cos 6 принято называть натяжением смачивания.

Из уравнения (VI.5) следует, что на отрыв жидкости от поверхности твердого тела при полном смачивании, когда cos 6 = 1, затрачивается работа W = 2а необходимая для образования двух жидких поверхностей.

Это значит, что при полном смачивании жидкость отрывается не от поверхности твердого тела, а происходит разрыв самой жидкости, т. е. при полном смачивании а fs.i-

Для гидрофобных поверхностей характерно соотношение о.г > > сгз, т. е. жидкость может отрываться от поверхности. При

о = 180°, т. е. при полной несмачиваемости жидкостью поверхности твердого тела, работа адгезии равна нулю. Следовательно, работа адгезии может служить показателем смачиваемости или прилипае-мости жидкостей к поверхности твердого тела.

Адгезию можно измерить экспериментально. Опыты показывают, что при медленном отрыве, когда поверхностные силы успевают прийти в состояние равновесия, величины работы отрыва, подсчитанные по уравнению Дюпре - Юнга и определенные экспериментально, совпадают. С увеличением скорости отрыва работа адгезии возрастает, по-видимому, за счет возникающих электростатических сил. При этом заряды двойного слоя не успевают нейтрализоваться и электрические силы суммируются с силами адгезии.

Установлено, что при смачивании твердого тела жидкостью наблюдается выделение тепла, так как разность полярностей на границе твердое тело - жидкость меньше, чем на границе порошок - воздух. Для пористых и порошкообразных тел теплота смачивания обычно имеет значение от 1 до 125 кДж/кг и зависит от степени дисперсности твердого тела и от полярности жидкости .

Теплота смачивания характеризует степень дисперсности твердого тела и природу его поверхности. Большее количество тепла выделяется при смачивании той жидкостью, которая лучше смачивает твердую поверхность. Поэтому отношение теплот смачивания жидкости может служить термической характеристикой смачиваемости этой поверхности.

Более определенно степень гидрофильности или гидрофобности поверхности горных пород оценивают путем сравнения теплоты смачивания керна водой с теплотами смачивания полностью гидро-фобизованной и гидрофилизованной породы. Среднее значение теплот смачивания нефтенасыщенных кернов ряда нефтяных месторождений Западной Сибири колеблется от 6,3 до 24,4 кДж/кг.

Теплоты смачивания оцениваются в калориметрах высокой точности.

Поверхность горных пород отличается значительной неоднородностью по смачиваемости. Это можно объяснить многими причинами. Большое влияние на свойства поверхностей оказывают процессы адсорбции, которые зависят от большого многообразия факторов, связанных как с составом пластовых жидкостей и пород, так и с условиями их контакта в пласте. Свойства поверхности минералов, кроме явлений адсорбции, зависят и от процессов химического взаимодействия жидкостей и минералов, ионного обмена, растворения и электрокинетических явлений. Значительно влияет на эти процессы сложное строение самой поверхности минералов. Вследствие влияния на свойства поверхности горных пород большого числа факторов, избирательная смачиваемость их пластовыми жидкостями

1 1 кал = 4,1866 Дж; 1 ккал = 4,1868 кДж; 1 ккал/кг = 4,1868 кДж/кг. Рудаков Г. В., Зеленская Э. К. Определение теплоты смачивания нефтенасыщенных горных пород. «Нефтяное хозяйство», 1970, № 12.

мо,1лет изменяться в широких пределах. Некоторые породгл, по-видимому, полностью гидрофобизованы нефтью. Большинство же исследованных коллекторов газовых месторождений сложены гидрофильными породами.

§ 4. КИНЕТИЧЕСКИЙ ГИСТЕРЕЗИС СМАЧИВАНИЯ

В предыдуш;ем параграфе явления смачивания рассматривались при равновесном состоянии системы. В пластовых же условиях чаще всего возникает передвигающийся трехфазный периметр смачивания, и, следовательно, 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.

Величина гистерезиса 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 (б), принято называть наступающим, а угол, образующийся при вытеснении воды нефтью (62), - отступающим. При этом отступающий 02, наступающий 0 и статический О углы почти всегда находятся в соотношении 01 > 9 > 0..

Величина гистерезиса 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 иефти 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 (рис. VI.5).

Причины гистерезиса еще недостаточно изучены. Одни исследователи считают, что гистерезис обусловлен силами трения, вызываемыми неровностью поверхности, так как на полированных поверхностях он проявляется слабо.

Наиболее вероятной считается молекулярная природа гистерезиса. Он зависит от прочности сцепления с твердой поверхностью молекул соприкасающихся фа.з. При вытеснении из пор нефти воде приходится удалять с твердой поверхности адсорбированные молекулы полярных компонентов нефти. Поэтому возникает дополнительное сопротивление растеканию воды по поверхности. В зависимости от порядка смачивания величина этих сил сопротивления неодинакова, чем и обусловлено отличие отступающих и наступающих углов.