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

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 является одной из причин образования остаточной пленочной нефти в пласте.

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

I 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.

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 10"* см (100 нм). 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

Сольватными называют полимолекулярные слои ориентированных молекул, адсорбирующихся поверхностью зерен породы. Сольватные пристенные слои в порах п,таста, заполненных нефтью, состоят из поверхностно-активных п других компонентов нефти.

адсорбированной силикагелем воды по некоторым измерениям составляет 1027-1285 кг/м».

Особыми свойствами обладают также адсорбционные и связанные с ними сольватные оболочки на разделах фаз в нефтяном пласте. Некоторые составные части нефти 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 сольватизации гелей асфальто-смолистых веществ со стороны нефтяной фазы.

Особые структурно-механические свойства поверхностных 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 смешиваемости нагнетаемых в пласт вод с остаточными.

§ 6. РАСКЛИНИВАЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ ТОНКИХ СЛОЕВ ЖИДКОСТИ. ОПЫТЫ ДЕРЯГИНА. ЭФФЕКТ РЕБИНДЕРА

Жидкость, смачивающая твердое тело, проникая в тонкие трещины, способна играть роль клина и раздвигать ее стенки, т. е. тонкие слои жидкости обладают расклинивающим действием . Это свойство тонких слоев проявляется также при сближении твердых поверхностей, погруженных в жидкость. По исследованиям Б. В. Дерягина расклинивающее действие возникает при условии, если толщина слоя h жидкости, раздвигающей поверхности трещины, меньше некоторой величины Акр- При h > hp расклинивающее действие равно нулю и при h <; \р оно возрастает с уменьшением толщины жидкого слоя, т. е. с момента А Лр Для сближения поверхностей частиц необходимо приложить к ним внешнюю нагрузку.

Понятие «расклинивающее» действие введено Б. В. Дерягиным!

Факторами, создающими расклинивающее действие, являются силы ионно-электростатического происхождения и особое агрегатное состояние полярных жидкостей вблизи граничных поверхностей.

Ранее упоминалось, что свойства сольватного слоя на поверхности твердого тела резко отличаются от свойств остальной части жидкости. Этот (сольватный) слой можно рассматривать как особую граничную фазу. Поэтому при сближении частиц до расстояний меньших двойной толщины сольватных слоев к частицам необходимо прикладывать внешнюю нагрузку.

Расклинивающее давление ионно-электростатического происхождения возникает из-за изменений концентрации ионов в слое, разделяющем частицы и в окружающем их растворе.

По результатам опыта расклинивающее действие тем больше, чем прочнее связь между жидкостью и поверхностями твердого тела. Его можно усилить, если ввести в жидкость поверхностно-активные вещества, хорошо адсорбируемые поверхностью твердого тела. На зтом явлении основан эффект Ребиндера . Сущность его заключается в том, что небольшие количества поверхностно-активных веществ вызывают резкое ухудшение механических свойств твердого тела. Адсорбционное понижение прочности твердых тел зависит от многих факторов. Оно усиливается, если тело подвергается растягивающим усилиям и если жидкость хорошо смачивает поверхность.

Эффект адсорбционного понижения прочности используется в бурении скважин. При использовании в качестве промывочных жидкостей растворов, содержащих специально подобранные поверхностно-активные вещества, заметно облегчается бурение твердых пород.

§ 7. ИЗМЕРЕНИЕ УГЛОВ СМАЧИВАНИЯ

Для изучения смачиваемости поверхности твердых тел и смачивающих свойств жидкостей широко пользуются оптической ска.мьей. При этом каплю жидкости, нанесенную на твердую поверхность минерала (шлиф) или горной породы, проектируют с помощью оптической системы в увеличенном виде на экран из матового стекла. Краевой угол смачивания 9 измеряют по изображению, полученному на матоводг стекле, или по фотографии капли.

С помощью оптической скамьи можно измерить как статические, так и кинетические углы смачивания. Если первые определяются для общей физико-химической характеристики нефтесодержащих пород и смачивающих свойств вод, то кинетические углы важно знать при изучении избирательного смачивания пород в процессе вытеснения нефти водой из пористых сред и для оценки знака и величины капиллярного давления в поровых каналах.

1 Г о р ю н о в Ю. В., П е р ц о в Н. В., Сумм Б. Д. «Эффект Ребиндера». М., изд-во «Наука», 1966.