§ 6. Измерение углов смачивания

Для изучения смачиваемости поверхности твердых тел и смачивающих свойств жидкостей широко применяют оптиче­скую скамью. 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 измеряют по изображению, полученному на матовом стекле, или по фото­графии капли.

С помощью оптической скамьи можно измерить как стати­ческие, так и кинетические углы смачивания. Если первые опре­деляют 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.

Для измерения угла смачивания, образующегося на границе различных сред при движении раздела фаз, предложено много методов.

По одному из них измеряют краевой угол смачивания, обра­зуемый поверхностью жидкости и погруженной в нее наклонной пластинкой минерала во время опускания или поднятия послед­ней с соответствующей скоростью. При другом способе изме­ряются краевые углы натекания и оттекания, образуемые кап­лей жидкости на наклонной твердой поверхности. По третьему динамика изменения угла смачивания создается путем отсасы­вания капиллярной пипеткой нефти или воды из капли. С умень­шением объема капли нефти образуется наступающий угол сма­чивания, при увеличении ее — отступающий. Наконец, углы сма­чивания в динамике можно измерить при медленном движении мениска в капилляре.

Упомянутые методы измерения кинетических углов избира­тельного смачивания не воспроизводят пластовых условий и их нельзя применять для оценки краевых углов смачивания при движении водонефтяного контакта в пористой среде.

Некоторое представление о смачивающих свойствах вод и природе поверхности поровых каналов можно получить, изме­ряя скорость пропитывания пористой среды жидкостью или ка­пиллярного вытеснения одной жидкости другой. Для изучения процесса капиллярного пропитывания и взаимного вытеснения нефти и воды обычно используются различные модификации прибора З.В.Волковой, одна из которых приведена на рис.VI6.

Р ис. VI.6. Схема одного из вариантов прибора 3. В. Волковой

В стеклянную трубку 3 с помощью резинового уплотнения 5 вставляют пробу изучаемого песчаника 4, насыщенного оста­точной водой и нефтью. Капилляр 1, наполненный вытесняю­щей жидкостью до конца расширенной части, соединяется с трубкой 3 на шлифе 7. Пространство между торцом образца и пробкой капилляра сообщается с атмосферой при помощи от­вода с пробкой 2. На капилляре 1 нанесены деления, по кото­рым можно определить количество вошедшей в керн под дейст­вием капиллярных сил воды в различные моменты времени. При изучении процесса капиллярного вытеснения нефти трубка на­полняется водой и после соединения шлифа 7 открываются пробка 2 и кран 6. Прибор слегка наклоняют, в этом случае жидкость достигает торца песчаника, после чего пробка 2 за­крывается. Прибор вновь устанавливают в горизонтальное по­ложение и проводят наблюдение за процессом капиллярного вытеснения нефти водой.

Аналогичные приборы созданы также для изучения процес­сов капиллярного вытеснения при высоких давлениях. Пори­стую среду, состоящую из капилляров различных диаметров с большим разнообразием геометрических форм, можно заменить идеальным грунтом со средним радиусом цилиндрических пор. Тогда зависимость длины смоченного слоя породы от времени только под действием капиллярных сил можно приближенно оценить по формуле 3. В. Волковой:

l²= . (V.I.7)

где l — длина смоченного слоя породы к моменту времени t;  — поверхностное натяжение;  — угол смачивания; r — средний радиус пор (Строго говоря, значение г при пропитывании зависит также от свойств жидкости, поэтому г в формуле (VI .7) можно лишь условно принять за средний радиус пор);  — вязкость жидкости.

Уравнение (VI.7) действительно для пропитывания пористой среды жидкостью, при этом вязкость газа (воздуха) принята равной нулю.

В процессе вытеснения из породы менее смачивающей фазы лучше избирательно смачивающей жидкостью уравнение зависимости l от t при пропитывании в горизонтальном направле­нии имеет вид (VI.8)

где lо — общая длина пористой среды;  — вязкость вытесняю­щей жидкости; ₁ — вязкость вытесняемой жидкости.

Уравнение (VI.8), основанное на классических законах ка­пиллярности, действительно только для единичных капилляров, так как не учитывает специфических особенностей строения и свойств пористых сред и многообразия явлений, происходящих в процессе их пропитывания.

Основные препятствия, затрудняющие использование урав­нений 3. В. Волковой для расчета углов избирательного смачи­вания пористых сред по данным капиллярного пропитывания, состоят в образовании в поровом пространстве смесей жидко­стей, что не учитывается уравнением (VI.8), а также в трудно­сти определения радиуса r, характеризующего геометрию порового пространства образца и одновременно свойства жидко­стей. Кроме того, уравнение (VI.8) не учитывает зависимость угла смачивания и поверхностного натяжения от скорости дви­жения мениска. Однако это уравнение можно использовать для приближенной оценки смачиваемости гидрофильных пористых сред, если принять специальные меры, позволяющие избежать упомянутые препятствия. Например, влиянием на скорость впи­тывания воды в нефтенасыщенные образцы водонефтяных сме­сей, образующихся в пористой среде в зоне пропитки, можно пренебречь, если для расчетов смачиваемости использовать на­чальную скорость впитывания воды (в момент времени t=0), когда смеси еще не успели образоваться. Далее предположим, что радиусы r пор в начальный момент пропитки в меньшей степени зависят от свойств жидкости, и примем, что средний размер пор в образце породы зависит от проницаемости k и пористости m породы по известному соотношению (см. § 7, гл. I). (VI.9)

где  — структурный коэффициент, характеризующий отличи­тельные особенности строения порового пространства коллекто­ров (для зернистых коллекторов =0,5035/m^1.1).

Для перехода к скоростям пропитки продифференцируем уравнение (VI.8) по времени (VI. 10)

При t=0 длина l смоченного слоя также стремится к нулю, и тогда с учетом уравнения (VI.9) получим

(VI.11)

где v_t0 — начальная скорость впитывания воды в образец, оп­ределяемая по опытным данным по наклону касательной к кривой впитывания lf(t) в момент времени t = 0.

Как уже упоминалось, различные участки поверхности пори­стых сред обладают неодинаковой смачиваемостью. В условиях гетерогенной смачиваемости уравнение (VI.11) можно приме­нять для расчета осредненных относительных углов смачивания по скоростям капиллярного пропитывания образца вытесняю­щей водой в начале процесса.

В лабораторной практике используют различные методы оценки смачиваемости пород пластовыми жидкостями — методы, основанные на способности поверхности гидрофильного керна адсорбировать лишь определенные красители (некоторые из них основаны на зависимости флотируемости минералов от смачи­ваемости поверхности породы).

Для оценки относительной смачиваемости пористых сред можно применять кривые «капиллярное давление — насыщен­ность». Известно, что с изменением смачивающих свойств жидко­сти эти кривые, снятые для одной и той же пористой среды, сме­щаются. Степень смещения кривых, кроме изменений поверхностного натяжения, определяют по значению cos в первом и втором опытах.