2.4.2. Смачивание и краевой угол.

Изучению явлений смачивания в нефтепромысловом деле уделяется очень большое внимание, т. к. по нему можно судить о вытесняющей способности воды и нагнетаемых в пласт жидкостей.

Рассмотрим поверхностное натяжение в системе «жидкость - твердое тело» или «газ – твердое тело». Как известно, в том случае, если флюид смачивает поверхность твердого тела, его капля растекается по твердой поверхности и принимает форму линзы (рис.2.4.5а), в противном случае капля стремится сохранить свою форму или смачивает твердую поверхность частично (рис.2.4.5б).

Рис.2.4.5. Положение капли жидкости на поверхности твердого тела в случае смачивания (а) и не смачивания (б).

Поверхность лучше смачивается той жидкостью, у которой меньше разность полярности с твердым телом, т. е. чем меньше коэффициент поверхностного натяжения жидкости, тем лучше она смачивает поверхность твердого тела, например, если , то вода лучше смачивает породу. Вообще высокополярные жидкости хуже смачивают твердую поверхность, чем малополярные.

Известно, например, что ртуть смачивает только некоторые металлы; вода смачивает металлы, многие минералы и кристаллические соли; масла смачивают практически все известные тела.

Степень смачивания жидкостью поверхности твердого тела определяется краевым углом смачивания. На рис.4.5 краевой угол смачивания θ – это угол, образованный касательной к поверхности жидкости в точке ее периметра и твердой поверхностью, который отсчитывается в сторону жидкости.

Если θ < 90⁰ поверхность смачивается данной жидкостью,

θ > 90⁰ – не смачивается, θ = 90⁰ – поверхность нейтральна,

θ = 0⁰ – абсолютное смачивание, θ = 180⁰ – абсолютное несмачивание.

Избирательное смачивание.

В нефтяном пласте всегда приходится иметь дело как минимум с тремя фазами (напомним, что фазами в физике нефтяного пласта называют любые несмешивающиеся среды: твердый скелет, воду, нефть или газ). Если смачивание твердой поверхности происходит одной фазой в присутствии другой, такое явление называется избирательным смачиванием (рис.2.4.6).

Краевым углом избирательного смачивания называют угол, образованный твердой поверхностью и касательной к поверхности одной жидкости в присутствии другой в точке ее периметра, который отсчитывается в сторону более полярной жидкости.

Рис. 2.4.6. Избирательное смачивание в системе «нефть – вода – твердая поверхность.

Обозначим для более общего случая

, ,

что соответствует рисунку 2.4.7.

Рис. 2.4.7. Схема избирательного смачивания.

Принимая во внимание «силовое» определение коэффициента поверхностного натяжения, рассмотрим их соотношение на рис. 2.4.4. В условиях термодинамического равновесия векторов имеем:

(2.4.1)

Если исключить силу тяжести, то угол  зависит только от молекулярных свойств поверхности твердого тела и соприкасающихся фаз. Поэтому

(2.4.2)

Уравнение (4.2) называется уравнением Юнга. Выражение называют натяжением смачивания.

В случае, если θ < 90º, то cosθ > 0 и из (2.4.2) имеем:

, т.е.

Это означает, что поверхность в этом случае лучше смачивается водой (жидкостью 1) и является гидрофильной (рис.2.4.8).

Если θ > 90º, cosθ < 0 и , поверхность лучше смачивается нефтью (жидкостью 2) и является гидрофобной (рис.2.4.8).

Рис. 4.7. Избирательное смачивание гидрофильной поверхности.

Рис. 2.4.8. Избирательное смачивание гидрофобной поверхности.

Краевой угол смачивания зависит также от шероховатости поверхности, механического строения молекул, адсорбции молекул газа и других веществ, загрязнения поверхности, электрического заряда, изменение химического строения поверхности

Особенно большое значение имеет адсорбция полярных молекул на поверхности горных пород. Так, кварц, известняк и другие минералы, которыми в основном представлены нефтесодержащие породы, по своей природе гидрофильны. Однако, реальные нефтесодержащие породы в значительной степени гидрофобизованы нефтью и часто очень слабо смачиваются водой.