§2. Капиллярные явления. Формула Жюрена
Капиллярные явления наблюдаются, когда жидкость проникает в трубки с очень узкими каналами (капилляры, капиллярно-пористые тела), у которых расстояние между стенками соизмеримо с радиусом кривизны поверхности жидкости. Кривизна возникает в результате взаимодействия жидкости со стенками сосуда (адгезия, смачивание). Специфика поведения жидкости в капилляре зависит от того, смачивает или не смачивает жидкость его стенки, точнее, от значения краевого угла смачивания.
Рассмотрим положение уровней жидкости в двух капиллярах, один из которых имеет лиофильную поверхность и поэтому стенки его смачиваются, у другого внутренняя поверхность лиофобизирована и не смачивается (рис.30).
В первом капилляре (см. рис.30, а) поверхность жидкости имеет отрицательную кривизну, поэтому дополнительное давление Лапласа (давление направлено к центру кривизны) поднимает ее в капилляре. Кривизна поверхности жидкости во втором капилляре (см. рис.30, б) положительна, дополнительное давление направлено внутрь жидкости, в результате жидкость в капилляре опускается (отрицательное капиллярное поднятие). При равновесии лапласовское давление равно гидростатическому давлению столба жидкости высотой H:
(XII.3)
где - плотность жидкости; 0 - плотность газовой фазы; g - ускорение свободного падения; r - радиус мениска.
Рис.30. Капиллярное поднятие жидкости:
a - cos > 0: б - cos < 0: в - связь радиуса кривизны мениска r с радиусом капилляра r0.
Чтобы высоту капиллярного поднятия связать с характеристикой смачивания, радиус мениска необходимо выразить через угол смачивания и радиус капилляра r0. На рис.30, в показан (в увеличенном виде) мениск жидкости в капилляре. Видно, что r0 = r cos , тогда высоту капиллярного поднятия можно представить в виде формулы Жюрена:
(XII.4)
При отсутствии смачивания > 90°, cos < 0, уровень жидкости в капилляре опускается на величину H. При полном смачивании = 0, cos = 1, в этом случае радиус мениска равен радиусу капилляра.
Краевой угол для воды и низших углеводородов на стенке стеклянного капилляра мал. Для большинства других жидкостей он меньше 10°. Расчет по уравнению (XII.4) показывает, что относительная погрешность, обусловленная приравниванием этого угла в стеклянном капилляре нулю, не превышает 1,5%. Измерение высоты капиллярного поднятия лежит в основе одного из наиболее точных методов определения поверхностного натяжения жидкостей.
Капиллярным поднятием жидкостей объясняется ряд известных явлений и процессов: пропитка бумаги и тканей обусловлена капиллярным поднятием жидкости в порах; водонепроницаемость тканей обеспечивается их гидрофобностью и как следствие - отрицательным капиллярным поднятием; подъем воды из почвы по стволам деревьев происходит благодаря волокнистому строению древесины; процессы кровообращения в кровеносных сосудах и т. д.
§3. Роль капиллярных явлений при вытеснении нефти водой из пористых сред
Поровое пространство нефтесодержащих пород представляет собой огромное скопление капиллярных каналов, в которых движутся несмешивающиеся жидкости, образующие мениски на границе раздела фаз. Этим обстоятельством обусловлено существенное влияние капиллярных явлений на процессы вытеснения нефти.
Если порода гидрофильна, то в области водонефтяного контакта давление, развиваемое менисками, способствует процессам капиллярного впитывания и перераспределения жидкостей.
Кроме того, капиллярные силы влияют на процессы диспергирования и коалесценции (слияния) частиц нефти и воды в пористой среде.
Интенсивность упомянутых капиллярных процессов зависит в той или иной степени от величины капиллярного давления.
Изменяя качества нагнетаемых в залежь вод, можно воздействовать на их поверхностное натяжение на границе с нефтью, смачивающие характеристики, а также вязкостные свойства. Это означает, что изменяя упомянутые свойства, мы прежде всего влияем на комплексный параметр – капиллярные свойства пластовой системы, т.е., на значение и знак капиллярного давления.
В гидрофобных пластах, где возникает противодействие вытеснению нефти водой, капиллярные силы вредны. Лучший результат можно получить, если нефть вытесняется водным раствором с низким значением межфазного натяжения.
Роль капиллярных сил в гидрофильных породах заключается в использовании эффекта впитывания воды в нефтенасыщенные блоки для существенного увеличения извлекаемых запасов нефти из трещиновато-пористых коллекторов.
Считается, что во всех случаях водные растворы, развивающие в пористой среде высокое капиллярное давление, более предпочтительны для заводнения нефтяных залежей.
Благоприятное влияние капиллярных процессов в зоне водонефтяного контакта на нефтеотдачу неоднородного пласта выражено в гораздо меньшей степени.
Изучение процессов вытеснения нефти водой с учетом капиллярных процессов и капиллярных характеристик пластовых систем позволяет определить влияние на нефтеотдачу как условий вытеснения, так и физико-химических свойств пластовых жидкостей и пород.