4.2.1.3. Капиллярные силы
(Слайд 1G4_8)
К поверхностным явлениям, протекающим на границе раздела двух фаз, относятся: возникновение поверхностей свободной энергии, поверхностного натяжения, натяжения на поверхности двух фаз, адсорбционных сил, прилипания и смачиваемости.
Взаимодействие между жидкостями и породами в пластовых условиях во многом зависит от капиллярных сил, проявляющихся на поверхности раздела двух фаз.
Молекулы поверхности жидкости с газообразной фазой лишь частично окружены молекулами жидкости и испытывают тенденцию быть втянутыми внутрь жидкости (проявление сил Ван-дер-Ваальса), чему мешают силы поверхностного натяжения, способствующие образованию поверхности типа упругой мембраны.
Поверхностное натяжение жидкостей является следствием их молекулярных свойств, проявляющихся вблизи поверхности жидкости на границе раздела двух жидкостей или жидкости и газа. Поверхностное натяжение выражается в стремлении жидкости уменьшить до минимума свою свободную поверхность, при этом затрачивается энергия. Количество работы, необходимой для образования 1 см2 поверхностной площади (эрг/см2), называют поверхностной энергией вещества. Натяжение поверхности жидкости на разделе фаз называется поверхностным натяжением и выражается силой в динах, необходимой для растяжения сжатой поверхности на расстояние в 1 см (дн/см), численно равной величине поверхностной энергии в эрг/см2.
Поверхностное натяжение на границе раздела между равновесными жидкой и паровой фазами является функцией давления, температуры и состава фаз. С повышением температуры поверхностное натяжение жидкости уменьшается, то же происходит с повышением давления. Поверхностное натяжение на границе раздела фаз также снижается с превышением растворения газа в нефти выше давления точки насыщения. Поверхностное натяжение уменьшается с уменьшением разности в удельном весе между водой и нефтью. Нефти различного химического состава характеризуются разной величиной поверхностного натяжения на границе с водой и неодинаковым содержанием полярных компонентов.
Притяжение поверхностных молекул на границе раздела двух фаз силами Ван-дер-Ваальса называют энергией прилипания, или силой адгезии (адгезия — сцепление разнородных молекул друг с другом). С уменьшением поверхностного натяжения увеличивается энергия прилипания. Она измеряется количеством работы, затраченной при разделении двух фаз, и численно равна сумме поверхностных натяжений отдельно взятых веществ минус поверхностное натяжение на границе раздела двух фаз.
Применение поверхностно-активных веществ, положительно адсорбирующихся в пограничном слое, в случае закачки воды в пласт при разработке нефтяных залежей приводит к уменьшению поверхностного натяжения на границе раздела двух фаз.
Это способствует образованию более тесной смеси двух иным путем несмешивающихся жидкостей (нефть и вода), или повышению нефтеотдачи пласта.
Низкое поверхностное натяжение на границе двух фаз приводит к образованию эмульсии (устойчивое диспергирование одной жидкости в другой). Эмульгатором является поверхностно-активное вещество, в небольшой степени растворимое в одной из жидкостей и адсорбируемое на ее поверхности.
В лабораторных условиях поверхностное натяжение измеряется тензиометрическим методом счета капель, методом удержанного пузырька, методом отрыва кольца, методом капиллярного подъема и др.
Смачиваемость представляет собой одно из проявлений сил прилипания. Жидкости, характеризующиеся наименьшей полярностью и, как следствие, наименьшим поверхностным натяжением, активней смачивают твердую поверхность, чем жидкости с высокой полярностью. Поверхностное натяжение ртути примерно в 7 раз больше воды. При смачивании стекла ртутью последняя собирается в сферические капли, образуя угол со стеклом больше 90°. В отличие от ртути вода является смачивающей жидкостью. Мерой смачивания служит краевой угол, образованный поверхностью твердого тела с касательной, проведенной к поверхности капли в точке соприкосновения ее с твердым телом (Котяхов, 1956). Краевой угол смачивания поверхности твердого тела жидкостями зависит от смачивающих свойств жидкости и поверхности породы. При нулевом значении угла смачивания жидкость полностью смачивает поверхность твердого тела и при 180° не смачивает поверхности. При смачивании твердого тела жидкостью выделяется тепло, носящее название теплоты смачивания. Оно тем больше, чем выше избирательная смачиваемость жидкости.
При движении смачивающих фаз вдоль твердой поверхности наблюдается явление кинетического гистерезиса смачивания, сказывающееся на образовании углов наступления и отступления, величина которых может значительно отличаться от величины статического краевого угла. С увеличением скорости движения мениска в капилляре угол наступления увеличивается, а угол отступления уменьшается (Котяхов, 1956).