Лабораторная работа № 1 Исследование смачиваемости жидкости на поверхности твердого тела оптическим методом теория смачиваемости

Нефтяные дисперсные системы типа «жидкость-твердое тело» представляет собой напластование из осадочных пород в виде тела с огромным скоплением капиллярных каналов и трещин, заполненных флюидами, удельная поверхность которых очень велика. Поэтому закономерности движения углеводородов в пласте и их вытеснение из пористой среды существенно зависят от свойств пограничных слоёв соприкасающихся фаз и процессов, происходящих на поверхности контакта нефти, газа и воды с породой.

Физико-химические свойства поверхностей раздела фаз и закономерности их взаимодействия характеризуются рядом показателей – поверхностным натяжением на границе раздела фаз, явлениями смачиваемости и растекания, работой адгезии и когезии, теплотой смачивания.

Поверхностное натяжение  - это работа А обратимого изотермического процесса образования единицы новой площади S поверхности раздела фаз при постоянстве давления и химических потенциалов компонентов.

.

Поверхностное натяжение в энергетической форме имеет размерность Дж/м². Зависимость поверхностного натяжения от рода флюидов, минерализации, их состава, давления и температуры носит сложный и неоднозначный характер.

В случае чистой однородной жидкости на границе с паром при повышении температуры происходит снижение поверхностного натяжения, что связано с ослаблением действия межмолекулярных сил с ростом температуры. Эта зависимость определяется следующей формулой:

,

где: σ_o, σ_t – поверхностные натяжения системы при температурах 0^оС и t; γ –температурный коэффициент поверхностного натяжения: ртуть-0.00035 1/^оС; вода-0.002 1/^оС. Поверхностное натяжение жидкостей на границе с дистиллированной водой составляет: для керосина при 20^оС составляет 48.3 мН/м, для бензина - 48 мН/м, для толуола – 36.2 мН/м, для бензола – 35.0 мН/м.

Смачиваемостью называется совокупность явлений на границе соприкосновения трёх фаз, одна из которых обычно является твёрдым телом и две другие – не смешиваемые жидкости или жидкость и газ. Смачиваемость проявляется в способности жидкости энергетически взаимодействовать с твердой поверхностью с образованием поверхностных структурированных слоев. Интенсивность смачивания характеризуется величиной краевого угла смачивания Q, образованного поверхностью твёрдого тела с касательной, проведённой к поверхности жидкости из точки её соприкосновения с поверхностью (рис. 1).

Рис.1. Форма капли, обусловленная поверхностным натяжением на различных границах соприкасающихся фаз

Краевой угол Q измеряется в сторону от менее полярной к более полярной фазе (в данном случае в сторону воды). Принято условно обозначать цифрой 1 водную фазу, цифрой 2 – углеводородную жидкость или газ, цифрой 3 – твёрдое тело. Угол смачивания определяется по уравнению Юнга:

,

где: _2,3 - межфазное натяжение на границе "нефть - порода", _1,3 - межфазное натяжение на границе "вода - порода", _1,2 - межфазное натяжение на границе "вода нефть",  - угол смачиваемости породы.

Когезия W_к - работа, необходимая для разрыва однородной объемной фазы (преодоление сил сцепления между молекулами) при образовании поверхности раздела.

Силы когезии определяют существование веществ в конденсирован-

ном состоянии. Количественную характеристику сил когезии и адгезии по-

лучают, оценивая работу, совершаемую против действия этих сил.

Работа когезии (Wc) численно равна затрате энергии на разрыв тела

(обратимо и изотермически) по сечению, равному единице площади. Пусть

имеем столбик жидкости с единичной площадью сечения (рис. 2. а). При

Рис.2 К определению понятий работа когезии и работа адгезии

разрыве столбика затрачивается энергия на разрыв межмолекулярных связей,

равная избытку свободной энергии образовавшихся двух новых поверхностей и отсюда W_c=2σ_ЖГ. Так как когезия отражает внутримолекулярное взаимодействие внутри гомогенной фазы, то ее также характеризуют и другие параметры: энергия кристаллической решетки,энергия парообразования, внутренне давление и т.д.

Адгезия (прилипание) W_а - работа, необходимая для разрыва разнородного межфазного слоя (вода-порода) при образовании новых поверхностей раздела.

Работу адгезии (Wа) характеризуют затратой энергии на разрыв ад-

гезионного контакта в расчете на единицу площади. В этом случае при раз-

рыве адгезионного контакта жидкости и твердого тела (рис.2. б) образуют-

ся две единичные новые поверхности раздела обеих фаз со средой, но исчезает поверхность раздела между ними, поэтому для системы Т/Ж будем иметь выражение, называемое уравнением Дюпре:

W_а = σ_ТГ + σ _ЖГ - σ_ТЖ .

Если расписать уравнение Дюпре с учетом уравнения Юнга, то получим уравнение Дюпре – Юнга, которое характеризует угол смачивания через работу адгезии W_a и когезии W_к: 

.

Если угол 90 > Q > 0 – острый (наступающий), то поверхность хорошо смачивается водой и называется гидрофильной.

Если угол 90 > Q >180 – тупой (отступающий), то поверхность плохо смачивается водой и называется гидрофобной.

К гидрофильным поверхностям относятся силикаты, карбонаты, окислы железа. К гидрофобным поверхностям – парафины, жиры, воск, чистые металлы.

Смачиваемость поверхности пород непосредственно влияет на эффективность практически всех известных технологий разработки месторождений углеводородного сырья с использованием заводнения. Смачиваемость влияет на фазовые проницаемости, адсорбцию полярных компонентов нефти, капиллярное давление, остаточную водо- и нефтенасыщенность, охват пласта заводнением, коэффициент вытеснения и коэффициент извлечения нефти. На рис.3 приведен график влияния смачиваемости на коэффициент вытеснения.

Рис.3. Влияние смачиваемости поверхности пород на