1362

радиуса капилляра, а величина адгезионного натяжения пропорционально радиусу в первой степени. Таким образом, высота подъема воды в капилляре будет уменьшаться пропорционально увеличению радиуса капилляра. Это положение иллюстрирует рис. 9.4, а, на котором показано, что в состоянии равновесия системы меньшему радиусу соответствует большая высота подъема воды в капилляре.

Изменение характеристики смачивания проявляется в том, что увеличение адгезионного натяжения приводит к увеличению равновесной высоты подъема. При изменении только характеристики смачивания твердого тела (и при постоянстве радиуса) чем меньше величина угла смачивания θ, тем больше адгезионное натяжение и тем больше высота, на которую жидкость будет подниматься в капилляре для достижения равновесных условий. Это положение иллюстрирует рис. 9.4, б, показывающий, что уменьшение угла смачивания приводит к увеличению высоты подъема жидкости в капилляре.

При изменении радиуса капилляра или адгезионного натяжения соответственно изменяется и капиллярное давление. Все изложенное позволяет сделать следующие выводы:

–чем больше сродство фазы, имеющей более высокую плотность, с твердым телом, тем больше капиллярное давление для трубки данного радиуса;

–при постоянстве характеристик смачивания чем меньше радиус капилляра, тем больше капиллярное давление.

Капиллярное давление в идеальной по-

ристой среде. Выражение для капиллярного давления в виде функции поверхностного натяжения и кривизны поверхности раздела дается Плато в следующем виде:

171

лярного давления, определенным методом капиллярного подъема в трубке, получим, что средний радиус кривизны Rср определится из уравнения

Значения R1 и R2 практически измерить невозможно, поэтому обычно пользуются средним радиусом кривизны, эмпирически определяемым по данным измерений других характеристик пористой среды.

Распределение жидкости в пористой среде зависит от характеристик смачивания системы. Чтобы определить, какая из фаз занимает наиболее узкие места порового пространства, необходимо знать, какая из них избирательно лучше смачивает породу (см. рис. 9.4).

Для фиктивного грунта (упаковка сферических частиц одинакового радиуса) смачивающая фаза внутри системы пор может находиться или в виде колец (пендулярное распределение), или в виде шнурков (фуникулерное распределение). При фуникулерном распределении смачивающая фаза является непрерывной, полностью покрывает поверхность твердого тела. Пендулярное распределение соответствует такому состоянию насыщенности, при котором смачивающая фаза не является непрерывной и часть поверхности твердого тела покрыта несмачивающей фазой. Смачивающая фаза занимает более мелкие пустоты пористой среды.

Тема 20. ПЛОТНОСТЬ ЖИДКОСТИ

Жидкость – непрерывная среда, обладающая свойством текучести, т.е. способная неограниченно изменять свою форму под действием сколь угодно малых cил, но в отличие от газа мало изменяющая свою плотность при изменении давления.

В аэромеханике применяют термин «капельная жидкость» с целью подчеркнуть отличие жидкости от газа; газ в этих случаях называют сжимаемой жидкостью.

Жидкости бывают идеальные и реальные. Идеальные – невязкие жидкости, обладающие абсолютной подвижностью, т.е. отсутствием сил трения и касательных напряжений и абсолютной неизменностью в объеме под воздействием внешних сил. Реальные – вязкие жидкости, обладающие сжимаемостью, сопротивлением, растягивающим и сдвигающим усилиями и достаточной подвижностью, т.е. наличием сил трения и касательных напряжений.

Реальные жидкости могут быть ньютоновскими и неньютоновскими (бингамовскими). В ньютоновских жидкостях при движении одного слоя жидкости относительно другого величина касательного напряжения пропорциональна

172

скорости сдвига. При относительном покое эти напряжения равны нулю. Такая закономерность была установлена Ньютоном в 1686 году, поэтому эти жидкости (вода, масло, бензин, керосин, глицерин и др.) называют ньютоновскими жидкостями. Неньютоновские жидкости не обладают большой подвижностью и отличаются от ньютоновских жидкостей наличием касательных напряжений (внутреннего трения) в состоянии покоя.

Основные свойства жидкостей: плотность, удельный вес, вязкость, сжимаемость и др.

Плотность ρ – масса жидкости в единице объема. Для однородной жидкости

где m – масса жидкости в объеме V. Единицы измерения ρ в системе СГС – г/см3, в системе МКГСС – кгс·с2/м4, а в системе СИ – кг/м3.

Удельный вес γ – вес жидкости в единице объема:

γ = G/V,

где G – вес жидкости. Единицы измерения γ в системе СГС – дин/см3, в системе МКГСС – кгс/м3, а в системе СИ – Н/м3.

Удельный вес и плотность связаны между собой зависимостью γ= ρg, где g – ускорение свободного падения.

Практическая работа № 18

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТИ АРЕОМЕТРОМ

Цель работы. Определение плотности жидкости при атмосферном давле-

нии.

Теоретическая часть

Существует много способов определения плотности жидкости, самый простой – с помощью ареометра.

Если определение пористости производится не при стандартной температуре (+20 °С), то необходимо привести полученное значение к стандартным условиям по формуле

ρ20 = ρt + α(t – 20),

где ρ20 – плотность жидкости при стандартных условиях, г/см3; ρt – плотность жидкости при температуре измерения, г/см3; α – коэффициент объемного термического расширения.

173

Порядок выполнения работы

1. Готовят форму табл. 1.

2.Нефть, пластовую воду или другую жидкость наливают по стенке в наклоненный цилиндр емкостью 300–1000 см3 так, чтобы не образовывалось пены

ипузырьков воздуха и уровень жидкости не доходил до края 4–5 см.

3.Держа чистый и сухой ареометр за градуированную трубку, медленно

в вертикальном положении опускают его в жидкость до соприкосновения

сдном цилиндра.

4.Если ареометр всплывает вверх и при отсутствии соприкосновения со стенками цилиндра уровень жидкости устанавливается на шкале, то отсчет делают по нижнему краю мениска.

5.Если ареометр не соответствует испытуемой жидкости, т.е. стоит на дне или всплывает за шкалу, то подбирают другой.

6.Результаты определений и расчетов записывают в табл. 1. Отсчет по

шкале ареометра дает значение плотности ρt жидкости при температуре исследования. Плотность жидкости при стандартной температуре ρ20 рассчитывают

174

по формуле (9.8). Коэффициент объемного термического расширения нефтей берется из табл. 2.

Таблица 2

Температурные поправки плотности нефти и нефтяных продуктов при приведении их к стандартной температуре

Практическая работа № 19

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТИ С ПОМОЩЬЮ ТЕНЗИОМЕТРА К-11

Цель работы. Определение плотности керосина и раствора хлористого кальция. Ознакомление с работой прибора К-11.

Описание прибора. Комплект тензиометра К-11 состоит из тензиометра с встроенным датчиком температуры, держателя сосуда пробы диаметром 70 мм, панели управления и наборов для определения плотности и поверхностного натяжения (рисунок).

175

Порядок проведения работы

1.Вводят пробу и ее название с клавиатуры.

2.Вводят имя пользователя (Modify).

3.Подвешивают держатель за крюк. Измеряют вес.

4.Place the rot on the hook. (Повесьте стержень на крюк.) Устанавливают цилиндр на держатель. Измеряют вес.

5.Remove the stick from the hook. (Снять стержень с держателя.) Убирают стержень.

6.Устанавливают держатель как можно ближе к уровню жидкости.

7.Измеряют вес держателя в жидкости. Searching (поиск). Сосуд с пробой движется вверх с заданной скоростью поиска до регистрации контакта держателя с поверхностью жидкости.

8.Устанавливают стержень в держатель. Измеряют вес стержня и держателя в жидкости. Immersing (погружение). Автоматическое погружение держателя.

9.Finished (закончено). Автоматическое определение плотности жидкости.

10.Данные замеров заносят в таблицу:

Данные исследований

Контрольные вопросы

1.На каком принципе основано измерение тензиометра?

2.В чем преимущества и недостатки метода измерения плотности жидкости тензиометром?

Практическая работа № 20

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕЖФАЗНОГО НАТЯЖЕНИЯ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ДВУХ ФАЗ МЕТОДОМ СЧЕТА КАПЕЛЬ

Цель работы. Определение коэффициента межфазного натяжения σ для различных растворов на водной основе на границе с нефтью и установление зависимости межфазного натяжения от рода жидкостей, концентрации веществ в растворах и температуры опыта.

177

Теоретическая часть

Поверхностное натяжение определяется на границе жидкость – газ, в лабораторных условиях – жидкость – воздух. Межфазное натяжение определяется на границе жидкость – жидкость, в лабораторных условиях пластовая вода – нефть. Поверхностное натяжение определяется как работа, затраченная на образование единицы площади новой поверхности жидкости в изотермических условиях, или как избыток свободной энергии поверхностного слоя жидкости толщиной 1 м по сравнению с энергией слоя такой же толщины, взятого внутри жидкости. Величина измеряется в Дж/м (мДж/м). Поверхностное натяжение можно рассматривать и как силу, отнесенную к единице длины, т.е. к 1 м линии, ограничивающей поверхность жидкости. Эта сила принимается за единицу поверхностного натяжения и в системе СИ выражается в Н/м. В практике добычи нефти необходимо знать σнв воды на границе с нефтью, нефти и воды на границе с газом – σнг, σвг. Необходимо также знать, как измеряется σнв в зависимости от давления и насыщенности нефти газом.

Поверхностное натяжение чистой жидкости на границе с паром с повышением температуры уменьшается по зависимости

σt =σ0 (1−αtt),

где σt и σ0 – поверхностное натяжение системы при температуре опыта 0 °С; αt – температурный коэффициент поверхностного натяжения, сохраняющий свойства константы при температурах вдали от критической точки; t – температура, °С.

Поверхностное натяжение жидкости на границе с газом с увеличением давления понижается.

Общий характер зависимости поверхностного натяжения нефти от давления на границе с газом остается таким же, как и для воды, но количественные изменения σнг для нефти с увеличением давления зависят от многих дополнительных факторов: химического состава нефти, количества растворенного газа

иего состава, природы полярных компонентов и их количества и т.д. Чем выше растворимость газа, тем интенсивнее уменьшается поверхностное натяжение нефти с повышением давления.

Поверхностное натяжение дегазированной малополярной нефти на границе с водой в пределах давлений, встречающихся в промысловой практике, мало зависит от давления и температуры.

При наличии в нефти водорастворимых полярных компонентов поверхностное натяжение ее на границе с водой может увеличиваться с ростом давления

итемпературы вследствие растворения этих компонентов в воде. Поверхностное натяжение на границе вода – нефть изменяется от 40 мДж/м до значений, меньших единицы. Верхний предел соответствует неактивным нефтям на гра-

178

нице с жесткими водами, нижний – высокоактивным нефтям на границе со щелочными пластовыми водами.

С увеличением давления σвн возрастает незначительно, и его изменениями при рассмотрении процесса разработки можно пренебречь. С увеличением температуры σвн уменьшается в зависимости от характеристики нефти (до 10 мДж/м и ниже). Поверхностное натяжение воды значительно снижается растворением в воде ПАВ (поверхностно-активных веществ).

Сложный характер имеет зависимость поверхностного натяжения нефти на границе с водой от давления и температуры в условиях насыщения нефти газом. В связи со значительной растворимостью газа в нефти σгн с увеличением давления насыщения будет уменьшаться интенсивнее, чем σвн, поэтому с ростом давления увеличивается разница поверхностных натяжений нефти и воды на границе с газом и межфазное натяжение между ними с ростом температуры будет уменьшаться.

Межфазное натяжение на границе двух жидкостей при измерении сталагмометрическим способом определяется по формуле

σ = K (V1 −V2 )(ρ1 −ρ2 ),

n

где σ – межфазное натяжение на границе вода – исследуемая жидкость; K – постоянная прибора, которая зависит от формы капилляра, типа крана и бюретки; V1, V2 – объем жидкости в бюретке в начале и в конце опыта; ρ1, ρ2 – плотность воды и керосина; n – количество оторвавшихся от капилляра капель.

Для определения постоянной капилляра измеряют σ на границе дистиллированная вода – керосин (бензол, толуол, вазелиновое масло, трансформаторное масло и др.). При этом плотность тарировочной жидкости берется из справочной литературы. Например, плотность керосина 0,781 г/см3, бензола – 0,897 г/см3. Постоянную прибора определяют по формуле

K = (V1 −V2σ)(nρ1 −ρ2 ) ,

где σ – межфазное натяжение на границе тарировочная жидкость – дистиллированная вода (межфазное натяжение на границе с керосином 47,5 мН/м, с бен-

золом – 34,96 мН/м).

Описание прибора. Сталагмометр – прибор для определения межфазного натяжения (рисунок). Межфазное натяжение измеряется методом счета капель путем определения количества и объема выдавливаемых капель.

Прибор включает измерительную бюретку 3 с микрокраном 4 и изогнутым капилляром 5, установленной с помощью лапок 2 в физическом штативе 1. Дополнительным оборудованием может служить жидкостный термостат 8 с электронным блоком 9.

179