книги из ГПНТБ / Бабалян, Г. А. Физико-химические процессы в добыче нефти

Некоторые результаты измерений Дерягина и Кротовой приве­ дены в табл. 34 и 35.

Результаты опытов свидетельствуют о возрастании работы ад­

быть объяснено и релаксацией. Известно, что в жидкостях модуль упругости на сдвиг практически равен нулю. Но в первое мгнове­ ние действия внешней силы жидкости ведут себя подобно твер­ дому телу, обнаруживая значительную жесткость. В последующие отрезки времени вследствие подвижности частиц жидкости воз­ никшие в ее определенной части напряжения быстро распределя­ ются по всему объему. Период убывания напряжения во времени называется периодом релаксации. Явления релаксации особенно заметны в структурированных системах, к которым с полным осно­ ванием могут быть отнесены и связанные с твердой поверхностью слои жидкости.

Само это исследование и выводы из него являются исключи­ тельно важными в деле познания природы явлений, протекающих при вытеснении нефти водой. Они указывают на то, что скорость вытеснения не будет линейно возрастать с увеличением, например,

150

работы, затрачиваемой на вытеснение нефти из пористой среды, так как нет линейной зависимости между скоростью отрыва ка­ пель нефти от твердой поверхности и затраченной работой.

При прилипании капли нефти в воде к твердой поверхности свободная поверхностная энергия системы убывает. Это уменьше­ ние свободной энергии AU^ при прилипании с различными крае­ выми углами смачивания Ѳ согласно [56] показано в табл. 36.

10 до 120° — почти в 94 раза.

Соответственно убыли свободной поверхностной энергии воз­ растают энергия, необходимая для последующего отрыва капли от твердой поверхности, и скорость ее приложения.

Рассматривая с этих позиций роль ПАВ в процессе вытеснения нефти из пористой среды водой, можно прийти к выводу, что они должны снижать до возможного минимума убыль поверхностной энергии при прилипании капель нефти к твердой поверхности.

Термодинамический анализ процесса прилипания показывает, что при коалесцентном прилипании убыль свободной энергии си­ стемы больше, чем в случае непосредственного прилипания. Отрыв с остаточной каплей возможен только при Ѳ>90°. Однако есть ос­ нование считать, что в условиях совместного движения нефти и воды в пористых средах, трубах, каналах и т. д., отрыв с остав­ лением остаточной капли может происходить и при значительно меньших углах смачивания.

2.МЕХАНИЗМ СДВИГА, ОТРЫВА И ДВИЖЕНИЯ КАПЕЛЬ

ВПОРОВОМ КАНАЛЕ

Сдвиг и последующий отрыв капель на практике наиболее ча­ сто происходит при заводнении пластов.

При проведении исследований этих процессов величина необ­ ходимого для сдвига капли перепада давления фиксировалась в капилляре радиусом /'= 600 мк в момент сдвига капли, наблюдае­ мого под микроскопом. Результаты опытов по сдвигу одинаковых по размеру капель, не имеющих под собой водной прослойки (пе­

151

репад давления, необходимый для сдвига капли, в мм вод ст.), приведены ниже.

имеющей под собой водную подкладку, протекает следующим об­ разом: капля спереди отжимает водную прослойку, а сзади отры­ вается от нее. Наблюдается непрерывный отток жидкости в калле

внаправлении, противоположном ее движению (рис. 80).

3.ВСПЛЫВАНИЕ КАПЕЛЬ УГЛЕВОДОРОДНОЙ ЖИДКОСТИ

ВКАПИЛЛЯРЕ

Висследованиях использовали стеклянные капилляры радиу­ сами .380—1000 мк. Капли керосина различных размеров вводили

вгоризонтально расположенный капилляр, заполненный 20%-ным раствором NaCl в дистиллированной воде при помощи медицин­ ского шприца с микрометрическим винтом. Положение капли в капилляре фиксировалось при помощи кранов, установленных на его концах. При проведении экспериментов измеряли электрическое сопротивление Rx при равновесной толщине прослойки электро­

лита и вычисляли ее толщину (hi) по формуле:

2яга- Rx — R0

где X— удельная электропроводность электролита; R0— сопротив­ ление электролита без капли; г — радиус капилляра; 11— длина капли, определяемая с помощью микроскопа МИР-12.

Затем капилляр быстро переводили в вертикальное положение. Во всех случаях всплывания капель не наблюдалось, но электри­ ческое сопротивление Rx' оказывалось больше, чем в случае гори­ зонтального положения капилляра.

152

Так как объем капли в обоих положениях капилляра один и тот же, то можно записать:

где к — длина капли при вертикальном положении капилляра. Отсюда

О г - А *)2 1-

Для толщин водной прослойки h\ и /?2 имеем соответственно:

Поделив эти выражения друг на друга, получаем:

Jh__ {Rx— RQ)

Подставив (3) и (4) и пренебрегая значениями квадратов, по­ лучаем:

лось ие более 30—40 с, и вновь определяли толщину водной про­ слойки.

капилляре, не всплывая вверх, укорачивается по сравнению с кап­

* Прослойка утолщается. Условия близки к всплывал ню.

153

длине, 'она вытесняет из пристенного слоя некоторый объем жидко­ сти, равный l/i= 2jtr(/i/ii—kh2). Например, для данных второй строки табл. 37 объем этот составляет 0,015564 мм3.

Это происходит потому, что под действием архимедовой силы капиллярное давление в капле возрастает. Когда капилляр в гори­ зонтальном положении, кривизна менисков одинакова и pK= 2a/R. Когда же он приходит в вертикальное положение, то кривизна менисков меняется.

Для нижнего мениска (рис. 81):

ления приводит к оттеснению ча­ сти прослойки электролита и уменьшению ее толщины. С умень­

окружающей каплю прослойки электролита — различием их упру­ гих свойств из-за различия степени гидрофильное™ стенок капил­ ляра.

На рис. 82 сплошной линией и пунктиром показаны положе­ ния капли соответственно при горизонтальном и вертикальном положениях капилляра. В связи с односторонним отжатием капли к стенке электрическое сопротивление убывает.

154

Таким образом, капли углеводородной жидкости диаметром, равным или несколько меньшим диаметру капилляра, не всплы­ вают в среде электролита. Под действием гравитационных сил они деформируются — укорачиваются из-за уменьшения толщины про­ слойки электролита, обладающей упругостью формы, т. е. пре­ дельным напряжением сдвига. Очевидно, чем меньше толщина водной прослойки, тем больше величина Ар, необходимая для сдвига капли.

Капли диаметром несколько меньшим, чем диаметр капилля­ ра, из-за неодинаковой упругости водной прослойки отталкиваются к той части стенки, где упругость прослойки наименьшая. В этом случае капли приобретают форму, определяемую упругостью окру­ жающей прослойки электролита. Исходя из этого, можно сделать вывод, что наиболее вероятная форма капель в порах шнуркообразная, с изменяющимся по длине сечением «шнурка». Чем мень­ ше диаметр поровых каналов, тем больше вероятность шнуркообразного расположения углеводородной жидкости в норовом пространстве, если она представлена дисперсной фазой.

Переход дисперсной фазы из каплевидной формы в шнуркообразную позволяет при меньших количествах ее получить непрерывные нити по всей породе, при этом фазовая проницаемость ее будет отлична от нуля при мень­ ших насыщениях ею порового пространства. Переход в шнуркообразную форму должен, повидимому, увеличивать относи­ тельную проницаемость породы для дисперсной фазы.

Аналогичные описанным ис­ следования по всплыванию пу­ зырьков воздуха проводились в стеклянном капилляре радиусом 1,1 мм. Капилляр заполняли вод­ ным раствором карбоксиметнлцеллюлозы (КМЦ) и сверху за­ крывали стеклянной заглушкой. После этого в него вводили пузы­

рек воздуха и определяли скорость всплывания его как среднюю из 15—18 измерений. Опыты показали, что в капилляре в среде жидкости пузырьки цилиндрической формы не всплывают. Поэто­ му пришлось пользоваться пузырьками с меньшими, чем у ка­ пилляра, диаметрами (0,7 мм). В процессе всплывания пузырьки сплющивались и затем приобретали форму сфероидов.

В опытах использовался промышленный образец КА^Ц.

На рис. 83 приведена кривая зависимости скорости всплывания пузырька воздуха в воде от концентрации в ней КМЦ. Излом кри­ вой, по-видимому, связан с достижением критической концентра­ ции мицеллообразования (ККМ). В аналогичных опытах с пу­

155

зырьками диаметром 1 мм в стеклянной трубке диаметром 10 мм,

Важной характеристикой процесса вытеснения нефти водой из пористой среды является изменение толщины водной прослойки под каплей при ее движении.

В проведенных опытах использовались те же углеводородные жидкости, что и при исследовании кинетики утончения водной про­ слойки, электролит (20%-ный водный раствор NaCl), капилляр длиной 102 см и радиусом 0,5 мм. Капилляр наполняли электро­ литом, измеряли сопротивление н вводили каплю углеводородной жидкости. По истечении 5 мин подъемом столика создавали пере­ пад давления, необходимый для сдвига капли и дальнейшего про­ движения ее с минимальной возможной скоростью. Когда капля достигала конца капилляра, ее возвращали вновь в первоначаль­ ное положение и сообщали ей более высокую скорость движения путем увеличения перепада давления.

В опытах участок, на котором капля движется с некоторым ускорением, из рассмотрения исключался. Отсчет времени и прой­ денного пути начинался после установления постоянной скорости движения. Толщину пленки электролита под каплей определяли как среднюю из 5—8 измерений. С целью выяснения возможного влияния электрокинетических явлений па электропроводность были проведены измерения сопротивления электролита при различных скоростях течения в капилляре. Сопротивление электролита не менялось. Выло установлено, что при скоростях движения капель, близких к пластовым, происходит утончение пленки электролита и их остановка. Увеличение перепада давления приводило к дроб­ лению капли в момент ее страгпвания с места. Образующиеся при

шинстве случаев проводились при скоростях перемещения, значи­ тельно превышающих скорость фильтрации при разработке неф­ тяных пластов. Только в немногих опытах путем многочисленных попыток удавалось получить скорости движения, близкие к пла­ стовым. В процессе опытов проводили визуальные наблюдения за состоянием капель и пленки с помощью микроскопа и фотогра­ фирование капель при их движении.

С одной стороны капли в капилляр вводили подкрашенную жидкость. Когда эта жидкость подавалась сзади движущейся кап­ ли, то она не опережала каплю, если*же жидкость вводили впе­ реди капли, то наблюдалось ее течение через пленку в противопо­ ложном движению капли направлении, и жидкость появлялась за

156

меньшая капля, находясь впереди, отдалялась от большой, когда же малая капля находилась сзади большой, то она сближалась с ней. При движении капель одинаковой длины расстояние между ними не менялось. Объясняется это тем, что на поверхности капель действуют касательные напряжения вязкого сопротивления т, на­

больше. Следствием этого и является отсутствие поршнеобраз­ ного движения различных по величине капель. Визуальные наблю­ дения показали, что в процессе перемещения капель внутри их возникают токи жидкости. Так, маленький пузырек воздуха, вве­ денный внутрь капли, при движении ее перемещается в обратном направлении и упирается в противоположный мениск капли. Это, видимо, объясняется тем, что под действием приложенного пере­ пада давления и сил касательного вязкого сопротивления изме­ няются радиусы менисков капли. С лобовой стороны создается бо­ лее высокое капиллярное давление (радиус мениска меньше), чем с противоположной, в результате чего пузырек перемещается в сторону мениска с большим радиусом кривизны. Но при этом пу­ зырек не выходит из углеводородной жидкости в водную среду, так как поверхностное натяжение на границе воздух — водный раствор электролита значительно больше, чем на границе воздух — углево­ дородная жидкость. Переход пузырька в воду должен был бы со­ провождаться увеличением свободной поверхностной энергии. Как указывалось выше, путем многочисленных попыток на небольшом участке пути удавалось получить скорости движения капли, близ­ кие к скоростям фильтрации при разработке нефтяных пластов. Данные о толщине пленки электролита при этих скоростях при­ ведены в табл. 38.

При движении капель со скоростями, близкими к пластовым, толщина пленки электролита под ними значительно больше, чем при нахождении их в покое. Следовательно, при движении капель возможность прилипания их к стенке капилляра уменьшается.

Ранее отмечалось, что при движении капель со скоростью, близ­ кой к пластовой, происходит постепенное утончение прослойки под действием капиллярного давления и остановка капель. Остановка наблюдалась при достижении толщины прослойки ІО-2 мк, однако при этом в случае неполярных углеводородных жидкостей полного отжатия прослойки из-под капли не происходило. Наблюдение это относилось к нефтям или углеводородным жидкостям, содержащим активные компоненты нефти. Через некоторое время после оста-

157

Т а б л и ц а 38

новки в отдельных точках капли прилипают к стенке капилляра, что объясняется гидрофобизацией этих стенок компонентами нефти, растворяющимися в воде.

Интересно отметить, что при встрече капли с гидрофобизированным ранее участком стенки капилляра происходит дисперги­ рование этой капли. В опытах капля останавливалась и в после­ дующем до разрыва прослойки электролита приводилась в движе­ ние в разных направлениях. Как только она подходила к первона­ чальному участку, движение ее тормозилось. Иногда она дисперги­ ровалась. Для сдвига капли после ее остановки нужен был тем больший перепад давления, чем тоньше была прослойка к моменту сдвига.

С целью изучения характера движения капель при больших скоростях {ѵк=2 мм/с и более) капли были сфотографированы с некоторым увеличением. Однако определить разницу в значениях краевых углов отступления и наступления в процессе движения не удавалось. Видимо, эта разница незначительна, в то время как в момент сдвига капли она большая. С возрастанием скорости дви­ жения капель краевые углы отступления и наступления уменьша­ ются, толщина прослойки возрастает.

На рис. 84 показана зависимость толщины прослойки электро­ лита под каплей керосина от скорости движения ее при различном содержании в нем нафтеновых кислот. При всех концентрациях с увеличением скорости движения капли толщина водной прослойки возрастает, а затем при некоторой скорости оет стабилизируется. Толщину прослойки электролита, соответствующую п Ст , обозна­ чим /гст.

На рис. 85 приведена зависимость поверхностного натяжения и величины стабильной толщины водной прослойки Лст от концен­ трации нафтеновых кислот в керосине. После концентрации 1% значение /гст существенно не возрастает. Эта зависимость противо­ положна зависимости равновесной толщины водной прослойки hp

158

под неподвижной каплей от концентрации в керосине нафтеновых кислот. Значение /гст во много раз больше hp. В случае чистого ке­ росина отношение Лст к /гр достигает 87. Увеличение Лст с повыше­

ем концентрации.

Аналогичные результаты получены и при добавке нефти к изо­

159