4.3 Характеристика переходных зон
Вода, находясь в контакте с нефтью, частично в ней растворяется. Коэффициент растворимости нефти в воде зависит от наличия в воде полярных составляющих. Чем легче нефть, тем хуже она растворяется в воде и тем меньше в ней растворено воды.
Нефти парафинового основания содержат мало воды. С ростом в нефти содержания ароматических углеводородов и гетероатомных соединений, растворимость воды в нефти растёт, и возрастает растворимость нефти в воде. Особенно этот эффект усиливается с возрастанием в нефти смол, асфальтенов, нафтеновых кислот и других высокополярных соединений.
В зоне водонефтяного контакта за счёт взаимодействия воды и нефти происходят изменения. Чёткой границы вода-нефть не существует, так называемое "зеркало" не образуется. На границе водонефтяного контакта (ВНК) происходит диспергирование одной фазы в другую. За счёт диспергирования воды в нефть и нефти в воду, т. е. диспергирования их друг в друга, образуется так называемая "переходная зона", высота которой зависит от величины полярности нефти, содержания в ней смол, асфальтенов, нафтеновых кислот, гетероатомных и других высоко-полярных соединений.
5 . ПОВЕРХНОСТНО–МОЛЕКУЛЯРНЫЕ СВОЙСТВА
СИСТЕМЫ ПОРОДА–ВОДА–НЕФТЬ–ГАЗ
5.1 Роль поверхностных явлений при фильтрации в пористой среде
Нефтяной пласт представляет собой залежь осадочных пород в виде тела с огромным скоплением капиллярных каналов и трещин, поверхность которых очень велика. Поверхность поровых каналов в 1 м3 породы может составлять несколько гектаров. Поэтому закономерности движения нефти в пласте и её вытеснения из пористой среды зависят также и от свойств пограничных слоёв соприкасающихся фаз и процессов, происходящих на поверхности контакта нефти, газа и воды с породой.
На формирование залежей углеводородов оказывает влияние количество остаточной воды в залежи (остаточная водонасыщенность, SB), которая в свою очередь зависит от свойств воды и углеводородов и от природы поверхности горной породы.
Под природой поверхности понимаются гидрофильность – способность вещества смачиваться водой и гидрофобность – способность вещества не смачиваться водой.
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.
5.2 Поверхностное натяжение
Поверхностное натяжение связано с такими понятиями как свободная энергия поверхностного слоя жидкости, работа поверхностного натяжения, сила поверхностного натяжения.
Поверхностное натяжение () характеризует избыток свободной энергии сосредоточенной на одном квадратном сантиметре площади поверхностного слоя на границе раздела двух фаз:
Е = S, (5.1)
где – поверхностное натяжение;
S – суммарная поверхность двух фаз.
Поверхностное натяжение характеризует работу, образования 1 см2 новой поверхности в изотермических условиях:
A = S. (5.2)
Поверхностное натяжение характеризует силу, действующую на единицу длины периметра взаимодействия двух фаз (линию смачивания):
,
(5.3)
где
– линия смачиваемости.
Физический смысл величины поверхностного натяжения характеризует меру некомпенсированности молекулярных сил.
По величине поверхностного натяжения пластовых жидкостей на различных модельных поверхностях (аналогичных пластовым) можно судить о свойствах соприкасающихся фаз, закономерностях взаимодействия жидких и твёрдых тел, процессах адсорбции, количественном и качественном составе полярных компонентов в жидкости, интенсивности проявления капиллярных сил и т.д.
Коэффициент поверхностного натяжения зависит от давления, температуры, газового фактора, свойств флюидов.
Влияние температуры и давления на поверхностное натяжение можно установить исходя из молекулярного механизма возникновения свободной поверхностной энергии и энергетической сущности поверхностного натяжения.
С увеличением давления поверхностное натяжение жидкости на границе с газом понижается. С повышением температуры происходит ослабление межмолекулярных сил и величина поверхностного натяжения чистой жидкости (чистой воды) на границе с паром (газом) уменьшается.
Общий характер изменения величины поверхностного натяжения с изменением температуры и давления для нефти такой же, как и у воды (рис. 5. 1).
Рисунок 5.1– Зависимость поверхностного натяжения нефти Небитдагского месторождения от давления на границе с метаном: 1–Т = 20 ºС; 2 – Т = 60 ºС; 3 – с этан-пропановой смесью
Однако количественные изменения зависят от многих дополнительных факторов: химического состава нефти, состава газа (рис. 5.1, кривая 3), количества растворенного газа, количества и природы полярных компонентов и др.
С увеличением количества растворенного газа в нефти величина поверхностного натяжения нефти на границе с газом уменьшается.
Поведение величины жидкости на границе с жидкостью зависит во многом от полярности жидкостей.
Поверхностное натяжение малополярных нефтей на границе с водой в пределах давлений, встречаемых в промысловой практике, мало зависит от давления (рис. 5.2) и температуры. Это объясняется относительно небольшим и примерно одинаковым изменением межмолекулярных сил каждой из жидкостей с увеличением давления и температуры, так что соотношение их остаётся постоянным.
Рисунок 5.2– Зависимость поверхностного натяжения нефти Туймазинского месторождения на границе с водой от давления при Т = 20 ºС
Для высокополярных нефтей её поверхностного натяжения на границе с водой может увеличиваться с ростом давления и температуры.
Сложный характер имеет зависимость поверхностного натяжения на границе с водой от давления и температуры в условиях насыщения нефти газом (рис. 5.3). Это обусловлено изменением концентрации полярных компонентов в поверхностном слое нефти при растворении в ней газа.
Величина по ряду месторождений в зависимости от насыщения нефти газом может быть значительной: 3-6 мН/м при изменении давления от 0 до 26,5 МПа.
Если поверхностное натяжение на границе раздела между газом и жидкостью, двумя жидкостями можно измерить, то поверхностное натяжение на границе раздела порода-жидкость, порода-газ измерить трудно.
Поэтому для изучения поверхностных явлений на границе порода-жидкость пользуются косвенными методами изучения поверхностных явлений: измерением работы адгезии и когезии, исследованием явлений смачиваемости и растекаемости, изучением теплоты смачивания.
Рисунок 5.3– Зависимость поверхностного натяжения нефти Небитдагского месторождения от давления на границе с водой при Т = 20 ºС:
1 – при насыщении обеих фаз метаном; 2 – при насыщении обеих фаз этан-пропановой смесью