5.5 Кинетический гистерезис смачивания

Явления смачиваемости рассматривались для равновесного состояния системы. В пластовых условиях наблюдаются неустойчивые процессы, происходящие на поверхности раздела фаз. За счет вытеснения нефти водой образуется передвигающийся трехфазный периметр смачивания. Угол смачивания изменяется в зависимости от скорости и направления движения жидкости (менисков жидкости, рис. 5.5) в каналах и трещинах.

Рисунок 5.5 – Схема изменения углов смачивания при изменении направления движения мениска в капиллярном канале: ₁ – наступающий, ₂ – отступающий углы смачивания при движении водо-нефтяного мениска в цилиндрическом канале с гидрофильной поверхностью ( – статический угол смачивания)

Кинетическим гистерезисом смачивания принято называть изменение угла смачивания при передвижении по твердой поверхности трехфазного периметра смачивания. Величина гистерезиса зависит:

• от направления движения периметра смачивания, т.е. от того, происходит ли вытеснение с твердой поверхности воды нефтью или нефти водой;

• скорости перемещения трехфазной границы раздела фаз по твердой поверхности;

• шероховатости твердой поверхности;

• адсорбции на поверхности веществ.

Явления гистерезиса возникают, в основном, на шероховатых поверхностях и имеют молекулярную природу. На полированных поверхностях гистерезис проявляется слабо.

5.6 Свойства поверхностных слоев пластовых жидкостей

О структуре поверхностного слоя существуют различные пред­положения.

Многие исследователи, изучающие строение и толщину тонких слоев жидкости, связывают образование пристенных слоев с поляри­зацией молекул и их ориентацией от поверхности твердого тела во внутренние области жидкости с образованием сольватных¹ слоев.

Особо сложное строение имеют слои нефти, контактирующие с горными породами пласта, так как взаимодействие поверхностн-активных веществ с минералами очень многообразно.

Замечено, например, что реагенты, применяемые во флотацион­ной технике, могут закрепляться на поверхности минерала как в форме обычных трехмерных пленок, образующих самостоятельную фазу на поверхности минеральных частиц, так и в виде поверхно­стных соединений, нe имеющих определенного состава и не образу­ющих отдельной самостоятельной фазы.

Наконец, реагенты могут концентрироваться в диффузионной части двойного электрического слоя, a не на самой поверхности раздела фаз.

Поверхностно-активные компоненты, по-видимому, всегда кон­центрируются не только на поверхности, но и в трехмерном объеме вблизи поверхности раздела.

Многими исследователями были сделаны попытки измерять тол­щину пленки различных жидкостей па твердых телах. Так, напри­мер, по результатам измерений Б. В. Дерягина и М. М. Кусакова толщина смачивающих пленок водных растворов солей на различ­ных твердых плоских поверхностях составляет около 10^-5 см (100 им). Эти слои отличаются от остальной части жидкости структурой и механическими свойствами – упругостью на сдвиг и повышенной вязкостью. Установлено, что свойства жидкости в поверхностном слое изменяются также вследствие ее сжатия. Например, плотность адсорбированной силикагелем воды по некоторым измерениям соста­вляет 1027-1285 кг/м³.

Особыми свойствами обладают также адсорбционные и связан­ные с ними сольватные оболочки на разделах фаз в нефтяном пласте. Некоторые составные части нефти могут образовывать гелеобразные структурированные адсорбционные слои (с необычными — аномаль­ными свойствами) с высокой структурной вязкостью, а при высоких степенях насыщения адсорбционного слоя — с упругостью и меха­нической прочностью на сдвиг.

Исследования показывают, что в состав поверхностных слоев на разделе нефть — вода входят нафтеновые кислоты, низкомолеку­лярные смолы, коллоидные частицы высокомолекулярных смол и асфальтенов, микрокристаллы парафина, а также частицы минераль­ных и углеродистых суспензий. Предполагается, что поверхностный слой на разделе нефть — вода образуется в результате скопления минеральных и углеродистых частиц, а также микрокристаллов парафина под влиянием избирательного смачивания водной фазой гидрофильных участков их поверхности. Адсорбирующиеся на этой же поверхности раздела асфальтосмолистые вещества, переходящие в гелеобразное состояние, цементируют частицы парафина и мине­ралов в единый монолитный слой. Поверхностный слой еще более утолщается вследствие сольватизации гелей асфальтосмолистых веществ со стороны нефтяной фазы.

Особые структурно-механические свойства поверхностных слоев обусловливают стабилизацию различных систем и, в частности, высокую устойчивость некоторых водонефтяных эмульсий.

Существование адсорбционных слоев на разделе остаточная вода — нефть, по видимому, оказывает также некоторое задержива­ющее влияние на процессы смешиваемости нагнетаемых в пласт вод с остаточными.

5.7 Расклинивающее действие тонких слоев жидкости.

Опыты Дерягина. Эффект Ребиндера

Жидкость, смачивающая твердое тело, проникая в тонкие тре­щины, способна играть роль клина и раздвигать ее стенки, т.е. тонкие слои жидкости обладают расклинивающим действием². Это свойство тонких слоев проявляется также при сближении твердых поверхно­стей, погруженных в жидкость. По исследованиям Б. В. Дерягина рас­клинивающее действие возникает при условии, если толщина слоя h жидкости, раздвигающей поверхности трещины, меньше некоторой величины h_кр. При h > h_кр расклинивающее действие равно нулю и при h < h_кр оно возрастает с уменьшением толщины жидкого слоя, т. е. с момента h ≤ h_кр для сближения поверхностей частиц необходимо приложить к ним внешнюю нагрузку.

Факторами, создающими расклинивающее действие, являются силы ионно-электростатического происхождения и особое агре­гатное состояние полярных жидкостей вблизи граничных поверх­ностей.

Ранее упоминалось, что свойства сольватного слоя на поверх­ности твердого тела резко отличаются от свойств остальной части жидкости. Этот (сольватный) слой можно рассматривать как особую граничную фазу. Поэтому при сближении частиц до расстояний, меньших двойной толщины сольватных слоев, к частицам необхо­димо прикладывать внешнюю нагрузку.

Расклинивающее давление ионно-электростатического происхо­ждения возникает из-за изменений концентрации ионов в слое, разде­ляющем частицы и в окружающем их растворе.

По результатам опыта расклинивающее действие тем больше, чем прочнее связь между жидкостью и поверхностями твердого тела. Его можно усилить, если ввести в жидкость поверхностно-активные вещества, хорошо адсорбируемые поверхностью твердого тела. На этом явлении основан эффект Ребиндера. Сущность его заключается в том, что небольшие количества поверхностно-актив­ных веществ вызывают резкое ухудшение механических свойств твердого тела. Адсорбционное понижение прочности твердых тел зависит от многих факторов. Оно усиливается, если тело подвер­гается растягивающим усилиям и если жидкость хорошо смачивает поверхность.

Эффект адсорбционного понижения прочности используется в бурении скважин. При использовании в качестве промывочных жидкостей растворов, содержащих специально подобранные поверх­ностно-активные вещества, заметно облегчается бурение твердых пород.