6.5. 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. 19) в каналах и трещинах.

Рис. 19. Схема изменения углов смачивания при изменении направления движения мениска в капиллярном канале:

θ₁ –наступающий, θ ₂ – отступающий углы смачивания при движении водо-нефтяного мениска в цилиндрическом канале с гидрофильной поверхностью (θ – 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, то есть 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.

7. Физические основы вытеснения нефти водой и газом из пористых сред

В основном пластовая энергия, определяющая приток нефти к забоям скважин, обусловлена:

1. напором краевых пластовых вод;

2. энергией газа, сжатого в газовой шапке;

3. энергией газа, растворенного нефти и в воде и выделяющегося из них при понижении давления;

4. упругостью сжатых пород и жидкостей;

5. гравитационной энергией, возникающей за счет силы тяжести самой нефти.

7.1. Силы, противодействующие вытеснению нефти из пласта

Под действием капиллярных сил столбик воды будет стремиться принять цилиндрическую форму, оказывая при этом давление p на пленку нефти между столбиком воды и стенками капилляра, величина которого равна:

, (7.1)

где R – радиус сферической поверхности столбика воды; r – радиус цилиндрической поверхности капилляра;  - поверхностное натяжение на границе нефти с водой.

С начала движения столбика воды в капилляре возникает сила трения, обусловленная давлением воды на стенки капилляра. Капиллярное давление, создаваемое менисками, составит;

и . (7.2)

Разность этих давлений и будет создавать силу, противодействующую внешнему перепаду давления р_к = (p₁ – p₂)

, т.к.

Явление, сопровождающееся возникновением дополни­тельных сопротивлений при движении пузырьков газа и несмешивающихся жидкостей в капиллярных каналах, принято называть эффектом Жамена. Многочисленные эффекты Жамена возникают также при движении газоводонефтяных смесей в пористой среде. Величина дополнительного сопротивления и капиллярного давления для единичных столбиков может быть и невелика. Но в пористой среде столбики и четки образуются в больших количествах и на пре­одоление капиллярных сил затрачивается значительная часть пласто­вой энергии.

В

Рис. 20. Деформация капли в суженной части канала

пористой среде водонефтяная смесь движется в капиллярах переменного сечения, при этом происходит деформация капель и четок (рис. 20). При переходе столбиков и шариков нефти, воды или газа из широкой части канала в суженую вследствие неравенства радиусов кривизны менисков возникает противодавление, равное:

. (7.3)

Водонефтяные смеси могут образовываться на протяжении де­сятков и сотен метров. Если бы эффект Жамена проявлялся в пласте так же интенсивно, как и в ци­линдрических капиллярах, движение жидкостей в пористой среде было бы затруднено. Эффект Жамена в пласте в значительной степени ослабляется вслед­ствие сжимаемости газовых пузырьков и упругости жидкости и пород пласта. При этом происходит сдвиг не сразу всей массы смеси, а отдельных ее участков. Кроме того, в каналах неправильной формы жидкости могут иметь обходные пути между стенками каналов и пузырьками воды или газа (рис. 21).

Рис. 21. Схема расположения капли воды в капилляре неправильной формы, смоченном нефтью