§ 58. Зависимость поверхностного натяжения пластовых жидкостей от давления и температуры

По поверхностному натяжению пластовых жидкостей на разных поверхностях раздела можно судить о свойствах соприкасающихся фаз, о закономерностях взаимодействия жидких и твердых тел, о процессах адсорбции, о количественном и качественном составе полярных компонентов в жидкости, об интенсивности проявления капиллярных сил и т. д. Поэтому изучению поверхностного натяже­ния нефти и пластовых вод уделяется чрезвычайно большое внима­ние. Влияние температуры и давления на поверхностное натяжение жидкостей можно установить, исходя из молекулярного меха­низма возникновения свободной поверхностной энергии и энерге­тической сущности поверхностного натяжения.

Повышение температуры сопровождается уменьшением поверх­ностного натяжения чистой жидкости на границе с паром, что свя­зано с уменьшением межмолекулярных сил с ростом температуры.

Эта зависимость определяется следующей формулой:

, (5.5)

где t — температура в °С; σ_t и σ₀ — поверхностное натяжение системы (в мн/м) при температурах t и 0° С;

— температурный ко­эффициент поверхностного натяжения, сохраняющий свойства кон­станты при температурах вдали от критической точки в град^-1 . В табл. 24 приведены температурные коэффициенты некоторых жидкостей.

Таблица 24

Температурные коэффициенты некоторых жидкостей

Вещество	Температур­ный коэффи­циент , 1/ град	Поверхностное натяже­ние при 20°С, мн/м
Ртуть	0,00035	465
Вода	0,002	72,75
Уксусная кислота	0,0038	23,5
Этиловый спирт	0,0022	22,3

С увеличением давления поверхностное натяжение жидкости на границе с газом понижается. Это связано с уменьшением свободной поверхностной энергии вследствие сжатия газа и его растворения в жидкости. В табл. 25 приведены результаты измерений поверхно­стного натяжения воды при различных температурах и давлениях.

Таблица 25

Поверхностное натяжение воды на границе с газом при различных температурах и давлениях

Давле­ние Мн/м2	Поверхностное натяжение, мн/м при t, °С		Давление Мн/м2	Поверхностне натяжение мн/м при t, °С
	25	65		5
0	-	67,5	6,92	55,9	50,4
0,69	71,1	63,2	10,30	51,6	46,5
1,72	65,5	58,8	13,76	47,9	42,3
3,45	61,6	55,5	18,64	44,1	39,5

Еще более сложной оказывается зависимость поверхностного натяжения нефти на границе с газом от давления. Хотя общий ха­рактер зависимости остается таким же, как и у воды, количественные изменения а на границе с газом для нефти с увеличением давления записях от многих дополнительных факторов — химического состава нефти, количества и состава растворенного газа, от природы поляр­ных компонентов и их количества и т. д. На рис. 74—76 приводятся результаты измерений поверхностного натяжения нефтей на границе с газом при различных давлениях, полученные М. М. Кусаковым, Н. М. Лубман и А. Ю. Кошевник. Оказалось, что чем выше раство­римость газа, тем интенсивнее уменьшается поверхностное натяже­ние нефти при повышении да­вления.

Поверхностное натяжение дегазированной малополярной нефти на границе с водой в пределах давлении, встречающихся в промысловой практике, мало зависит от давления и температуры (рис. 77). Это объясняется отно­сительно малым и примерно одинаковым изменением межмолекулярных сил каждой из жидкостей с увеличением давления и темпе­ратуры, так что соотношение их остается постоянным.

При наличии в нефти воднорастворимых полярных компонентов поверхностное натяжение ее на границе с водой может увеличиваться с ростом давления и температуры вследствие растворения этих ком­понентов в воде.

Весьма сложный характер имеет зависимость поверхностного натяжения нефти на границе с водой от давления и температуры в условиях насыщения нефти газом (рис. 78). Это обусловлено из­менением концентрации полярных компонентов в поверхностном слое нефти при растворении в ней газа.

В связи со значительно боль­шей растворимостью газа в нефти, чем в воде, поверхностное натя­жение нефти на границе с газом по мере увеличения давления на­сыщения (при постоянной темпера­туре) будет падать интенсивнее по сравнению с водой. Это значит, что с давлением будет увеличи­ваться и разница поверхностных натяжений нефти и воды на грани­це с газом, а следовательно, и меж­фазное натяжение между ними.

Измерения поверхностного на­тяжения нефти на границе с водой в зависимости от давления насыщения нефти газом по ряду месторождений показывают, что рост поверхностного натяже­ния при этом может составлять значительную величину (3—6 мн/м и более) при изменении давления в пределах от 0 до 270 атп (~ 26,5 Мн/м²).

Повышение температуры сопровождается ухудшением раствори­мости газа и увеличением коэффициента сжимаемости нефти. Поэтому поверхностное натяжение ее на границе с водой с повышением темпе­ратуры должно уменьшаться. Следовательно, рост давления и температуры действует в противоположных направлениях и в резуль­тате в отдельных случаях возможно, что изменения поверхностного натяжения не будет.

Исходя из энергетической сущности поверхностного натяжения, используя правило Антонова и другие соображения, можно выска­зать соответствующие предположения о зависимости поверхностного натяжения нефти на границе с водой от давления и температуры в области выше давления насыщения. Однако эти вопросы исследо­ваны еще недостаточно, и поэтому пока можно строить лишь более или менее правдоподобные качественные предположения.

Значительные изменения поверхностного натяжения нефти на разных поверхностях раздела в пластовых условиях необходимо учитывать при оценке капиллярных процессов в пористой среде. На границе с газом значение капиллярных давлений может быть меньше, чем это наблюдается в лабораторных условиях при низких давлениях. На разделе нефть — вода с ростом давления значение капиллярных процессов может увеличиваться.

Как уже отмечалось в предыдущем параграфе, весьма ценные данные о нефти и ее свойствах могут быть получены в результате специальных измерений поверхностного натяжения. Например, определяя поверхностное натяжение на границе с воздухом водно-щелочных вытяжек из нефти, оценивают содержание примесей в ней кислотного характера, которые омыляются при контакте нефти со щелочной водой и переходят в воду. Такие определения, как мы увидим впоследствии, имеют большое значение для оценки нефтевымывающих свойств воды.

Для определения характеристики омыляемой части нефти обычно готовят воднощелочные вытяжки путем настаивания нефти в кон­такте с равными объемами растворов NаОН различной концентрации.