Роль поверхностных явлений в фильтрации

    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.

П рирода поверхности поровых каналов горных породимеет главенствующее значение в поверхностных и капиллярных процес­сах и явлениях, которые происходят в залежи.

Под природой поверхности понимают свойства горных пород:

· гидрофильность – способность смачиваться водой;

· гидрофобность – способность не смачиваться водой.

На формирование залежей углеводородов оказывает влияние ко­ли­чество остаточной воды (остаточная водонасыщенность, S_{ост. в}) в залежи которая, зависит от свойств пород, воды и углеводоро­дов.

Закономерности движения нефти в пласте и её вытесне­ния из по­ристых сред также зависят от поверхностных явлений, от свойств пограничных слоёв соприкасающихся фаз и процессов, происходящих на поверхности кон­такта нефти, газа и воды с породой.

С поверхностными явлениями связаны процессы промысловой подготовки нефти: сепарация, обезвоживания и другие, осложняющие процессы отложения парафинов, коррозии, выпадения солей и другие.

Физика поверхностных явлений определяется полярно­стью систем (μ = f(Р, Д_п/гр, R), процессами ассоциации, комплексообра­зования, сольватации и наличием поверхностно-активных веществ(ПАВ).

Молекулы органического вещества схематично изображают в виде полярной части (О), в которой сосредоточен электрический момент (Р) и неполярной части молекулы (—), в которой электрический момент отсутствует или близок к нулю.

 

 

полярная часть неполярная часть

 

Если к поверхности ориентирована неполярная часть молекулы органического вещества " П —О − В", а полярная группировка имеет гидрофильные радикалы (− ОН, − СООН, − СО, − СОН, − NH₂ и другие), то поверхностный сольватный слой будет способствовать смачиванию поверхности водой. При обратной ориентации " П − О—" поверхность гидрофобизуется.

Интересно отметить, что органические соединения способны ориентироваться и изменять конфигурацию (стереоформы) в зависимо­сти от природы и свойств окружающих их фаз. При этом, они способны сохранять эту ориентировку при быстром переходе из жидкой фазы в твёрдую.

Проводились интересные опыты (Devo): расплавленные воск и парафин при охла­ждении на воздухе давали гидрофобную поверхность, а на границе с водой − гидрофильную.

Аналогично, поверхность стеариновой кислоты, полученная на границе с водой и стеклом (—СООН) − гидрофильна, а на границе с воздухом (О—СН₃) − гидрофобна.

Поверхностные явления происходят на границе раздела двух фаз и характеризуются избытком поверхностной энергии и увеличением концентрации ПАВ в пограничном слое: Е↑ Þ С_ПАВ↑ Þ Е↓.

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.

 

Поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение связано с такими понятиями, как сво­бодная энергия поверхностного слоя жидкости на границе раздела фаз, работа поверхностного натяжения и сила поверхностного натяжения.

    Поверхностное натяжение (σ ) характеризует избыток свобод­ной энергии, сосредоточенной на одном квадратном сантиметре площади поверхностного слоя на границе раздела двух фаз:

 

Е = σ × S,                                 (6.1)

где σ – поверхностное натяжение;

S – суммарная поверхность двух фаз.

Устойчивость поверхности раздела фаз определяется ростом сво­бодной поверхностной энергии системы при увеличении площади по­верхности раздела:

dF/dS > 0.                                        (6.2)

Поверхностное натяжение характеризует работу образования но­вой поверхности в изотермических условиях:

 

A = σ × S.                                      (6.3)

 

Поверхностное натяжение характеризует силу, действующую на единицу длины периметра взаимодействия двух фаз (линию смачива­ния), или силу, препятствующую увеличению площади поверхности раздела фаз:

,                                      (6.4)

 

    где  – линия (контур) смачиваемости.

    Сила (F), приложенная к единице длины контура, ограничиваю­щего поверхность и направленная вдоль этой поверхности перпендику­лярно к контуру, называется поверхностным натяжением.

Межмолекулярные силы как бы создают поверхностную плёнку тол­щиной, равной радиусу сферы действия частиц. Эта плёнка подобна на­тянутой перепонке или оболочке из резины. Если она равномерно натя­нута, то на единицу длины в любом направлении нужно приложить рав­номерно распределенное, растягивающее, касательное к поверхности уси­лие, чтобы удержать её в натянутом положении.

Усилие натяжения поверх­ностной пленки, приходящееся на еди­ницу длины, называется поверх­ностным натяжением. Размерность поверхностного натяжения согласно его определе­нию выразится как отношение растягивающего усилия к длине → [мН/м], [мДж/м²].

Физический смысл величины поверхностного натяжения –это величина, которая характеризует меру некомпенсированности молеку-лярных сил на границе раздела фаз.

Величина поверхностного натяжения возрас­тает с увеличением разности между полярностями фаз, с уменьшением их взаимного растворения (диспергирования), их молекулярного сродства друг к другу.

Если между части­цами жидко­сти и твёрдого тела притяжение не происходит, жидкость под влиянием поверхностного натяжения и давления стремится иметь наименьшую поверхность – форму шара (опыт Плато). Так, небольшое количество ртути на поверхности стекла при­нимает лепёшкообразную форму, а очень маленькие капли принимают форму шара (рис. 6.1).

 

 

 Рис. 6.1. Формы капл и жидкости на поверхности твёрдого

           тела в зависимости от величины капли

Капли воды на поверхности стекла, покрытой предвари­тельно слоем парафина, твёрдого жира, принимают форму шариков, в то время как те же капли воды растекаются по всей поверхности чистого стекла.

Поверхностное натяжение нефти на границе с водой или другой жидкостью зависит от следующих факторов.

1. От количества имеющихся в ней поверхностно-активных компо­нентов: асфальтенов, смолистых веществ, нафтеновых кислот. Нефть, содержащая наименьшее количество указанных веществ, имеет наи­большую величину поверхно­стного натяжения на границе с водой. На­оборот, нефти, содержащие наибольшее количество поверхно­стно-ак­тивных веществ, имеют наи­меньшую величину поверхностного натяже­ния на границе с водой. Эта закономерность объясняется физическим смыслом величины поверхностного натяжения.

2. От природы другой жидкости, с которой нефть соприкасается. Например, при соприкосновении с водой в большинстве случаев по­верх­ностное натяжение нефти меньше, чем при соприкосновении с воздухом. Чем выше плотность нефти, тем больше ее поверхностное натяжение на границе с воздухом и тем меньше на границе с водой.

3. Коэффициент поверхностного натяжения (σ )зависит от давления, температуры, газового фактора, свойств флюидов. Поверхностное на­тяжение с увеличением давления понижается, тем сильнее, чем ниже температура. Поверхностное на­тяжение умень­шается с повышением температуры. Общий характер изменения величины поверхностного натяжения с изменением давления (рис. 6. 2) и температуры для нефти такой же, как и у воды.

 

   Давление, МПа

Рис. 6.2. Зависимость поверхностного натяжения нефти Небитдагского

              месторождения от давления на границе с метаном: 1 – Т = 60 º С;

         2 – Т = 20 ^оС; 3 – с этан-пропановой смесью

 

Влияние этих факторов на величину поверхностное натяжение (σ ) можно установить исходя из молекулярного механизма возникновения свободной поверхностной энергии и энергетической сущности поверх­ностного натяжения. С увеличением давления величина (σ ) 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.

С увеличением количества растворенного газа в нефти вели­чина поверхностного натяжения нефти на границе с газом уменьшается, а на границе с водой возрастает.

Количественные изменения величины поверхностного натяже­ния зависят от многих дополнительных факторов: химического состава нефти, состава газа (рис. 6.2, кривая 3), количества растворенного газа, количества и природы полярных компо­нентов и других факторов.

Поведение величины поверхностного натяжения жидкости на границе с жидкостью зави­сит во многом от полярностей этих жидкостей.

Поверхностное натяжение малополярных нефтей на границе с во­дой в пределах давлений, встречаемых в промысловой практике, мало зависит от давления (рис. 6.3) и температуры.

 

                                             Давление, МПа

Рис. 6.3. Зависимость поверхностного натяжения нефти Туймазинского

           ме­сторождения на границе с водой от давления при Т = 20 º С

 

Это объясняется относительно небольшим и примерно одинако­вым изменением межмолекулярных сил каждой из жидкостей с увели­чением давления и температуры, так что соотношение их остаётся по­стоянным.

Для высокополярных нефтей величины поверхностного натя­жения их на границе с водой будут уменьшаться. При наличии в нефти водорастворимых полярных компонентов поверхностное натяжение нефти на границе с водой уменьшается с ростом давления и темпера­туры, что связано с изменением растворимости полярных компонентов.

Сложный характер имеет зависимость поверхностного натяжения на границе с водой от давления и температуры в условиях насыщения нефти газом (рис. 6.4). Это обусловлено изменением концентрации по­лярных компонентов в поверхностном слое нефти при растворении в ней газа.

    Давление, МПа

 

Рис. 6.4. Зависимость поверхностного натяжения нефти Небит-

          даг­ского месторождения от давления на границе с водой

          при Т = 20 º С: 1 – при насыщении обеих фаз метаном;

         2 – при насыщении обеих фаз этан-пропановой смесью

 

По результатам измерения величины поверхностного натяжения нефти на границе с водой, в зависимости от насыщения нефти газом, по ряду месторождений было получено, что величина σ может быть значительной и составлять 3–6 мН/м при изме­нении давления от 0 до 26, 5 МПа.

Величина поверхностного натяжения вод на границе с нефтью зависит от солевого состава вод, от состава нефти, от наличия в воде и нефти поверхностно-активных веществ – нафтеновых кислот, смол, асфальтенов и других полярных соединений.

Поверхностное натяжение большинства пластовых вод гидро­кар­бонатного типа (воды щелочные) на гра­нице с некоторыми нефтями весьма невелико, от 1 до 7, 5 мН/м ( идёт диспергирование фаз ).

Хлор-кальцевый тип вод (жесткие пластовые воды, кислые по при­роде) имеет более высокие значения величин поверхностного натяжения на границе с пла­стовой нефтью, от 7 до 14 мН/м.

Морская в ода на границе с нефтью продуктивной толщи Апше­рон­ского полуострова имеет также высокое поверхностное натяжение, от 14 до 23 мН/м.

Дистиллированная вода на границе с различными видами нефтей об­ладает ещё большим поверхностным натяжением, которое изменя­ется от 20 до 34 мН/м.

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 составах полярных компонентов в жидкостях, интенсивно­сти проявления капиллярных сил.

Поверхностное натяжение на границе раздела между газом и жид­костью, двумя жидкостями можно измерить. Используется установка М. М. Кусакова, состоящая из источника давления, камеры высокого давления для измерения, каплеобразователя, коммуникаций, смесителя.

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: исследованием явлений смачиваемо­сти и растекаемости, измерением работы адгезии и когезии, изучением теплоты смачивания.

Смачивание и краевой угол

    Смачиванием называется совокупность явлений на границе сопри­косновения трёх фаз, одна из которых обычно является твёрдым телом и две другие – несмешиваемые жидкости или жидкость и газ.

    Капля жидкости может растекаться по поверхности, если поверх­ность хорошо смачивается, а если поверхность плохо смачивается, то капля растекаться не будет (рис. 6.5).

 

а                            б                          в

    Рис. 6.5. Различные случаи смачивания

 

Интенсивность смачивания характеризуется величиной краевого угла смачивания Q, образованного поверхностью твёрдого тела с каса­тельной, проведённой к поверхности жидкости из точки её соприкосно­вения с поверхностью (рис. 6.5, 6.6). Краевой угол (Q) измеряется в сторону более полярной фазы, в сторону воды. Принято условно обозначать цифрой 1 водную фазу, цифрой 2 – углеводородную жидкость или газ, цифрой 3 – твёрдое тело.

 

Рис. 6.6. Форма капли, обусловленная поверхностными натяжениями на раз­личных границах соприкасающихся фаз

        

    Предполагая, что краевой угол (Q) отвечает термодинамическому равновесию, получаем уравнение, впервые выведенное Юнгом:

 

σ _{2, 3} = σ _{1, 3} + σ _{1, 2}× cosQ,                                (6.4)

откуда получается выражение для краевого угла (Q):

 

cos Q = (σ _{2, 3} – σ _{1, 3})/ σ _{1, 2}.                                     (6.5)

В этих уравнениях (6.4, 6.5) величины σ _{2, 3} и σ _{1, 3} практически не­известны. Поэтому мерой смачивания жидкостями поверхности твёрдого тела служит величина краевого угла (Q). Значение Q не зависит от размеров капли и определяется лишь молекулярными свойствами поверхности твёрдого тела и соприкасающихся фаз. Поверхность должна лучше смачиваться той жидкостью на границе, с которой значение поверхностного натяжения меньше, то есть разность полярностей между твёрдым телом и жидкостью минимальная. Поэтому щелочные воды (разд. 6.2) лучше смачивают поверхность кварца и других минералов, слагающих пласт, чем другие типы вод. Это связано с омылением органических кислот щелочами пластовых вод. Мыла, адсорбируясь на поверхности раздела " нефть–вода" и " порода–нефть–вода", способствуют гидрофилизации (" П —О − В" ) поверхнос-ти, то есть уменьшению избирательного смачивания.

Если σ _{2, 3} > σ _{1, 3}, то 0 < cos Q < 1 или 0^о < Q < 90^о, из чего следует, что угол Q – ост­рый (0 < cos Q < 1), наступающий, а поверхность – гидрофильная. Если σ _{2, 3}< σ _{1, 3}, то –1 < cos Q < 0, из чего следует, что угол Q – ту­пой (90^о < Q < 180^о), отступающий, а поверхность – гидрофобная.

Существуют и переходные поверхности, амфотерные, которые хорошо смачиваются как полярными, так и неполярными системами.

К гидрофильным поверхностям относятся силикаты, кварц, слюда, карбонаты, окислы, сульфаты. К гидрофобным поверхностям – парафин, озокерит, графит, жиры, воск, тальк, асбест, сера, сульфиды, чистые металлы.

По величине угла избирательного смачивания судят о качестве пластовых вод и их отмывающей и вымывающей способностях. Лучше отмывают нефть воды, хорошо смачивающие породу.

Большое влияние на значение угла смачивания оказывают про­цессы адсорбции, в связи с изменением полярности поверхности твёрдого тела, за счёт образования поверхностных сольватных полимо-лекулярных слоёв.

Процессы адсорбции полярных молекул нефти на поверхности горных пород имеют большое значение при избирательном смачивании их водой и нефтью. Нефтесодержащие породы по своей природе в значительной степени гидрофильны. Несмотря на это коллектора нефти гидрофобизированы (" П − О—" ) ей и часто очень плохо смачиваются водой.

На величину краевого угла смачивания влияют: молекулярные свойства поверхности твёрдого тела и соприкасающихся фаз, свойства адсорбированных слоёв (за счёт явлений адсорбции), давление и температура. Зависимости Q = f(P) и Q = f(Т) сложно выявить в чистом виде. Они могут быть возрастающими или убывающими от преоблада­ния того или иного фактора, в частности от адсорбционных процессов.

При стандартных условиях значения угла смачивания пропорцио­нально поверхностной активности нефти. Измерение краевого угла смачивания используют оптические методы

 

⇐ Предыдущая10111213141516171819Следующая ⇒

Поделиться: