Молекулярно-поверхностные явления

15 Молекулярно-поверхностные явления.

Нефтяные пласты представляют собой огромное скопление капиллярных каналов и трещин с громадной площадью поверхности Вследствие этого поверх­ностные явления играют решающую роль в процессах взаимного вытеснения неф­ти, воды и газа. В частности, нефтеотдача пластов, фазовые проницаемости во многом обусловлены поверхностными явлениями. С этими же явлениями сталки­ваются при разрушении водонефтяньгх эмульсий, обезвоживании нефти, при борьбе с отложениями асфальто-смолистых и парафиновых веществ в призабой-ной зоне пласта, на нефтепромысловом оборудовании.

Поверхностные явления в нефтяном пласте существуют на грантах раз­дела; нефть-вода, нефть-газ, нефть-порода, вода-газ, вода-порода, газ-порода. Степень проявления молекулярно-поверхностного взаимодействия на границах

раздела фаз определяется коэффициентом поверхностного натяжения, краевым углом избирательного смачивания, работой адгезии, теплотой смачивания.

Молекулы поверхностного слоя на границе двух несмешивающкхся фаз вследствие нескомпенсированности межмолекулярных сил имеют избыточную свободную энергию. Эта энергия отнесенная к единице поверхности называется удельной свободной поверхностной энергией или поверхностным натяжением (коэффициентом поверхностного натяжения)

где 

F - свободная поверхностная энергия, Дж;

S - поверхность раздела фаз. м7;

а - коэффициент поверхностного натяжения, Дж/м2 или Н/м.

Коэффициент поверхностного натяжения определяется экспериментально и только на границе раздела жидкость-жидкость, жидкость-газ. Существуют раз­личные методы определения ст. Наиболее распространенным методом является метод с использованием сталагмометра, принципиальная схема которого приведе­на на рис. 15.1.

Основной частью прибора служит микрометр 1, обеспечивающий фиксиро­ванное перемещение поршня 3 в цилиндрическом стеклянном корпусе 4. Шток поршня 3 соединен с пружиной 2, благодаря чему исключается его самопроиз­вольное перемещение. Микрометр с цилиндром укреплены с помощью скобы 14 н втулки 13, которая может свободно передвигаться по стоике штатива 11 и фикси­роваться на любой ее высоте винтом 12. На наконечник цилиндра надет перевод­ник 10 в который плотно входит капилляр 9. При вращении микровинта 1, шток поршня 3 движется вниз, перемещаясь в корпусе цилиндра, заполненного иссле­дуемой жидкостью и выдавливает ее из кончика капилляра 9 в виде капли 6 в дру­гую жидкость 8 При достижении критического объема, капля отрывается, всплы­вает и образует слой 5.

Рисунок 15.1 —Сталагмометр

Поверхностное натяжение на границе нефть-дистиллированная вода рас­считывается по формуле.

где 

а - коэффициент поверхностного натяжения, мН/м;

V - объем всплывшей капли в делениях микрометра;

к - постоянная капилляра; оценивается по жидкостям с известным значени­ем а, (мН-м3)/(м-кг);

А и р, - соответственно плотности воды и нефти, кг/м3.

Избытком свободной поверхностной энергии обладает и поверхность раз­дела твердое тело-жидкость. О величине этой энергии судят по характеру смачи­вания твердого тела жидкостью.

Смачивание - это поверхностное явление, заключающееся во взаимодейст-чии жидкости с твердым телом при наличии одновременного контакта трех несмешивающихся фаз. Мерой смачивания является краевой угол смачивания 6, ко­торый также оценивается экспериментально.

Поверхность твердою тела, хорошо смачиваемая водой, называется гидро­фильной (в измеряется от 0 до 90°), плохо смачиваемая водой - гидрофобной {в изменяется от 90 до 180°). Точка, соответствующая краевому углу смачивания 90L, называется точкой инверсии (обращения).

Смачивание - самопроизвольный процесс, идущий с уменьшением поверх­ностной энергии. Поэтому при смачивании выделяегея теплота. Чем лучше твер­дое тело смачивается жидкостью, тем выше теплота смачивания.

Работа адгезии характеризует работу по отрыву жидкости от твердой по­верхности Оценивается но уравнению Дюпре - Юнга

где 

а - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м;

- краевой у:ол избирательного смачивания, град.

Задача 15.1 Определить величину межфазного натяжения на границе дегазиро­ванная нефть-пластовая вода, гели известны результаты, полученные на сталаг­мометре (рис 15.!) и исходные данные (табл 15.1).

Принимаем плотность октана (р„) и дистиллированной воды (р.) равными соответственно 713 и 1000 кг/м3

Решение.  1) Определяем постоянную капилляра по формуле (15.2)

2) Рассчитываем коэффициент поверхностного натяжения а на границе нефть-пластовая вода

= 0,003 76 (1013-864) = 33,97 ,мН/м.

Таблица 15.1.

Наименование параметра	Значение параметра
Варианты заданий
1	2	3	4	5
Объем всплывшей капли V, дел шкалы:
а) октана	65	67	68	63	61
б) нефти	76	74	78	72	69
Поверхностное натяжение октана на гра­нице с дистиллированной водой оь, мН/м Плотность, кг/м3:	50,98	50,98	50,98	50,98	50,98
а) пластовой воды	1013	1024	1076	1084	1033
б) дегазированной нефти	864	888	894	837	956

Задача 15.2 Определить коэффициент поверхностного натяжения а пластовой воды на границе с углеводородным газом, если в капилляре с диаметром d, она поднимается на высоту h. Плотность жидкости р, краевой угол избирательного смачивания в.

Таблица 15.2

Наименование параметра	Значение параметра
Варианты заданий
1	2	3	4	5
1)	Диаметр капилляра d, мм	0,5	0,25	0,8	1,4	2.0
2)	Высота подъёма воды И, мм	2,1	2,8	1,8	1,7	0,8
3)	Плотность пластовой воды р, г/см1	1,07	1,14	1,09	1,12	1,6
4)	Краевой угол избирательного сма­чивания й град.	9	14	23	37	49

Решение. Коэффициент поверхностного натяжения пластовой воды на границе с углеводородным газом с ипользованнем капилляра определяется по формуле:

В формуле размерность параметров представлена в системе СИ:

р - кг/м3 g - м/с2 , h - м, г - м.