Материал: Физика пласта. учебное пособие. Булыгин Ю.А

Предполагая, что θ отвечает термодинамическому равновесию, получим уравнение, выведенное Юнгом (Томас Юнг, британский физик, 1773 – 1829 г.ж.):

2,3 3,1 1,2 сos ,

откуда

cos 2,3 3,1 .1,2

Если σ2,3 > σ1,3, то 0 < cos θ < 1, из чего следует, что угол θ – острый (наступающий), а поверхность – гидрофильная.

Если σ2,3 < σ1,3, то -1 < cos θ < 0, из чего следует, что угол θ – тупой (отступающий), а поверхность – гидрофобная.

Существуют такие переходные поверхности (т.н. амфотерные), которые хорошо смачиваются как полярными, так и неполярными системами.

К гидрофильным поверхностям относятся силикаты, карбонаты, окислы железа. К гидрофобным – парафины, жиры, воск, чистые металлы.

Адгезия – прилипание (сцепление поверхностей) разнородных тел.

Работа адгезии оценивается уравнением Дюпре (18351907 г.ж.):

Wa 1,2 2,3 1,3 .

Исходя из этого, получим обобщенное уравнение Дюпре

– Юнга:

Wa 1,2 (1 cos ).

105

Величину σ1,2·cosθ принято называть натяжением смачивания.

Когезия – явление сцепления поверхностей разнородных тел, обусловленного межмолекулярным и химическим взаимодействием.

Работа когезии характеризует энергетические изменения поверхностей раздела при взаимодействии частиц одной фазы.

После подстановки в уравнение Юнга значения работ адгезии и когезии получим:

cos 2Wa Wk .

Wk

Отсюда следует, что смачиваемость жидкостью твердого тела тем лучше, чем меньше работа когезии.

Для характеристики смачивающих свойств жидкости используют также относительную работу адгезии:

z Wa . Wk

При смачивании твердого тела жидкостью наблюдается выделение тепла, т.к. разность полярностей на границе твердое тело-жидкость меньше, чем на границе с воздухом. Для пористых и порошкообразных тел теплота смачивания обычно изменяется от 1 до 125 кДж/кг и зависит от степени дисперсности тела и полярности жидкости. Большее количество теплоты выделяется при смачивании той жидкостью, которая лучше смачивает твёрдую поверхность.

Если через q1 – обозначить удельную теплоту смачивания породы водой, а через q2 – удельную теплоту смачивания породы нефтью, то для гидрофильных

106

поверхностей будет выполняться условие: q1/q2> 1, а для гидрофобных q2/q1 > 1.

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 менисков жидкости в каналах и трещинах.

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 поверхности воды нефтью или нефти водой;

-скорости перемещения трехфазной границы раздела фаз по твердой поверхности;

-шероховатости твердой поверхности;

-адсорбции на поверхности веществ.

Явление гистерезиса имеет молекулярную природу, на полированных поверхностях проявляется слабо.

107

12. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫТЕСНЕНИЯ НЕФТИ, КОНДЕНСАТА И ГАЗА ИЗ ПОРИСТОЙ СРЕДЫ

12.1.Источники пластовой энергии

Взависимости от геологического строения района и залежи приток нефти, воды и газа к скважинам обуславливается:

1) напором краевых вод;

2) напором газа, сжатого в газовой шахте; 3) энергией газа, растворенного в нефти и в воде и

выделяющегося из них при снижении давления; 4) упругостью сжатых пород; 5) гравитационной энергией.

Взависимости от вида преимущественно проявляющейся энергии вводят понятия режимов работы залежи:

- водонапорный (активные краевые воды или искусственное заводнение пласта);

- режим газовой шапки, растворенного газа (возникает при условии, когда единственным источником является энергия сжатого газа, а пластовые воды не активны);

- упругий или упруговодонапорный; - гравитационный; - смешанный.

12.2.Силы, действующие в залежи

Вотличие от движения жидкости в трубах характер течения в микронеоднородной пористой среде имеет свои особенности. Установлено, что в области водонефтяного контакта вместо раздельного фронтового движения фаз перемещается смесь воды и нефти. Жидкости в капиллярных каналах разбиваются на столбики и шарики, которые на время

108

закупоривают поры пласта вследствие проявления капиллярных сил.

Рассмотрим условия перемещения столбика нефти в цилиндрическом капилляре, заполненном и смоченном водой.

Рис. 12.1. Схема деформации капли нефти при ее сдвиге в капилляре [4]

Под действием капиллярных сил столбик нефти будет стремиться принять шарообразную форму, оказывая при этом давление р на пленку воды между стенками капилляра и столбиком нефти:

где σ – поверхностное натяжение на границе нефть-

вода;

R – радиус сферической поверхности столбика

нефти;

r – радиус её цилиндрической поверхности.

С началом движения столбика нефти в капилляре возникает сила трения, обусловленная давлением нефти на стенки капилляра. Кроме того, прежде чем столбик нефти сдвинется с места, мениски на границах фаз деформируются и займут положение, изображенное пунктирными линиями.

109