Смачиваемость твердой поверхности пород пластовыми жидкостями и газами и методы ее определения. Зависимость смачиваемости пород от давле

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

«Уфимский государственный  нефтяной технический университет»

 

Кафедра разработки нефтяных и газовых месторождений

 

 

 

 

Реферат по дисциплине

«Физика пласта» 

Вариант № 12

 

 «Смачиваемость твердой поверхности пород пластовыми жидкостями и газами и методы ее определения. Зависимость смачиваемости пород от давления, температуры, минералогического состава и состояния поверхности адсорбции, химического состава жидкостей »

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент гр. БМТ-10-01                                   Р.З. Субханкулов        

Проверил доц. каф. РНГМ                                              А.В. Лысенков

 

Уфа

2012

Содержание

 

Введение                                                                                                                 3

1 Смачиваемость и способ определения                                                             4

2 Степень  смачиваемости  пород                                                                         8

3 Смачивание и краевой угол                                                                               13

4 Угол смачивания  и кинетический гистерезис                                                18

5 Свойства минералов нефтесодержащих пород                                              20                                                  

Заключение                                                                                                            24

Список используемых источников                                                                      25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

         Нефтяной пласт представляет собой залежь осадочных пород в виде тела с огромным скоплением капиллярных каналов и трещин, поверхность которых очень велика. Поэтому закономерности движения нефти в пласте и её вытеснения из пористой среды зависят также и от свойств пограничных слоёв соприкасающихся фаз и процессов, происходящих на поверхности контакта нефти, газа и воды с породой.

На формирование залежей углеводородов  оказывает влияние количество остаточной воды в залежи (остаточная водонасыщенность, S_B), которая в свою очередь зависит от свойств воды и углеводородов и от природы поверхности горной породы. Под природой поверхности понимаются гидрофильность – способность вещества смачиваться водой и гидрофобность – способность вещества не смачиваться водой.

         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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 СМАЧИВАЕМОСТЬ И СПОСОБЫ ЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

 

         Смачиваемость, смачивание — поверхностное явление, возникающее на границе соприкосновения фаз, одна из которых твёрдое тело, а другие — несовмещающиеся жидкости или жидкость и газ. Смачиваемость проявляется в частичном или полном растекании жидкости по твёрдой поверхности, пропитывании пористых тел и порошков.

 
                                                                                      (1)       

 

Смачиваемость твёрдых веществ характеризуется углом смачиваемости Q или соs Q, значения которых получают при рассмотрении равновесного состояния сил поверхностного натяжения для капель жидкости (ж) на твёрдой поверхности (т) в газовой среде (г):  
 
где σ_тг - поверхностное натяжение на границе раздела фаз твёрдое тело - газ; σ_тж - поверхностное натяжение на границе раздела фаз твёрдое тело - жидкость;

σ_жг - поверхностное натяжение на границе раздела фаз жидкость – газ.

         Смачиваемость твёрдой поверхности жидкостью увеличивается по мере уменьшения угла Q. При рассмотрении угла смачиваемости учитывается гистерезис смачиваемости, зависящий от состояния твердой поверхности — её шероховатости, химической неоднородности, препятствующих перемещению границы раздела фаз (уменьшение угла смачиваемости при оттекании жидкости и увеличение угла Q при натекании жидкости).  
 
         В горном деле смачиваемость играет большую роль не только при обогащении руд и минералов (флотации, классификации, гравитации, магнитной сепарации, дезинтеграции и т.д.), но и в процессах подземного выщелачивания, гидрометаллургической переработки руд, разрушении горных пород (понижение прочности, эффект Ребиндера), пылеулавливании и других процессах.

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

            Интенсивность смачивания характеризуется  величиной краевого угла смачивания Q, образованного поверхностью твёрдого тела с касательной, проведённой к поверхности жидкости из точки её соприкосновения с поверхностью (рисунок 1).

 

Рисунок 1. - Поверхностные натяжения на различных границах соприкасающихся фаз.

 

          Краевой угол Q измеряется в сторону более полярной фазы (в данном случае в сторону воды). Принято условно обозначать цифрой 1 водную фазу, цифрой 2 – углеводородную жидкость или газ, цифрой 3 – твёрдое тело.

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

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

           Краевой угол смачивания зависит от строения поверхности, адсорбции жидкостей и газов, наличия ПАВ, температуры, давления, электрического заряда. Поверхностные явления описываются также работой адгезии.

          Адгезия – прилипание (сцепление поверхностей) разнородных тел. Когезия – явление сцепления поверхностей разнородных тел, обусловленной межмолекулярным или химическим взаимодействием.

           Из вышеуказанного уравнения следует, что смачиваемость жидкостью твёрдого тела тем лучше, чем меньше работа когезии (и поверхностное натяжение жидкости на границе с газом). Для характеристики смачивающих свойств жидкости используют также относительную работу адгезии z = W_а/W_к.

          Ещё одна характеристика, используемая для описания поверхностных явлений – теплота смачивания.

          Установлено, что при смачивании твёрдого тела жидкостью наблюдается выделение тепла, так как разность полярностей на границе твёрдое 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 твёрдого тела и полярности жидкости.

          Теплота смачивания характеризует степень дисперсности твёрдого тела и природу его поверхности. 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 - обозначить удельную теплоту смачивания породы нефтью, то для гидрофильных поверхностей будет выполняться соотношение : (q₁/ q₂) > 1, а для гидрофобных: (q₁/ q₂) < 1.

         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 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, 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 СТЕПЕНЬ  СМАЧИВАЕМОСТИ ГОРНЫХ  ПОРОД

 

        Степень смачиваемости горных пород зависит как от минералогического состава породы, так и от свойств жидкостей. Одновременное присутствие в нефтяном пласте нефти и воды приводит к возникновению межфазных натяжений на контактных поверхностях между отдельными фазами. Если вода избирательно лучше смачивает породу, чем нефть, и самопроизвольно распространяется по поверхности породы, замещая нефть, (что обычно и наблюдается в природе), то порода называется гидрофильной или олеофобной. В ином случае (порода лучше смачивается нефтью) порода называется гидрофобной или олеофильной. Наличие в коллекторах «связанной» воды в некоторых случаях обусловливает гидрофильность нефтеносных песков и песчаников.

         Так как поверхность раздела фаз по периметру cоприкасается с поверхностью каких-либо каналов или пор, то величина поверхности раздела фаз зависит от характера смачиваемости жидкостями этих каналов.

           Вследствие того, что поверхностные слои фаз обладают различными свойствами, в разных фазах развивается неодинаковое внутреннее давление. Разность давлений в фазах представляет собой капиллярное давление на мениске P_K, направленное в сторону фазы, менее смачивающей поверхность каналов:

P_K = P_В – P_н = 2σ cos(θ) / r                              (2)

где P_В - внутреннее давление в более смачивающей фазе (воде);

P_H - внутреннее давление в менее смачивающей фазе (нефти);

θ - угол избирательного смачивания;

r - эффективный радиус канала.

         Под действием капиллярного давления в канале постоянного сечения (радиуса) движение мениска (границы раздела фаз) будет самопроизвольным. В строго горизонтальном или в вертикальном каналах это движение должно происходить на неограниченную глубину. Высота вертикального подъема мениска в канале постоянного сечения ограничивается действием гравитационных сил.

          Равновесная или предельная высота капиллярного подъема мениска в вертикальном канале равна:

                                                                 (3)

где ∆γ - разность удельных весов фаз.

         До начала формирования нефтяных залежей продуктивные пласты были полностью водонасыщены и обладали гидрофильной поверхностью. Формирование нефтяных залежей осуществлялось за счет вытеснения воды нефтью, т.е. менее смачивающей жидкостью. Следовательно, на поверхности пор первоначально оставалась непрерывная пленка воды. Однако, как уже отмечалось, в работах показано, что эта пленка длительное время существовать не может. Под действием активных компонентов нефти, содержащей растворенный газ, происходят разрыв ее и частичное оттеснение воды от поверхности пор. Вследствие этого поверхность поровых каналов становится неоднородной не только по диаметру (сечению), но и по характеру смачиваемости: наряду с гидрофильной появляются участки с гидрофобной поверхностью. Микронеоднородность пористой среды усложняется еще энергетической неоднородностью, так как в различных точках пор граница раздела фаз (мениски) будет находиться под влиянием различного баланса энергии.

          В этих условиях, когда норовые каналы не только непостоянны по своему сечению, но и обладают различной смачиваемостью поверхности, капиллярные силы имеют резко прерывистый характер, а условия для самопроизвольной глубокой пропитки резко ухудшаются.

     В работе показано, что самопроизвольная капиллярная пропитка пористой среды прекращается, если угол избирательного смачивания θ становится равным или больше 60°. В пористой среде со смешанной (гидрофильной и гидрофобной) смачиваемостью осредненный угол смачивания при движении мениска, очевидно, будет не менее 60°.

          Смачиваемость пород обусловлена адсорбционной способностью, т. е. способностью концентрировать на своей поверхности молекулы жидкости за счет электростатического притяжения.

          Большинство пород относится к хорошо смачиваемым водой (гидрофильным). Частично или полностью несмачиваемы (гидрофобны) сера, угли, битуминозные песчаники и некоторые другие породы. Адсорбционная способность пород возрастает при наличии в них растворимых солей, глинистых минералов (особенно с раздвижной кристаллической решеткой — монтмориллонитов), а также с увеличением удельной поверхности твердой фазы.

           Поэтому наблюдается увеличение адсорбционной способности с уменьшением размеров частиц рыхлой породы и увеличением их углова-тости. Физически (прочно) связанная вода не перемещается в породах, имеет высокую плотность (до 1,74• 103 кг/м3), низкую температуру замерзания (—78°С), малые значения теплоемкости, диэлектрической проницаемости, электрической проводимости, не является растворителем. Она удаляется из породы только нагреванием свыше 105—110 °С.