Молекулярно-поверхностные свойства системы «нефть - газ - вода - порода»

Нефтяной или газовый пласт представляет собой огромное скоп­ление капиллярных каналов и трещин, поверхность которых очень велика: в 1 м³ нефтесодержащих пород поверхность поровых кана­лов достигает нескольких гектаров.

Нефтегазосодержащий пласт является также системой, состоящей из твердой и газовой фаз и двух несмешивающихся жидкостей — нефти и воды. Общая поверхность разделов фаз в этой системе со-

ставляет чрезвычайно большую величину, намного превосходящую общую поверхность самой породы.

В таких условиях молекулярно-поверхностные свойства много­фазной системы оказывают существенное влияние на процессы дви­жения жидкостей и газов в пористой среде. На поверхностях разде­лов фаз образуются мениски, в результате чего возникают капилляр­ные давления, зависящие от размера поровых каналов и играющие весьма важную роль в процессах вытеснения нефти водой и газом.

В конечном счете поверхностные явления в пласте определяют его нефтеотдачу. Поэтому изучение молекулярно-поверхностных свойств пластовых жидкостей и закономерностей взаимодействия их с твердой фазой коллектора состав­ляет один из важнейших разделов науки о нефтяном пласте.

С молекулярно-поверхностными явле­ниями мы сталкиваемся не только в пласте, но также при образовании и раз­рушении водонефтяных эмульсий, при отложении парафина в скважинах и при-забойной зоне пласта и т. п. Поэтому тео­рия поверхностных и капиллярных явле­ний находит большое приложение в про­мысловой практике.

Поверхностное натяжение. Всякая поверхность, отделяющая одну фазу си­стемы от другой, сильно отличается по физико-химическим свойст­вам от внутренних частей граничащих фаз. Это отличие заклю­чается в том, что граничные поверхности обладают особым запасом энергии — свободной поверхностной энергией, обусловлен­ной особым положением молекул в пограничном слое.

Представим себе поверхность раздела АВ между жидкой и газо­образной фазами (рис. 15). Молекула, занимающая любое положение внутри жидкости, испытывает равномерное воздействие со стороны окружающих ее других молекул. Поэтому равнодействующая всех сил молекулярного взаимодействия, действующих на эту молекулу со стороны окружающих ее молекул, равна нулю, и благодаря этому она может свободно перемещаться внутри жидкости в любом направлении. Силы же, действующие на молекулы, расположенные в поверхностном слое, направлены внутрь жидкости и вдоль поверх­ности раздела, поэтому равнодействующая их не равна нулю и направлена внутрь жидкости нормально к поверхности раздела. Следовательно, молекулы поверхностного слоя в сумме обладают избытком энергии по сравнению с равным объемом молекул, находя­щихся во внутренних слоях жидкости, и поверхностный слой будет оказывать на жидкость определенное давление, называемое мо­лекулярным давлением. Это давление очень велико, например, для воды оно доходит до 1000 МПа. Оно не ощущается только потому, что передается равномерно во все стороны жидкости.

4 Заказ 2145

Влиянием такого большого давления объясняется, в частности,
сравнительно малая сжимаемость жидкостей (любое внешнее давле­
ние всегда весьма мало по сравнению с внутренним давлением жид­
кости). 1

Давление поверхностного слоя, вызывает появление сил реакции, т. е. таких молекулярных сил, которые противодействуют моле­кулярному давлению. Такие силы называются силами по­верхностного натяжения. Если молекулярное давле­ние (давление поверхностного слоя) стремится изменить форму поверхности жидкости, втягивая ее внутрь, то поверхностное натя­жение оказывает сопротивление этому давлению.

Молекулярное давление направлено по нормали к поверхности жидкости, а сила поверхностного натяжения — по касательной к этой поверхности. Таким образом, вследствие действия поверх­ностного натяжения поверхность жидкости представляет собой как бы натянутую перепонку, стремящуюся сократить свою форму, противодействуя нормальным силам, приложенным к этой пере­понке и стремящимся изменить ее форму.

Поверхностное натяжение а в Международной системе изме­ряется в ньютонах на 1 м, т. е.

а = -у-[Н/м], (42)

где / — сила поверхностного натяжения, Н; I — длина контура поверхности, м.

Слой молекул, толщина которого равна радиусу действия сил молекулярного взаимодействия, называется поверхностным слоем. На перемещение в этот слой молекул из жидкости для образования новой поверхности затрачивается определенная работа, переходя­щая в энергию поверхностного слоя — поверхностную энергию. Поэтому поверхностным натяжением можно также назвать работу, отнесенную к 1 м² вновь образованной поверхности.

Тогда поверхностное натяжение будет равно

(43)

где К — работа, Дж; 5 — вновь образованная поверхность, м².

Таким образом, а представляет собой свободную энергию поверх­ности, равной 1 м².

В нефтяном пласте поверхностное натяжение может быть на гра­ницах следующих фаз: нефть—вода, нефть—газ, нефть—порода, вода—газ, вода—порода, газ—порода.

, Величина поверхностного натяжения разных фаз на границе их раздела неодинакова. В табл. 4 приведены значения поверхностного натяжения некоторых жидкостей на границе с воздухом и водой.

Из сказанного следует, что поверхностное натяжение может из­меряться также в Дж/м², причем 1 мН/м (миллиньютон на метр) = = Ю-³ Дж/м².

Та блица