Добыча нефти. Капиллярные явления в переходных зонах воданефть, нефтьгаз

• Название: Капиллярные явления в переходных зонах воданефть, нефтьгаз
• Анкор: Добыча нефти
• Дата: 25.05.2022
• Размер: 50.91 Kb.
• Имя файла: Fizika_plasta_statya_Niaz.docx
• Тип: Документы; #549484

Капиллярные явления в переходных зонах «вода-нефть»,

«нефть-газ», «вода-газ».

Н.Р.Салимов, студент 3 курса, Институт нефти и газа имени М.С. Гуцериева ФГБОУ ВО «УдГУ», 426034, Россия, г. Ижевск, ул. Университетская, 1, корп. 7, e-mail:[e-mail]

Ю.Г. Епифанов, ст. преподаватель кафедры РЭНГМ, Институт нефти и газа имени М.С. Гуцериева ФГБОУ ВО «УдГУ», 426034, Россия, г. Ижевск, ул. Университетская, 1, корп. 7, e-mail: [e-mail]

Аннотация: Когда имеется разделение между двумя фазами, например жидкость и газы, небольшая область вблизи границы раздела отличается по своим свойствам от основной части жидкости. Различие заключается в том, что границы имеют избыток энергии относительно внутреннего объема. Эта энергия называется поверхностной.

Свободная поверхностная энергия существует на границе участков любых фаз. Если в пористой среде одновременно находятся две фазы, например вода и нефть или газ с твердой поверхностью межфазные границы могут иметь сложную форму. Также это связано с тем, что в частности, на границе «жидкость-качество—твердое тело», а также "газ — твердое тело" также есть свободная поверхностная энергия.

Ключевые слова: Поверхностные явления , Поверхностное натяжение нефть,смачиваемость.

Рассмотрим молекулу, которая находится внутри жидкости. В силу однородности жидкости молекула испытывает равномерное воздей­ствие со стороны окружающих ее молекул, и поэтому суммарная сила молекулярного воздействия на эту молекулу со стороны окружающих ее молекул равна нулю. Очевидно, что такая молекула может перемещаться внутри жидкости в любом направлении без затраты энергии.

Рассмотрим теперь молекулу, находящуюся в поверхностном слое. Здесь силы, которые действуют на нее со стороны других молекул, направлены или вдоль поверхности, или внутрь жидкости, так что равнодействующая сила отлична от нуля и направлена по нормали к поверхности внутрь жидкости. Поэтому для перемещения молекулы жидкости из объема к границе раздела требуется затратить определен­ное количество энергии. Отношение этой энергии, называемой поверх­ностной, к единице площади поверхности носит название коэффициента поверхностного натяжения. Эта величина положительна, так как в противном случае было бы невозможно раздельное существование контактирующих фаз. Исходя из определения можно записать dF=  dS, где dF и dS — изменения, соответственно поверхностной энергии и площади раздела; а — коэффициент поверхностного натяже­ния

Поверхностное натяжение можно определить и как силу, дейст­вующую на единицу длины линии, ограничивающей поверхность соприкосновения двух фаз.

Величину, а можно рассматривать и как характеристику полярности жидкости. В учении о поверхностных явлениях термином «полярность» обозначается интенсивность поля молекулярных сил, действующих в данной фазе. Эта характеристика сил межмолекулярного сцепления связана также с такими параметрами жидкости, как диэлектрическая проницаемость, поляризуемость, дипольный момент, степень ассоци­ации. С ростом этих параметров полярность также возрастает.

Существование поверхностного натяжения приводит к деформации поверхности раздела так, что ее поверхность оказывается минималь­ной. По этой причине капельки жидкости и пузырьки газ-, принимают сферическую форму. На искривленной поверхности раздела двух фаз давление претерпевает скачок. Так, например, давление внутри капли выше, чем снаружи. Разность давлений по обе части искривленной поверхности раздела называется поверхностным или капиллярным давлением и вычисляется по формуле Лапласа



где R₁ и R₂—главные радиусы кривизны межфазной поверхности. До сих пор предполагалось, что коэффициент поверхностного натяжения постоянен. В связи с этим рассмотрим явления, обусловленные наличием градиента поверхностного натяжения (эффект Маран-гони). Его возникновение может обусловливаться различными при­чинами, такими, например, как наличием градиента температуры и градиента концентрации поверхностно-активных веществ.

Поскольку поверхностное натяжение зависит от температуры и концентрации поверхностно-активных веществ, то в этих условиях возникает градиент поверхностного натяжения.

Капиллярные явления в пористых средах

До сих пор рассматривались капиллярные явления на плоской поверхности или в капилляре постоянного диаметра. Однако в порис­тых средах капилляры имеют весьма причудливые формы, и поэтому капиллярные явления более разнообразны и имеют отличительные особенности. Рассмотрим основные эффекты, связанные с поведением мениска переменного сечения.

В цилиндрическом капилляре равновесие может обеспечиваться при равенстве перепада давления капиллярному давлению. При изменении внешнего давления весь капилляр становится заполненным или жидкостью, или газом. В капиллярах переменного сечения это не так. Рассмотрим устойчивость мениска жидкости в сужающемся и расширяющемся капиллярах с круговым поперечным сечением.

Можно подсчитать, что в сужающемся капилляре капиллярное давление

pk = 2 cos(  )/r, (2)

 —утоп наклона стенок к оси. Следовательно в расширяющемся капилляре

pk=2 cos(  )/r. (3)

Выражения (2) и (3) легко получить, если учесть, что сила поверхностного натяжения в сужающемся капилляре составляет с осью капилляра уголю.

В расширяющемся капилляре мениска неустойчив. В самом деле, при отклонении мениска вправо капиллярное давление уменьшается, так как радиус капилляра возрастает. Поэтому мениск больше не может компенсировать давление газа и капилляр, целиком заполняется газом. При отклонении влево капиллярное давление возрастает, и весь капилляр заполняется жидкостью. Аналогичные соображения говорят о том, что в сужающемся капилляре мениск устойчив. Если меняется не только радиус капилляра, но наклон его стенок, то поведение мениска становится более сложным.

Из формул (2) и (3) следует, что в каждом сечении капиллярное давление определяется как шириной капилляра, так и наклоном его стенок. После прохождения самого узкого места капилляра увеличива­ется его радиус r, вследствие чего правая часть в уравнении (3) уменьшается.

Однако наклон стенок может возрастать так быстро, что рост cos(9-а) опережает рост г, и правая часть в выражении (3) возрастает, вследствие чего увеличивается и капиллярное давление pk.

Если пористая среда заполнена двумя различными несмешиве­ющимися фазами, то на границе их раздела возникает капиллярное давление. При этом смачивающая жидкость стремится вытеснить несмачивающую. Для установления равновесия между фазами в порис­той среде необходимо поддерживать определенное внешнее давление. Так, например, для увеличения насыщенности пористой среды несмачивающей фазой необходимо применять дополнительное внешнее давление, равное разности между давлениями в несмачивающей р_нси смачивающей р_сфазами и зависящее от насыщенности:

p_ис-p_c=p(S) (4)

где S— насыщенность пористой среды смачивающей фазой.

Насыщение образца пористой среды жидкостью может осущест­вляться двумя способами. Если образец первоначально заполнен несмачивающей жидкостью, то ее замещает смачивающая. Такой процесс называется пропиткой. Если первоначально образец заполнен смачивающей жидкостью, то происходит процесс вытеснения.

Спи.сок использованной лите.ратуры:

1. 
   Гиматудинов Ш. К./ - Физика нефтяного и газового пласта// Гиматудинов Ш. К., Ширковский - М.: Недра, 1982. – 347с.
   
2. 
   Оркин Г. К / - Физика нефтяного пласта// Оркин Г. К., Кучинский П. К.- М.: Гостоптехиздат, 1955. – 234с
   
3. 
   Мирзанзаджаде А.Х./ - Физика нефтяного и газового пласта// - М.: Недра, 1982. – 268с
   
4. 
   Интернет ресурс: www.of.ugntu.ru (глава 5,7)
   

Properties of the surface layers of reservoir fluids.

N.R.Salimov, 3rd year stu.dent, Institute of Oil and Gas M.S. Guts.eriev Federal St.ate Budgetary Educa.tional Institution of Hig.her Education "U.dSU", 426034, Russia, Alm.aty, st. Izhevsk, st. Univers.itetskaya, 1, bldg. 7, em.ail: [e-mail]

Y.G. Epifanov, st. Lecturer of the Department of Institute of Oil and Gas named after M.S. Gutseriev Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "UdSU", 426034, Russia, Almaty, st. Izhevsk, st. Universitetskaya, 1, bldg. 7, e-mail: [e-mail]

Abstract: When there is a separation between two phases, for example liquid and gases, a small area near the interface differs in its properties from the main part of the liquid. The difference is that the boundaries have an excess of energy relative to the internal volume. This energy is called surface energy.

Free surface energy exists at the boundary of sections of any phases. If there are two phases in a porous medium at the same time, for example, water and oil or gas with a solid surface, the interfacial boundaries may have a complex shape. This is also due to the fact that, in particular, there is also free surface energy at the "liquid-quality—solid" boundary, as well as "gas —solid".

Keywords owl: Surface phenomena, Surface tension,oil,wettability.