РНГМ-22-1м_ЛР9_Кашапов. Отчет по лабораторной работе 9 курса фнгп определение смачиваемости жидкости на поверхности твердого тела оптическим методом
 Скачать 196.35 Kb.
|
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» (ПНИПУ) ОТЧЕТ по лабораторной работе № 9 курса ФНГП Определение смачиваемости жидкости на поверхности твердого тела оптическим методом
Проверил: доц. каф. НГТ Гладких Евгений Александрович Пермь, 2022 Цель работы: визуально определить кривизну менисков при контакте жидкой и твердой фаз и определить краевой угол смачивания на границе контакта полярной и неполярной фаз. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Нефтяные дисперсные системы типа «жидкость-твердое тело» представляет собой напластование из осадочных пород в виде тела с огромным скоплением капиллярных каналов и трещин, заполненных флюидами, удельная поверхность которых очень велика. Поэтому закономерности движения углеводородов в пласте и их вытеснение из пористой среды существенно зависят от свойств пограничных слоёв соприкасающихся фаз и процессов, происходящих на поверхности контакта нефти, газа и воды с породой. 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. Поверхностное натяжение - это работа А обратимого изотермического процесса образования единицы новой площади S поверхности раздела фаз при постоянстве давления и химических потенциалов компонентов:  Поверхностное натяжение в энергетической форме имеет размерность Дж/м2. Зависимость поверхностного натяжения от рода флюидов, минерализации, их состава, давления и температуры носит сложный и неоднозначный характер. В случае чистой однородной жидкости на границе с паром при повышении температуры происходит снижение поверхностного натяжения, что связано с ослаблением действия межмолекулярных сил с ростом температуры. Эта зависимость определяется следующей формулой:  где: σo, σt – поверхностные натяжения системы при температурах 0 оС и t; γ – температурный коэффициент поверхностного натяжения: ртуть-0,00035 1/оС; вода-0,002 1/оС. Поверхностное натяжение жидкостей на границе с дистиллированной водой составляет: для керосина при 20оС составляет 48,3 мН/м, для бензина - 48 мН/м, для толуола – 36,2 мН/м, для бензола – 35 мН/м. Смачиваемостью называется совокупность явлений на границе соприкосновения трёх фаз, одна из которых обычно является твёрдым телом и две другие – не смешиваемые жидкости или жидкость и газ. Смачиваемость проявляется в способности жидкости энергетически взаимодействовать с твердой поверхностью с образованием поверхностных структурированных слоев. Интенсивность смачивания характеризуется величиной краевого угла смачивания Q, образованного поверхностью твёрдого тела с касательной, проведённой к поверхности жидкости из точки её соприкосновения с поверхностью (рис. 1).  Рис. 1 – Форма капли, обусловленная поверхностным натяжением на различных границах соприкасающихся фаз Краевой угол Q измеряется в сторону от менее полярной к более полярной фазе (в данном случае в сторону воды). Принято условно обозначать цифрой 1 водную фазу, цифрой 2 – углеводородную жидкость или газ, цифрой 3 – твёрдое тело. Угол смачивания определяется по уравнению Юнга:  где: 2,3- межфазное натяжение на границе «нефть – порода», 1,3- межфазное натяжение на границе «вода – порода», 1,2 - межфазное натяжение на границе «вода нефть», - угол смачиваемости породы. Когезия Wк - работа, необходимая для разрыва однородной объемной фазы при образовании поверхности раздела. Силы когезии определяют существование веществ в конденсированном состоянии. Количественную характеристику сил когезии и адгезии получают, оценивая работу, совершаемую против действия этих сил. Работа когезии (Wc) численно равна затрате энергии на разрыв тела (обратимо и изотермически) по сечению, равному единице площади. Адгезия (прилипание) Wа - работа, необходимая для разрыва разнородного межфазного слоя (вода-порода) при образовании новых поверхностей раздела. Работу адгезии (Wа) характеризуют затратой энергии на разрыв адгезионного контакта в расчете на единицу площади. Если угол 90 >> 0 – острый (наступающий), то поверхность хорошо смачивается водой и называется гидрофильной. Если угол 90 >>180 – тупой (отступающий), то поверхность плохо смачивается водой и называется гидрофобной. К гидрофильным поверхностям относятся силикаты, карбонаты, окислы железа. К гидрофобным поверхностям – парафины, жиры, воск, чистые металлы. Смачиваемость поверхности пород непосредственно влияет на эффективность практически всех известных технологий разработки месторождений углеводородного сырья с использованием заводнения. Смачиваемость влияет на фазовые проницаемости, адсорбцию полярных компонентов нефти, капиллярное давление, остаточную водо- и нефтенасыщенность, охват пласта заводнением, коэффициент вытеснения и коэффициент извлечения нефти. На рис.2 приведен график влияния смачиваемости на коэффициент вытеснения.  Рис. 2 – Влияние смачиваемости поверхности пород на коэффициент вытеснения нефти водой по Доналдсону Смачиваемость водой понижается с увеличением вязкости нефти, газонасыщенности, минерализации воды, содержания в воде ионов хлора, кальция, магния, брома. Перед выполнением работы необходимо изучить по паспорту конструкцию бинокулярного или монокулярного микроскопа, его технические характеристики, порядок подготовки к работе и проведение исследований (рисунок 3). Ниже приведены краткие технические характеристики учебного микроскопа «Микромед -5».  Рис. 3 – Внешний вид микроскопа «Микромед -5» Для выполнения работы необходимы: Микроскоп с окуляром, снабженным измерительной шкалой Тонкий стеклянный капилляр с внутренним диаметром d=3.0 мм Микрошприц с иглой Дистиллированная вода Трансформаторное масло Бюксы для хранения воды и масла Фильтровальная бумага ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Часть 1. Берем сухой чистый капилляр. Предварительно опускаем капилляр открытым концом в дистиллированную воду и засасываем в капилляр небольшое количество воды так, чтобы по длине капилляра образовалась протяженная капля с двумя четкими менисками на концах Далее необходимо включить микроскоп, установить капилляр на диск-подставку так, чтобы капля находилась в центре диска. Выбрать самый короткий объектив 4/0,10, для чего повернуть револьверную головку микроскопа так, чтобы объектив оказался в центре напротив пучка света. Количественное измерение размеров микрообъектов проводят с использованием встроенной в окуляр линейной шкалы. Для измерения линейных размеров объекта необходимо поворотом окуляра совместить сетку шкалы с измеряемым отрезком - текущей высотой hi сферического сегмента от линии d до линии L мениска и подсчитать количество малых делений шкалы N, покрывающих этот отрезок. Расчет линейных размеров hi проводится по формуле: hi=K*N, где К –цена малого деления шкалы для выбранного объектива.  Рис. 4 – Количество высот hi сферического сегмента, которые необходимо измерить Для определения точной формы мениска проводится измерение высоты мениска в 5 точках окружности. Данные измерений записать в таблицу 1. По данным табл. 1 форму мениска границы раздела «вода-газ» нанести на миллиметровую бумагу с учетом выбранного масштаба. Часть 2. Заполняем микрошприц без излы трансформаторным маслом в объеме не более 0,5 мл. Если используем иглу, то после заполнения шприца необходимо тщательно протереть иглу ватой или фильтровальной бумагой. Затем иглу микрошприца надо медленно ввести в центр водяной капли и выдавить каплю масла (неполярной фазы) с размером большим диаметра капилляра. По аналогии с первой частью далее измерить высоты сферического сегмента (табл. 2) и рассчитать по двум вариантам краевой угол смачивания на границе «вода-масло». После расчетов заполнить таблицу 3 полученных экспериментальных данных, выполнить их анализ. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ   Таблица 1 – Измерение формы мениска сферического сегмента
Таблица 2 – Измерение формы мениска сферического сегмента для дистиллированной воды
Таблица 3 – Сводная таблица экспериментальных результатов
Вывод: в ходе выполнении данной работы, мною визуально определена кривизна менисков при контакте жидкой и твердой фаз и определен краевой угол смачивания на границе контакта полярной и неполярной фаз, значения угла при разных вариантах вычисления отличаются не значительно. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ Что такое смачиваемость? Что такое поверхностное натяжение и капиллярное давление? Энергия когезии и адгезии. Уравнение Юнга, Дюпре и Дюпре-Юнга. Условия полного смачивания и несмачивания. Что такое олеофобность и олеофильность? Как влияет температура на смачиваемость? Что такое инверсия смачиваемости? Методы регулирования смачивания при вытеснении нефти водой. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||