Физика пласта

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                           СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………… 3

1 ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ………………………………………….4

2  ЗАВИСИМОСТЬ ПОВЕРХНОСТНОГО  НАТЯЖЕНИЯ ПЛАСТОВЫХ ЖИДКОСТЕЙ  ОТ ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ………………………… 8

3  ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ  КОМПОНЕНТОВ  НА ВЕЛИЧИНУ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ………………………………………….11

4  МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ……....14

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………….16

СИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ…..…………………………. 18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 слоев 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, Sв), 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.

     В данном реферате подробнее рассмотрим поверхностное натяжение на границе раздела фаз и зависимость ее величины от различных факторов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ

    

     Поверхностное натяжение - избыток свободной энергии сосредоточенной на одном квадратном сантиметре площади поверхностного слоя на границе раздела двух фаз. По поверхностному натяжению пластовых жидкостей на различных поверхностях раздела можно судить о свойствах соприкасающихся фаз, закономерностях взаимодействия жидких и твёрдых тел, процессах адсорбции, количественном и качественном составе полярных компонентов в жидкости, интенсивности проявления капиллярных сил и т.д.

     Поверхностное натяжение связано с такими понятиями, как свободная энергия поверхностного слоя жидкости и сила поверхностного натяжения .

     Свободная энергия поверхности:

Е = Q × s,                               (1.1)

где Q - поверхностное натяжение; s - суммарная поверхность двух фаз.

     Сила поверхностного натяжения - сила, действующая на единицу длины периметра взаимодействия двух фаз (линию смачивания):

F = Q × λ,                                (1.2)

где λ - линия смачиваемоемости.

     Коэффициент поверхностного натяжения а зависит от давления, температуры, газового фактора, свойств флюидов.

Если поверхностное  натяжение между двумя жидкостями, газом и жидкостью можно измерить, то на поверхности раздела породы-жидкости и породы-газа измерить трудно. Поэтому  для изучения поверхностных явлений  на границе порода-жидкость-газ, пользуются косвенными методами:

измерением работы адгезии  и когезии, исследованием явлений  смачиваемости и растекаемости, изучением теплоты смачивания.

     Смачиванием 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.

 

     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 θ , образованного поверхностью твёрдого тела с касательной, проведённой к поверхности жидкости из точки её соприкосновения с поверхностью (рис. 1.1).

 

 

Рис. 1.1. Форма капли, обусловленная поверхностными натяжениями на различных границах соприкасающихся фаз.

     Угол θ, образованный касательной к капле в точках ее периметра, зависит от поверхностных натяжений Q _1,3 и Q _1,2 и Q_2,3 на разделах фаз 1-3, 1-2, 2-3.

     Из условия равновесия векторов получим уравнения Юнга:

                               Q_2,3 = Q _1,3 + Q _1,2 cosθ;                        (1.3)             

                                cosθ = (Q_2,3 - Q _1,3)/ Q _1,2                      (1.4)

    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.

     Работа адгезии оценивается уравнением Дюпре:

Wa = Q_1,2+ Q_2,3+ Q_1,3                          (1.5)

     Используя соотношения (1.3) и (1.5), мы получим уравнение Дюпре-Юнга:

                                Wa = Q_1,2 (1+cosθ)                              (1.6)

     Из соотношения    Q_2,3 – Q_1,3 = Q_1,2 cosθ                      (1.7)

следует, что при смачивании свободная энергия единицы поверхности твёрдого тела уменьшается на величину Q _1,2cosθ, которую принято называть натяжением смачивания.

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

     Из уравнения (1.6) следует, что на отрыв жидкости от поверхности твёрдого тела при полном смачивании (когда cosθ  = 0) затрачивается работа, необходимая для образования двух жидких поверхностей  – 2Q_жг, т.е. Wк = 2Q _жг, где 2Q _жг  - поверхностное натяжение жидкости на границе с газом.

     Подставив в уравнение Юнга значения работ адгезии и когезии, получим:

                                cosθ  = (2 Wa – Wk)/ Wk                      (1.8).

     Из этого 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 = Wa/Wk [7].

    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 имеет значение 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 [7].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2  ЗАВИСИМОСТЬ ПОВЕРХНОСТНОГО  НАТЯЖЕНИЯ ПЛАСТОВЫХ ЖИДКОСТЕЙ  ОТ ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ

 

     Влияние температуры и давления на поверхностное натяжение жидкостей можно установить, исходя из молекулярного механизма возникновения свободной поверхностной энергии и энергетической сущности поверхностного натяжения.

     С повышением температуры уменьшается поверхностное натяжение чистой жидкости на границе с паром, что связано с ослаблением межмолекулярных сил с ростом температуры. Эта зависимость определяется следующей формулой:

Qt = Qo(1-γ t),                        (2.1)

где Qt и Qo – поверхностные натяжения системы (мН/м) при температурах t и 0ºC; γ – температурный коэффициент поверхностного натяжения, сохраняющий свойства константы при температурах вдали от критической точки 1/0ºС; t – температура, º С.

     С увеличением давления поверхностное натяжение жидкости на границе с газом понижается. Это связано с уменьшением свободной поверхностной энергии вследствие сжатия газа и его растворения в жидкости [4, 12].

     При содержании в нефти воднорастворимых полярных компонентов поверхностное натяжение ее на границе с водой может увеличиваться с ростом давления и температуры вследствие растворения этих компонентов в воде.

     Сложный характер имеет зависимость поверхностного натяжения нефти на границе с водой от давления и температуры в условиях насыщения нефти газом.

     Кинетическим гистерезисом смачивания называется изменение угла смачивания при передвижении по твердой поверхности трехфазного периметра смачивания.

 

     Следует учитывать, что если энергия прилипания жидкости к твердой поверхности больше энергии сцепления молекул жидкости, то вытесняемая жидкость, оставляет на поверхности пленку толщиной, соизмеримой с радиусом действия молекулярных сил. Это – одна из причин образования остаточной пленочной нефти в пласте.

     При изучении кинетического гистерезиса смачивания, т.е. от того, происходит ли вытеснение с твердой поверхности воды нефтью или нефти водой. Угол, образующийся при вытеснении нефти водой (θ _2,1) принято называть наступающим, а угол, образующийся при вытеснении воды нефтью (θ_1,2) – отступающим. При этом отступающий θ_1,2, наступающий θ_2,1, и статистический θ углы всегда находятся в соотношении θ_2,1 ≤ θ ≤ θ_1,2 [10].

     Гистерезис смачивания зависит от скорости перемещения трехфазной границы раздела фаз по твердой поверхности, а также от адсорбции на ней вещества и от шероховатости твердого тела.

     С увеличением скорости вытеснения нефти водой из капиллярных каналов пористой среды вследствие гистерезисных явлений наступающим угол смачивания возрастает и может стать больше 900, если даже в статистических условиях поверхность капилляра гидрофильна.

     Угол смачивания зависит от множества факторов: механического строения поверхности, адсорбции на ней газов, поверхностно-активных и других веществ, от ее загрязнения, электрического заряда.

     Межфазовое поверхностное натяжение граничного слоя между жидкостью и газом – это сила действующая в плоскости поверхности жидкой фазы, приходящаяся на единицу длины поверхностного слоя и направленная перпендикулярно этой длине. Единица измерения поверхностного натяжения Q н/м. Величина Q зависит от давления, температуры и состава газа и жидкостей.

Q= [П(ρ_ж – ρ_г)]4*10^-3 ,                  (2.2)

 

 где ρ_ж, ρ_г – плотность жидкой и газовой фаз, кг/м³; П – постоянная, названная парахором, представляет собой относительный объем двух жидкостей с равным поверхностным натяжением. Парахор не зависит от температуры и для индивидупальных компонентов может быть определен по молекулярной массе компонентов:

П_i= 30 + 2,82M_i                          (2.3)

     Величина поверхностного натяжения зависит от температуры, и эта зависимость Q(Т)=Q_о(1-Т_пр)ⁿ , где Т_пр – приведенная температура.

     Для предельных углеводородов нормального строения показатель степени n ≈ 1,259; Q_о=54,292 Н/м [7].

     С увеличением  температуры поверхностное натяжение уменьшается и становится равным нулю в критической точке.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3  ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ КОМПОНЕНТОВ  НА ВЕЛИЧИНУ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ

 

     Одна из основных причин низкой эффективности вытеснения нефти из коллекторов - неоднородность их физических свойств, в результате которой охват пласта заводнением оказывается невысоким. Идея использования полимеров для повышения эффективности процесса заводнения основана на способности их водных растворов даже при низкой концентрации полимера значительно снижать соотношение вязкости нефти и воды и уменьшить подвижность последней в высокопроницаемых пропластках, выравнивая продвижение водонефтяного контакта. В качестве добавок к воде используются полиакриламид (ПАА) и другие полимеры с массовой долей, равной 0,05-0,7%.

     Вязкостные свойства растворов полимеров зависят от концентрации вещества, свойств и состава растворителя, степени гидролиза ПАА.

     По реологическим характеристикам растворы полимеров относятся к неньютоновским жидкостям, т.е. зависимость между скоростью их течения и градиентом давления нелинейная. По характеру течения растворы полимеров проявляют себя как псевдопластики и как псевдодилактактные жидкости.

     В значительно степени вязкость растворов полимеров зависит от состава и концентрации солей-добавок солей NaCl. CaCl₂ MgCl₂ MgCl₂ FeCl₃ значительно снижают их вязкость, причем с увеличением валентности катиона интенсивность понижения вязкости возрастает.

     С увеличением концентрации полимера в растворе фазовая проницаемость пористой среды для смачивающей фазы уменьшается, а проницаемость для углеводородной жидкости при одной и той же насыщенности возрастает. По данным лабораторных опытов, нефтеотдача может возрастать при вытеснении нефти полимерными растворами на 15-20%.

     Водные растворы щелочей способны снижать поверхностное натяжение на границе нефтью, содержащей природные поверхностно активные вещества (ПАВ) и нафтеновые кислоты. Щелочные воды способствуют повышению коэффициента охвата пласта заводнением. Механизм проявления щелочей тесно связан с процессами их взаимодействия с нафтеновыми кислотами и другими составляющими нефтей и образованием в пластовых условиях новых ПАВ, которые в смеси с другими ПАВ, присутствующими в нефти способствуют значительному снижению поверхностного натяжения нефти на границе со щелочной водой. В нефтяных СНГ количество нефтяных кислот изменяется в широких пределах от долей единицы до 2,5%.

     Нежелательными компонентами в нефти при заводнении с использованием щелочей являются газы  H₂S, CО₂ ,которые способны связывать некоторое количество щелочей и уменьшать их концентрацию в растворе. Присутствие в пароде гипса и ангидрита отрицательно сказывается на результатах заводнения вследствие растворения CaSО₄ и выпадения из раствора осадков Са(ОН)₂. Глинистые компоненты породы с высокой интенсивностью ионного обмена способствуют снижению концентрации NaOH в растворе вследствие его нейтрализации ионами кальция и магния. По лабораторным данным, использование щелочных вод способствует увеличению коэффициента вытеснения на 15-20% [10].

     Процесс вытеснения нефти водой может быть приближен к условиям фильтрации однородных систем без влияния на движения флюидов многочисленных границ раздела, если между нефтью и водой поместить мицеллярный раствор (смесь углеводородных жидкостей, воды и поверхностно - активных веществ, растворимых в углеводородах, и стабилизаторов). В качестве стабилизаторов обычно используются спирты (изопропиловый, бутиловый и др.) Углеводородную часть мицеллярного раствора может составлять легкая нефть фракции C5+1.

     Нефтерастворимыми поверхностно-активными веществами (ПАВ) являются нефтяные сульфанаты, алкиларисульфанаты, алкилфенолы. При содержании в системе ПАВ концентрации выше критической концентрации мицеллообразования ПАВ находится в растворе в виде сгустков (мицелл), которые способны поглощать жидкость, составляющие их внутреннюю фазу. При значительной концентрации ПАВ последние в процессе перемешивания вместе с нефтью и водой образуют нефтеводяные агрегаты - мицеллы, строение которых зависит от количественного состава компонентов и их свойств [7,12].

     Несмотря на содержание в таком мицеллярном растворе до 95% воды, он хорошо смешивается с нефтью, ибо внешней фазой даже при большой концентрации воды в системе оказывается нефть. Внешне мицеллярные растворы представляют собой однородные прозрачные или полупрозрачные жидкости (размеры мицелл 10^-5 — 10^-6 мм). По реологическим свойствам они относятся к ньютоновским жидкостям. Соли, присутствующие в воде снижают вязкость растворов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4  МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ  ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ

 

     Способы определения поверхностного натяжения делятся на статические и динамические.

     В статических методах поверхностное натяжение определяется у сформировавшейся поверхности, находящейся в равновесии.

     Динамические методы связаны с разрушением поверхностного слоя. В случае измерения поверхностного натяжения растворов (особенно полимеров или ПАВ) следует пользоваться статическими методами. В ряде случаев равновесие на поверхности может наступать в течение нескольких часов (например, в случае концентрированных растворов полимеров с высокой вязкостью). Динамические методы могут быть применены для определения равновесного поверхностного натяжения и динамического поверхностного натяжения.

     Статические методы:

-метод поднятия в капилляре;

-метод Вильгельми;

-метод лежачей капли;

-метод определения по форме висячей капли;

-метод вращающейся капли.

     Динамические методы:

- метод Дю-Нуи (метод отрыва кольца);

- сталагмометрический, или метод счета капель;

- метод максимального давления пузырька;

- метод осциллирующей струи;

- метод стоячих волн;

- метод бегущих волн.

     Полностью стандартизованные методы измерений описываются в соответствующих ASTM, ГОСТ и т. д.

    

     Метод вращающейся капли

     Сущностью метода является измерение диаметра капли жидкости, вращающейся в более тяжелой жидкости. Этот способ измерения годится для измерения низких или сверхнизких значений межфазного натяжения. Он широко применяется для микроэмульсий, измерения эффективности ПАВ в нефтедобыче, а также для определения адсорбционных свойств.

     Метод Дю Нуи (метод отрыва кольца)

     Метод является классическим. Сущность метода вытекает из названия. Платиновое кольцо поднимают из жидкости, смачивающей его, усилие отрыва и есть сила поверхностного натяжения и может быть пересчитано в поверхностную энергию. Метод подходит для измерения ПАВ, трансформаторных масел и т. д.

     Метод бегущих волн

     При возмущении жидкости пластиной «лежащей» на её поверхности, по ней начинает распространяться цуг волн. Если просветить кювету с жидкостью импульсным источником света с частотой равной частоте возмущения, то на экран спроецируется «стоячая» волновая картина. Измеряя длину волны на экране и геометрически перерассчитывая её (зная расстояние от источника света до поверхности жидкости и расстояние от поверхности до экрана, а также про подобие треугольников) можно получить величину поверхностного натяжения по формуле:

                                           ,

где: σ — поверхностное натяжение; ρ — плотность жидкости; λ — длина волны; ν — вынуждающая частота; g— ускорение свободного падения [13].

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

     Таким образом, по данной теме можно сделать следующие выводы:

     1. Поверхностное натяжение - избыток свободной энергии сосредоточенной на одном квадратном сантиметре площади поверхностного слоя на границе раздела двух фаз. Величина поверхностного натяжения на границе раздела несмешивающихся жидкостей определяется избытком свободной поверхностной энергии на границе раздела, поскольку силы взаимодействия между молекулами несмешивающихся жидкостей меньше, чем между молекулами каждой из жидкостей.

     2. С повышением температуры поверхностное натяжение чистой жидкости на границе с паром уменьшается, что связано с ослаблением межмолекулярных сил с ростом температуры.

     3. С увеличением давления поверхностное натяжение жидкости на границе с газом понижается. Это связано с уменьшением свободной поверхностной энергии вследствие сжатия газа и его растворения в жидкости

     4. Вещества, понижающие поверхностное натяжение, называются поверхностно-активными (ПАВ). Такими, по отношению к воде, являются вещества менее полярные, чем вода. Они взаимодействуют с водой слабее, чем молекулы воды между собой, значит, попадая на поверхность, они уменьшают поверхностное натяжение. К ним относятся спирты, жирные, нефтяные, нафтеновые и смоляные кислоты и их соли, амины и множество других веществ

    5. Вещества, повышающие поверхностное натяжение, называются поверхностно-инактивными (ПИВ). По отношению к воде к ним относятся сильные электролиты: соли, щелочи, кислоты. Все эти соединения в воде диссоциируются на ионы, которые взаимодействуют с молекулами воды сильнее, чем молекулы воды сами между собой. Поэтому значительная часть этих ионов увлекается молекулами воды в объем раствора. Однако немногие оставшиеся на поверхности ионы создают вблизи поверхности силовое поле, тем самым повышая поверхностное натяжение.

     6. Вещества которые не способны растворяться в воде, либо растворение которых практически не приводит к изменению поверхностного натяжения называются поверхностно неактивными веществами (ПНВ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. «Физический энциклопедический словарь», М. «Советская энциклопедия», 1984.
2. Амикс Дж. и др. Физика нефтяного пласта. - М.: Гостоптехиздат, 1962.

- 572с.

3. «Физическая энциклопедия» В 5-ти томах. М.: «Советская энциклопедия», 1988.
4. Гафаров Ш.А., Лысенков А.В. Физика пласта: Учебное пособие – Уфа: ООО «Монография»,2008.- 224с.
5. Белов С.В., Витязь П.А и др. пористые проницаемые материалы (справочник). – М.: Металлургия, 1987 – 333с.
6. Варфоломеев Д.Ф., Хамаев В.Х. Химия нефти и газа – Уфа: Изд - во УГНТУ, 1977. – 61с.
7. Гиматудинов Ш.К., Ширковский А.И. Физика нефтяного и газового пласта. – М.: Недра, 1982 – 510с.
8. Гудок И.О. Изучение физических свойств в пористых средах. – М.: Недра, 1970. – 315с.
9. Котяхов Ф.И. Физика нефтяных и газовых коллекторов. – М.: Недра, 1977 – 287с.
10. Гафаров Ш.А., Харин А.Ю., Шамаев Г.А. Физика нефтяного пласта: Учебное пособие – Уфа: Изд – во УГНТУ, 2000. – 86с.
11. Хабибуллин З.А. Измерение физических свойств пород – коллекторов нефти и газа (учебное пособие) – Уфа: Изд – во УГНТУ, 1978. – 98с.

     12. Оркин Г. К., Кучинский П. К. Физика нефтяного пласта. - М.:  

          Гостоптехиздат, 1955. - 299 с.

     13. Интернет - сайты

      14. Курс лекций по дисциплине: «Физика нефтяного пласта»