Капиллярные явления. 3

Содержание

Введение_________________________________________________________2

1. Капиллярные явления______________________________________________3
2. Роль капиллярных процессов при вытеснении нефти водой из пористых

сред _____________________________________________________________7

3. Использование теории капиллярных явлений для установления

зависимости нефтеотдачи от различных факторов______________________10

4. Зависимость нефтеотдачи от скорости вытеснения нефти водой__________12
5. Структурные  модели пористых материалов                   
1. Структура пористых сред__________________________________14
2. Макро- и микронеоднородности пористых сред_______________17
3. Капиллярные модели пористых сред ________________________20
4. Решеточные капилляры пористых сред_______________________22

Список литературы_________________________________________________28

Введение

    Капиллярность (от лат. capillaris — волосяной), капиллярный эффект — физическое явление, заключающееся в способности жидкостей изменять уровень в трубках, узких каналах произвольной формы, пористых телах. Поднятие жидкости происходит в случаях смачивания каналов жидкостями, например воды в стеклянных трубках, песке, грунте и т. п. Понижение жидкости происходит в трубках и каналах, не смачиваемых жидкостью, например ртуть в стеклянной трубке.

   Благодаря капиллярности возможны жизнедеятельность животных и растений, различные химические процессы, бытовые явления (например, подъём керосина по фитилю в керосиновой лампе, вытирание рук полотенцем). Капиллярность почвы определяется скоростью, с которой вода поднимается в почве и зависит от размера промежутков между почвенными частицами.

    Капиллярами называются тонкие трубки, а также самые тонкие сосуды в организме человека и других животных

    Капиллярный эффект используется в неразрушающем контроле (капиллярный контроль или контроль проникающими веществами) для выявления дефектов, имеющих выход на поверхность контролируемого изделия. Позволяет выявлять трещины с раскрытием от 1 мкм, которые не видны невооруженным глазом.

1. Капиллярные явления

    Капиллярные явления - поверхностные явления на границе жидкости с др. средой, связанные с искривлением ее поверхности. Искривление поверхности жидкости на границе с газовой фазой происходит в результате действия поверхностного натяжения жидкости, которое стремится сократить поверхность раздела и придать ограниченному объему жидкости форму шара. Поскольку шар обладает минимальной поверхностью при данном объеме, такая форма отвечает минимуму поверхностной энергии жидкости, т.е. ее устойчивому равновесному состоянию. В случае достаточно больших масс жидкости действие поверхностного натяжения компенсируется силой тяжести, поэтому маловязкая жидкость быстро принимает форму сосуда, в который она налита, а ее своб. поверхность представляется практически плоской. 
    В отсутствие силы тяжести или в случае очень малых масс жидкость всегда принимает сферическую форму (капля), кривизна поверхности которой определяет мн. свойства вещества. Поэтому капиллярные явления ярко выражены и играют существенную роль в условиях невесомости, при дроблении жидкости в газовой среде (или распылении газа в жидкости) и образовании систем, состоящих из многих капель или пузырьков (эмульсий, аэрозолей, пен), при зарождении новой фазы капель жидкости при конденсации паров. пузырьков пара при вскипании, зародышей кристаллизации. При контакте жидкости с конденсированными телами (другой жидкостью или твердым телом) искривление поверхности раздела происходит в результате действия межфазного натяжения. 

    В случае смачивания, например, при соприкосновении жидкости с твердой стенкой сосуда, силы притяжения, действующие между молекулами твердого тела и жидкости, заставляют ее подниматься по стенке сосуда, вследствие чего примыкающий к стенке участок поверхности жидкости принимает вогнутую форму. В узких каналах, например, цилиндрических капиллярах, образуется вогнутый мениск - полностью искривленная поверхность жидкости (рис. 1).

Рис. 1. Капиллярное поднятие на высоту h жидкости, смачивающей стенки капилляра радиуса r; q - краевой угол смачивания.

      Капиллярное давление. Так как силы поверхностного (межфазного) натяжения направлены по касательной к поверхности жидкости, искривление последней ведет к появлению составляющей, направленной внутрь объема жидкости. В результате возникает капиллярное давление, величина которого Dp связана со средним радиусом кривизны поверхности r₀ уравнением Лапласа:

Dp = p₁ - p₂ = 2s₁₂/r₀,                                                                                                        (1)

где p₁ и p₂ - давления в жидкости 1 и соседней фазе 2 (газе или жидкости), s₁₂ - поверхностное (межфазное) натяжение. 

     Если поверхность жидкости вогнута (r₀<0), давление в ней оказывается пониженным по сравнению с давлением в соседней фазе p₁ < р₂ и Dp < 0. Для выпуклых поверхностей (r₀ > 0) знак Dp изменяется на обратный. Отрицательное капиллярное давление, возникающее в случае смачивания жидкостью стенок капилляра, приводит к тому, что жидкость будет всасываться в капилляр до тех пор, пока вес столба жидкости высотой h не уравновесит перепад давления Dp. В состоянии равновесия высота капиллярного поднятия определяется формулой Жюрена:

                                                                               (2)

где r₁ и r₂ - плотности жидкости 1 и среды 2, g - ускорение силы тяжести, r - радиус капилляра, q - краевой угол смачивания. Для несмачивающих стенки капилляра жидкостей cos q < 0, что приводит к опусканию жидкости в капилляре ниже уровня плоской поверхности (h < 0). 

     Из выражения (2) следует определение капиллярной постоянной жидкости а = [2s₁₂/(r₁ — r₂)g]^1/2. Она имеет размерность длины и характеризует линейный размер Z [ а, при котором становятся существенными капиллярные явления Так, для воды при 20 °С а = 0,38 см. При слабой гравитации (g : 0) значение а возрастает. На участке контакта частиц капиллярная конденсация приводит к стягиванию частиц под действием пониженного давления Dp < 0.

    Уравнение Кельвина. Искривление поверхности жидкости приводит к изменению над ней равновесного давления пара р по сравнению с давлением насыщенного пара p_s над плоской поверхностью при той же температуре Т. Эти изменения описываются уравнением Кельвина:

                                                                                                      (3)

где   - молярный объем жидкости, R - газовая постоянная. Понижение или повышение давления пара зависит от знака кривизны поверхности: над выпуклыми поверхностями (r₀ > 0) p > p_s; над вогнутыми (r₀ < 0) р < р_s. . Так, над каплями давление пара повышено; в пузырьках, наоборот, понижено. 

     На основании уравнения Кельвина рассчитывают заполнение капилляров или пористых тел при капиллярной конденсации. Так как значения р различны для частиц разных размеров или для участков поверхности, имеющей впадины и выступы, уравнение (3) определяет и направление переноса вещества в процессе перехода системы к состоянию равновесия. Это приводит, в частности, к тому, что относительно крупные капли или частицы растут за счет испарения (растворения) более мелких, а неровности поверхности некристаллические тела сглаживаются за счет растворения выступов и залечивания впадин. Заметные различия давления пара и растворимости имеют место лишь при достаточно малых r₀ (для воды, например, при r₀ [ 0,1 мкм). Поэтому уравнение Кельвина часто используется для характеристики состояния коллоидных систем и пористых тел и процессов в них.

Рис. 2. Перемещение жидкости на длину l в капилляре радиуса r; q - краевой угол.

    Капиллярная пропитка. Понижение давления под вогнутыми менисками - одна из причин капиллярного перемещения жидкости в сторону менисков с меньшим радиусом кривизны. Частным случаем этого является пропитка пористых тел - самопроизвольное всасывание жидкостей в лиофильные поры и капилляры (рис. 2). Скорость vперемещения мениска в горизонтально расположенном капилляре (или в очень тонком вертикальном капилляре, когда влияние силы тяжести мало) определяется ур-нием Пуазёйля: 

                                                                                                                            (4)

где l - длина участка впитавшейся жидкости, h - ее вязкость, Dp - перепад давления на участке l, равный капиллярному давлению мениска: Dp = — 2s₁₂cos q/r. Если краевой угол q не зависит от скорости v, можно рассчитать количество впитавшейся жидкости за время t из соотношения:

l(t) = (rts₁₂cos q/2h)^l/2                                                                                                              (5)

Если q есть функция v, то l и v связаны более сложными зависимостями. 

     Уравнения (4) и (5) используют для расчетов скорости пропитки при обработке древесины антисептиками, крашении тканей, нанесении катализаторов на пористые носители, выщелачивании и диффузионном извлечении ценных компонентов горных пород и др. Для ускорения пропитки часто используют ПАВ, улучшающие смачивание за счет уменьшения краевого угла q. Один из вариантов капиллярной пропитки - вытеснение из пористой среды однойжидкости другой, не смешивающейся с первой и лучше смачивающей поверхность пор. На этом основаны, например, методы извлечения остаточной нефти из пластов водными растворами ПАВ, методы ртутной порометрии. Капиллярное впитывание в поры растворов и вытеснение из пор несмешивающихся жидкостей, сопровождающиеся адсорбцией и диффузией компонентов, рассматриваются физико-химической гидродинамикой. 

    Помимо описанных равновесных состояний жидкости и ее движения в порах и капиллярах, к капиллярные явления относят также равновесные состояния очень малых объемов жидкости, в частности тонких слоев и пленок. Эти капиллярные явления часто называют капиллярные явления II рода. Для них характерны, например, зависимостьповерхностного натяжения жидкости от радиуса капель и линейное натяжение. Капиллярные явления впервые исследованы Леонардо да Винчи (1561), Б. Паскалем (17 в.) и Дж. Жюреном (18 в.) в опытах с капиллярными трубками. Теория капиллярных явлений развита в работах П. Лапласа (1806), Т. Юнга (1804), А. Ю. Давыдова (1851), Дж. У. Гиббса (1876), И. С. Громеки (1879, 1886). Начало развития теории капиллярных явлений II рода положено трудами Б. В. Дерягина и Л. М. Щербакова.

2.Роль  капиллярных процессов при вытеснении  нефти водой из пористых сред

    Поровое пространство нефтесодержащих пород представляет собой огромное                   скопление капиллярных каналов, в которых движутся несмешивающиеся жидкости, образующие мениски на разделах фаз. Поэтому капиллярные силы влияют на процессы вытеснения нефти.

Как мы уже видели, позади водо-нефтяного контакта мениски создают многочисленные эффекты Жамена и препятствуют вытеснению нефти. Если среда гидрофильна, в области водонефтяного контакта давление, развиваемое менисками, способствует возникновению процессов капиллярного пропитывания и перераспределения жидкостей. Это связано с неоднородностью пор по размерам.

Капиллярное давление, развиваемое в каналах небольшого сечения, больше, чем в крупных  порах. В результате этого на водонефтяном контакте возникают процессы противоточной капиллярной пропитки — вода по мелким порам проникает в нефтяную часть пласта,

по крупным  порам нефть вытесняется в  водоносную часть. Интенсивность этого  процесса зависит от свойств пластовой  системы, а также от соотношения  внешних и капиллярных сил. Когда  внешние силы велики (т. е. когда перепад давления в пласте, под действием которого нефть вытесняется водой, достаточно высокий), фронт может передвигаться настолько быстро, что вследствие гистерезисных явлений в гидрофильном в статических условиях пласте, наступающие углы смачивания становятся близкими или больше 90°. При этом процессы капиллярного впитывания на фронте вытеснения затухают или исчезают совсем.    Однако в большинстве случаев (при закачке поверхностных пресных вод в пласт) эти процессы на фронте вытеснения нефти водой проявляются в той или иной степени, так как

реальные скорости продвижения водо-нефтяного контакта редко превышают 1—2 м в сутки.

     Кроме  упомянутых форм проявления, капиллярные  силы влияют на процессы диспергирования  и коалесценции нефти и воды  в пористой среде, на строение тонких слоев воды (подкладок) между твердым телом и углеводородной жидкостью и т. д. Следует отметить, что интенсивность проявления упомянутых капиллярных процессов

зависит в той  или иной степени от величины капиллярного давления, развиваемого менисками на границах раздела. И поэтому необходимо прежде всего установить, какие воды лучше вытесняют нефть из пласта: развивающие высокое капиллярное давление на границе с нефтью в пористой среде или слабое. Иначе говоря, необходимо

решить, какие воды следует выбирать для заводнения залежей: интенсивно впитывающиеся в нефтяную часть залежи под действием капиллярных сил или слабо проникающие в пласт.      Целесообразность такой постановки вопроса вытекает также из уже упоминавшегося предположения, что различную нефтеотдачу одной и той же пористой среды при вытеснении нефти водами различного состава получают вследствие неодинакового характера течения и интенсивности капиллярных процессов в зонах водо-нефтяного контакта и вымывания

нефти водой. Действительно, изменяя качества нагнетаемых в залежь вод, мы воздействуем на величину их поверхностного натяжения на границе с нефтью, смачивающие характеристики, а также вязкостные свойства. Это означает, что как бы ни менялись упомянутые свойства воды, мы воздействуем при этом прежде всего на комплексный параметр — капиллярные свойства пластовой системы (на величину и знак капиллярных давлений рк = 2а cos 0/r, развиваемых менисками в пористой среде, на направление течения процессов капиллярной пропитки и интенсивность капиллярного перераспределения жидкостей в пористой среде под действием капиллярных сил).

    Рассмотрим  далее представления различных  исследователей о механизме проявления  и роли капиллярных процессов  при вытеснении нефти водой  из пористых сред. В гидрофобных пластах, где мениски в каналах противодействуют вытеснению нефти водой, капиллярные силы вредны, так как нефтеотдача пластов под их влиянием уменьшается. Поэтому лучший

результат можно  получить, если нефть вытесняется  водой с низкими значениями межфазного натяжения при повышенных градиентах давлений. Значительно труднее определить роль капиллярных сил и механизм их проявления в гидрофильных породах (опыты по капиллярному пропитыванию водой естественных кернов, заполненных нефтью,

показывают, что большинство природных коллекторов нефти в той или иной степени избирательно лучше смачивается водой). Различные исследователи пришли к выводу, что роль капиллярных процессов на водо-нефтяном контакте в зависимости от геометрии потока и строения пород проявляется по-разному. Из результатов опытов многих исследователей, проводивших эксперименты с гидрофильными средами, следует, что капиллярныесилы в определенных условиях могут благоприятствовать вытеснению нефти водой из пластов. В лабораторных условиях, например, определили, что если ≪пласт≫ сложен однородными пропластками различной проницаемости, то капиллярные процессы пропитывания способствуют увеличению нефтеотдачи пластов в безводный период. Фронт воды быстрее продвигается по более проницаемому пласту 2. При этом вода под действием капиллярных сил и вертикального градиента давлений проникает в малопроницаемый пласт, вытесняя часть нефти из него, что способствует увеличению нефтеотдачи пласта по крайней мере в безводный период. Многочисленные лабораторные и промысловые наблюдения подтверждают возможность использования эффекта впитывания воды в нефтенасыщенные блоки для существенного увеличения извлекаемых запасов нефти из трещиновато-пористых коллекторов. Внешниегидродинамические силы в трещиновато-пористой среде с небольшой проницаемостью нефтенасыщенных блоков способствуют быстрому прорыву вод по трещинам в эксплуатационные скважины. Применение в этом случае вод с высокой способностью впитывания в нефтенасыщенную породу блоков в сочетании с медленной скоростью продвижения вод способствует увеличению нефтеотдачи трещиноватого коллектора под действием капиллярных сил. По результатам лабораторных исследований впитывающаяся в породу вода способна вытеснять до 50% нефти из блоков естественного известняка диаметром 6—7 см за 25—30 дней. С увеличением объема образцов темп и эффективность извлечения нефти значительно уменьшаются.

    Многие  исследователи считают, что во  всех случаях воды с высокими  значениями

величин a cos Э, т. е. развивающие повышенные капиллярные давления в пористой среде, более предпочтительны для заводнения нефтяных залежей. Но вывод о благоприятном влиянии капиллярных процессов перераспределения жидкостей в зоне контакта нефти и воды на величину нефтеотдачи неоднородного пласта, в котором трещиноватость пород развита слабо, не подтверждается практическими данными эксплу-атации ряда нефтяных месторождений, приуроченных к зерни-стым коллекторам. Известно, что валежи, содержащие щелочные воды с низким поверхностным натяжением на границе с нефтью

(т. е. когда  капиллярное пропитывание и перераспределение  в значительной степени ослаблены), характеризуются особо высокими  коэффициентами нефтеотдачи. По  большому числу фактических данных  результаты опытов, полученные на  однородных пористых средах,

двух- и многослойных моделях пластов, состоящих из однородных пропластков различной проницаемости, нельзя полностью переносить на природные пласты.

    Естественные  отложения, по-видимому, обладают  дополнительными специфическими  особенностями, значительно изменяющими характер проявления капиллярных сил. Одной из таких особенностей естественных пластов может быть сложный характер неоднородности

физических  свойств пород. В этих условиях и  закономерности проявления капиллярных  сил должны быть более сложными. Представление о благоприятной роли процессов капиллярного проникновения воды в нефтяную часть пласта возникло, по-видимому,

из-за упрощенного  моделирования неоднородных пластов.

     Естественные  коллекторы нефти обладают неоднородностью  физических свойств пород одновременно по площади залегания и по вертикали. В результате местной неоднородности пород возникает неровный (≪рваный≫) водо-нефтяной контакт и появляются в различные моменты времени зоны и небольшие участки, обойденные фронтом воды. В этих условиях в пограничных областях охваченных водой участков интенсивно образуются водо-нефтяные смеси вследствие капиллярного проникновения в них воды. Нефтеотдача участков, заводняющихся под действием капиллярных сил, как правило, низка, так как нефть при этом не вытесняется из пористой среды сплошным фронтом вследствие неоднородности размера пор и сравнительно небольшого давления, развиваемого менисками в средних и крупных капиллярах, по сравнению с давлением мениска в мелких порах. Поэтому нефтенасыщенные участки, прилегающие к водонефтяному контакту, вначале пронизываются водой, проникающей в пласт по мелким и средним породам под действием капиллярных сил, что способствует быстрому формированию в этой зоне водонефтяной смеси с потерей сплошности нефтяной фазы. В результате, как показывают данные опытов, из нефтенасыщенных образцов при погружении их в воду вытесняется не более 30—

40% (редко 50% и  больше) нефти, даже если время  пребывания их в воде длительное. Образующиеся же при этом смеси  затрудняют последующее вытеснение нефти из зон пласта, охваченных водой. Следовательно, капиллярные процессы пропитывания водой в пластах, обладающих неоднородностью по площади и по вертикали,способствуют уменьшению нефтеотдачи, значительно ухудшая условия вытеснения нефти водой. Резюмируя сказанное о роли капиллярных сил в зоне совместного движения воды и нефти, необходимо отметить, что задача — следует ли увеличивать или уменьшать величину капиллярных сил так же, как и многие другие задачи физики вытеснения, не имеет

однозначного ответа. В условиях зернистых неоднородных коллекторов, как мы видели, процессы перераспределения нефти и воды под действием капиллярных сил могут способствовать преждевременным нарушениям сплошности нефти в нефтеподводящих системах капилляров в зоне совместного движения нефти и воды, помогая формированию водо-нефтяных смесей в поровом пространстве, что сопровождается значительным уменьшением нефтеотдачи. В трещиноватых коллекторах нефтеотдача блоков повышается при нагнетании в залежь воды, способной интенсивно впитываться в породу под

влиянием капиллярных  сил.

3. Использование теории капиллярных явлений для установления зависимости нефтеотдачи от различных факторов

     Нефтеотдача пластов зависит от многочисленных свойств пород, пластовых жидкостей и условий вытеснения. Влияние всех этих факторов на нефтеотдачу можно установить различными методами. Например, можно систематически анализировать большой экспериментальный материал, накопившийся при изучении физики и физико-химии вытеснения нефти из пористых сред. Однако такой метод связан с очень большими трудностями, возникающими при сравнении результатов экспериментов различных авторов, вследствие несопоставимости условий, в которых исследователи проводили опыты,

и вследствие противоречивости их результатов. Зависимости нефтеотдачи от различных факторов можно установить, если отыскать в механизме вытеснения процессы, влияющие

в большой степени  на нефтеотдачу пластов и связанные  одновременно со всеми или с большинством из упомянутых факторов, также влияющих на нефтеотдачу. Эта мысль впервые была высказана Г. А. Бабаляном. По результатам его исследований на нефтеотдачу существенно влияют некоторые элементы кинетики вытеснения — механизм разрушения аномального слоя нефти на поверхности породы, диспергирование и коалесценция нефти в поровом пространстве, процессы отрыва и прилипания нефти к твердой поверхности породы. С другой стороны, интенсивность и закономерности течения этих процессов

тесно связаны  со свойствами пористых сред и пластовых  жидкостей, что позволяет установить зависимость нефтеотдачи от многочисленных свойств пластовых систем. Для этого необходимо лишь определить влияние каждого из них на процессы диспергирования, коалесценции капель жидкости и разрушения аномального слоя нефти на твердой поверхности породы. Метод Г. А. Бабаляна, однако, имеет свои трудности в связи с чрезвычайно сложной картиной течения процессов диспергирования, коалесценции капель жидкости и разрушения аномального слоя нефти на поверхности породы. Трудно также увязать неоднородность коллекторских свойств пород с течением этих процессов. Поэтому идея Г. А. Балаляна получила другое направление развития. В предыдущем разделе было показано, что на процесс формирования результатов вытеснения нефти водой (и на нефтеотдачу) значительно влияют капиллярные силы, процессы перераспределения нефти

и воды в пористой среде и формирование водо-нефтяных смесей. Капиллярные процессы, таким  образом, являются важным элементом  механизма вытеснения нефти водой  из пласта.

    Вместе с тем известно, что интенсивность и направление действия капиллярных сил зависят так или иначе от всего многообразия свойств пластовых систем и от гидродинамических условий вытеснения. Знак и величина капиллярных сил представляют как бы суммарный результат физических свойств и физико-химических характеристик пласта, горных пород и пластовых жидкостей. Это обстоятельство позволяет наметить единую качественную связь между большинством параметров пластовых систем, условиями вытеснения и нефтеотдачей

пласта, так  как характер влияния большинства этих параметров на интенсивность и направление действия капиллярных процессов известен (или может быть установлен из большого экспериментального материала, накопившегося в области физики и физико-хи-

мии вытеснения нефти из пористых сред). Для этого необходимо прежде всего установить, как анализируемое свойство пласта, жидкостей или всей системы влияет на интенсивность и направление действия капиллярных сил. Если, например, процессы капиллярного пропитывания и перераспределения жидкостей на водонефтяном контакте отрицательно влияют на нефтеотдачу пластов, то лучший результат можно получить при вытеснении нефти водами, развивающими на контакте с нефтью низкое капиллярное давление, т. е. водами, обладающими значением a cos 9 (натяжение смачивания), приближающимся к нулю. Следовательно, если это предположение справедливо, то лучшая нефтеотдача может быть достигнута при вытеснении нефти из гидрофильных пород водами с низкими значениями поверхностного натяжения и т. д. Поэтому изучение процессов вытеснения нефти водой совместно с капиллярными процессами и капиллярными характеристиками пластовой системы — один из путей, позволяющий увязать и одновременно учесть влияние на нефтеотдачу как условий вытеснения, так и большей части физических и физико-химических свойств пластовых жидкостей и пород. Следует, однако, отметить, что заметная роль капиллярных процессов не означает того, что можно тем или иным ходом их течения объяснить все многообразие явлений, происходящих в пористой среде при вытеснении нефти водой. Для этого необходимо использовать обширный опыт, накопленный в области физики и физико-химии многофазного потока. Процессы капиллярного впитывания и перераспределения жидкостей в поровом пространстве следует рассматривать лишь как суммарное следствие многочисленных свойств пластовой системы. Изучение этих процессов позволяет объединить в связанную систему все факторы, одновременно влияющие на нефтеотдачу и на интенсивность проявления капиллярных сил.

4. Зависимость нефтеотдачи от скорости вытеснения нефти водой

     Анализ  результатов большого числа исследований, посвященных этой проблеме, позволяет  сделать вывод о наличии связи  между капиллярными свойствами  пластовой системы и характером  зависимости нефтеотдачи от скорости  вытеснения нефти водой. Во  всех случаях, когда пласт гидрофобен и капиллярные силы противодействуют вытеснению нефти из пористой среды водой, нефтеотдача возрастает с увеличением скорости продвижения водонефтяного контакта (т. е. увеличивается с ростом градиентов давления). Когда капиллярные силы ослаблены (вследствие низких значений поверхностного натяжения, большой проницаемости пород — 20—100 м к м 2 и т. д.), скорость вытеснения нефти водой не влияет на величину нефтеотдачи.

   Рассмотрены результаты опытов, скорость вытеснения нефти в которых была по величине сравнимой с естественными скоростями продвижения водонефтяных контактов (до 2—3 м/сутки). Аналогичный результат получен исследователями, опыты которых проводились в условиях активного проявления капиллярных сил (например, при вытеснении неполярных углеводородных жидкостей с малой вязкостью хорошо смачивающей породу водой). В таком случае процессы пропитки водой пород пласта идут приблизительно одинаково при различных (в пределах, встречающихся на практике) скоростях вытеснения и поэтому нефтеотдача модели пласта не изменяется от скорости вытеснения неполярной жидкости водой. В моделях пластовых систем, в которых капиллярные процессы впитывания и перераспределения жидкостей в порах пласта и пере-

токов из одного пропластка в другой под влиянием капиллярных сил способствуют повышению эффективности вытеснения нефти водой, нефтеотдача с увеличением скорости продвижения водо-нефтяного контакта уменьшается в связи с соответствующим сокращением благоприятного проявления капиллярных сил. Такой вывод получен в опытах с моделями трещиноватых коллекторов и слоистых пластов, сложенных однородными пропластками различной проницаемости. Для моделей неоднородных пористых сред, строение которых характеризуется изменением физических свойств по вертикали и по плоскости напластования, в зависимости от начальных физико-химических характеристик пластовой системы возникают различные по виду зависимости нефтеотдачи неоднородной среды от скорости  вытеснения. Например, при вытеснении нефти собственной пласто-

вой водой, обладающей нейтральной смачиваемостью, оказалось, что нефтеотдача слабо зависит  от скорости вытеснения. Из модели неоднородной пористой среды нефть лучше вытесняется  с увеличением скорости продвижения  водо-нефтяного контакта, если замедление процесса сопровождается активизацией капиллярных сил. Такие условия возникают при использовании щелочных, пресных вод при контакте их в пористой среде с малополярными нефтями (типа татарских и башкирских нефтей). Возможность возникновения различных видов зависимости нефтеотдачи от скорости продвижения водо-нефтяного контакта и в условиях реальных коллекторов подтверждается промысловой практикой. Например, анализ результатов эксплуатации уже выработанных месторождений Самарской Луки, проведенный Б. Ф. Сазоновым, В. И. Колгановым и А. Л. Капишниковым, показал отсутствие влияния на нефтеотдачу темпа отбора жидкости (при изменении скорости вытеснения от 2 до 20 м/год). Нефть из этих залежей вытеснялась высокоминерализованной водой с нейтральными смачивающими свойствами, т. е. процесс ее вытеснения протекал в этих залежах при слабой активности капиллярных сил.

Однако следует учитывать, что упомянутый вывод получен  в условиях залежей с относительно однородным строением пород при  значительной их проницаемости (0,5—1 м к м 2). На практике часто встречаются залежи нефти, чрезвычайно разнообразные по степени неоднородности пород и строению пластов. В этом случае на зависимость нефтеотдачи от депрессии давления (от скорости вытеснения) оказывают влияние, кроме физико-химических свойств пластовой системы, многие другие факторы. Например, известны факты включения в работу в ряде случаев дополнительных пропластков с увеличением депрессии, которые раньше (при меньших перепадах давления) не участвовали в притоке нефти. С возрастанием депрессии перераспределяются давления в пласте при соответствующих изменениях геометрии потока, охватывающего дополнительные участки пласта, ранее мало отдававших нефть. Существуют и другие факторы, влияющие на результаты вытеснения нефти водой из естественных пластов и на зависимость нефтеотдачи от величины депрессии. Поэтому в реальных условиях возможны их различные виды независимо от физико-химических свойств пласта. По результатам наблюдений многих исследователей повышение градиентов давлений в пласте оказывает благоприятное влияние на нефтеотдачу залежей нефти, приуроченных к неоднородным коллекторам

5. Структурные  модели пористых материалов
1. Структура пористых сред

    Общие представления о пористых материалах. Структура пористых материалов чрезвычайно разнообразна. Существует интуитивное представление о том, что в пористых телах помимо твердой фазы имеется система пустот. Твердую фазу называют скелетом или каркасом пористого тела, а систему пустот — пространством пор. Объем пустот, отнесенный к единице объема или массы тела, называют пористостью. Поверхность пустот называют внутренней поверхностью, а ее величину, отнесенную к единице объема или массы тела, — удельной поверхностью.

Такое представление  о пористой среде весьма наглядно, но оно теряет смысл, когда размер пустот соизмерим с размером молекул. Примером таких материалов служат цеолиты, синтетические и природные алюмосиликаты, различные полимерные мембраны. В этом случае материалы причисляют к пористым не столько по геометрическим свойствам структуры, сколько по их физическим свойствам, а именно по способности поглощать и удерживать в макроскопических количествах различные вещества. Количество удерживаемого в равновесных условиях вещества пропорционально не внешней поверхности пористого материала, а его объему. При этом с внутренней поверхностью и пористостью можно связать измеряемые физические величины.