Молекулярно-поверхностные свойства системы жидкость - пористая среда и их влияние на фильтрацию жидкости

16.11.2020

Удельная поверхность коллекторов нефти и газа нередко достигает десятков тысяч м2. В таких условиях возрастает роль поверхностных явлений на границах раздела нефть — порода, газ — порода, нефть — вода и т. п. В частности, свойства пограничных слоев соприкасающихся фаз и процессов, которые протекают на поверхностях контакта жидкости (нефть, газ, вода) с породой, могут существенно влиять на движение жидкостей по пласту, на вытеснение одной жидкости другой, на степень загрязнения приствольной зоны скважины фильтратом промывочной жидкости.

Важнейшей характеристикой поверхности раздела двух соприкасающихся фаз является поверхностное натяжение жидкости. Поверхностное натяжение жидкости на границе с газом зависит от химического состава жидкости и газа, количества растворенного газа, количества полярных компонентов в соприкасающихся фазах и их природы, от температуры, давления и других факторов. Поверхностное натяжение с ростом температуры уменьшается вследствие ослабления межмолекулярных сил. С увеличением давления поверхностное натяжение жидкости на границе с газом также, как правило, уменьшается вследствие сжатия газа и растворения его в жидкости. Чем выше растворимость газа, тем значительнее уменьшение поверхностного натяжения с ростом давления.

Сложнее характер изменения поверхностного натяжения нефти на границе с водой. Если нефть дегазирована и почти не содержит водорастворимых полярных компонентов, ее поверхностное натяжение на границе с водой практически не зависит от температуры и давления. Если же в нефти содержатся полярные компоненты, растворимые в воде, то с ростом давления и температуры поверхностное натяжение ее на границе с водой может увеличиваться в результате растворения этих компонентов в воде. Эта зависимость еще более усложняется при насыщении нефти углеводородными газами. Так как растворимость газов в нефти больше, чем в воде, с увеличением давления насыщения поверхностное натяжение нефти на границе с газом уменьшается сильнее, чем воды. Поэтому с повышением давления увеличиваются разность поверхностных натяжений нефти и воды на границе с газом и межфазное натяжение между ними.

С повышением температуры уменьшается растворимость газа в нефти. Поэтому поверхностное натяжение нефти, насыщенной газом, на границе с водой с ростом температуры должно уменьшаться. Если же одновременно увеличиваются и температура и давление, изменение поверхностного натяжения нефти на границе с водой может оказаться незначительным.

Непосредственно измерить поверхностное натяжение на границе раздела твердое тело — жидкость трудно. Поэтому взаимодействие жидкости с твердым телом оценивают косвенно, обычно путем измерения краевого угла смачивания. Краевой угол 0 может служить мерой смачивания жидкостью поверхности твердого тела. Поверхность твердого тела смачивается жидкостью тем лучше, чем меньше разность полярностей между телом и жидкостью. Высокополярные жидкости, т. е. обладающие высоким поверхностным натяжением, смачивают твердую поверхность хуже, чем малополярные. Например, ртуть смачивает лишь некоторые металлы, тогда как менее полярная вода смачивает не только металлы, но и многие минералы, а малополярные масла — все твердые тела.

По величине краевого угла смачивания часто судят о качестве вод и их способности отмывать нефтяную пленку с поверхности породы. Чем меньше угол 0, тем лучше смачивающая способность жидкости. Лучше отмывают нефтяную пленку воды, хорошо смачивающие породу.

Величина угла смачивания зависит от многих факторов. Особенно большое влияние на нее оказывают процессы адсорбции, поскольку при адсорбции меняется химическое строение поверхности твердого тела. Если, например, на поверхности тела адсорбировано ПАВ так, что его неполярные углеводородные цепи ориентированы в сторону твердого тела, а полярные радикалы (ОН, СООН, CO, СОН и др.) обращены в сторону жидкости, смачиваемость поверхности водой улучшается. Напротив, если неполярные углеводородные цепи ориентированы в сторону жидкости, смачиваемость водой ухудшается, а нефтью, напротив, улучшается. Например, кварц, известняк и другие минералы, входящие в состав нефтьсодержащих коллекторов, по своей природе гидрофильны, т. е. хорошо смачиваются водой. Тем не менее, сами нефтьсодержащие породы часто весьма плохо смачиваются водой, так как поверхность их (по крайней мере, многие участки ее) гидрофобизована в результате адсорбции жидких углеводородов нефти. Степень гидрофильности такой породы оказывает существенное влияние на количество поступившего в продуктивный пласт фильтрата промывочной жидкости в процессе бурения.

Щелочные воды лучше смачивают поверхность пород-коллекторов, чем дистиллированная или соленая вода. Это объясняется тем, что происходит омыление щелочами воды органических кислот, содержащихся в нефти; мыла же, адсорбируясь на поверхностях раздела нефть — вода и нефть — порода — вода, уменьшают краевой угол смачивания. На величину угла смачивания влияют также давление и температура.

В период вскрытия продуктивного пласта бурением и в период освоения скважины границы раздела фаз не остаются стабильными, они перемещаются: при вскрытии пласта нефть оттесняется от скважины водным фильтратом промывочной жидкости; при освоении, напротив, фильтрат вытесняется пластовой нефтью. При таком изменении направления движения границы раздела фаз меняется краевой угол смачивания. Изменение угла смачивания при передвижении по твердой поверхности трехфазного периметра смачивания называют кинематическим гистерезисом.
Молекулярно-поверхностные свойства системы жидкость - пористая среда и их влияние на фильтрацию жидкости

Краевой угол смачивания 01, образующийся при вытеснении нефти водой, обычно называют наступающим; угол же 02, образующийся при вытеснении воды нефтью, — отступающим (рис. 6). Между статическим углом смачивания 0 и этими углами почти всегда соблюдается соотношение: 01>0>02. Величина кинематического гистерезиса смачивания зависит от скорости перемещения трехфазной границы раздела по поверхности твердой фазы, от шероховатости поверхности и адсорбции на ней ПАВ. При большой скорости вытеснения нефти водой из пористой среды наступающий угол вследствие гистерезисных явлений может стать больше 90°, даже если в статических условиях поверхность поровых каналов гидрофильна. В пластовых условиях гистерезис смачивания осложняется наличием в порах коллектора остаточной воды, которая, вероятно, способствует улучшению смачивания поверхности этих пор водным фильтратом промывочной жидкости.

Свойства жидкости в тонком слое-пленке, покрывающем поверхность твердого тела, существенно отличаются от свойств той же жидкости, налитой толстым слоем. Жидкость в тонком слое толщиной порядка 10в-5 см обладает повышенными плотностью, упругостью при сдвиге, большей вязкостью. Молекулы жидкости в таком слое на поверхности твердого тела поляризованы, ориентированы от поверхности тела в сторону жидкости. Полимолекулярный слой ориентированно расположенных молекул носит название сольватного. Сольватные слои в порах нефтяного коллектора состоят из поверхностно-активных и других компонентов нефти, а в приствольной зоне, загрязненной фильтратом промывочной жидкости, могут включать также ПАВ, содержащиеся в фильтрате. ПАВ концентрируются не только на поверхности раздела фаз, но и внутри слоя поблизости от поверхности раздела.

Адсорбционные и связанные с ними сольватные оболочки образуются не только на поверхности раздела твердое тело — жидкость, но на всех вообще разделах фаз, в том числе на границе раздела нефть — вода. В состав поверхностных слоев на границе нефть — вода входят нафтеновые кислоты, низкомолекулярные смолы, коллоидные частицы высокомолекулярных смол и асфальтенов, микрокристаллы парафина, а также частицы минеральных и углеродистых суспензий. Поверхностный слой на этой границе образуется, видимо, в результате скопления минеральных и углеродистых частиц, а также микрокристаллов парафина под влиянием избирательного смачивания водой гидрофильных участков их поверхности. Адсорбирующиеся на этой же границе асфальто-смолистые вещества, переходя в гелеобразное состояние, цементируют частицы парафина и минеральные частицы в единый монолитный слой. Поверхностный слой может утолщаться также благодаря сольватации гелей асфальто-смолистых веществ нефтяной фазой.

Аномальные структурно-механические свойства поверхностных слоев обусловливают, в частности, высокую устойчивость некоторых водонефтяных эмульсий. Возможно также, что адсорбционные слои на поверхности раздела остаточная вода — нефть в ряде случаев могут несколько тормозить продвижение фильтрата промывочной жидкости в нефтяной пласт и смешивание водного фильтрата с остаточной водой.

Микронеоднородности пористой среды и наличие в ней нескольких фаз (нефть + газ + вода + твердая поверхность среды) могут оказывать заметное влияние на -характер течения и величину гидравлических сопротивлений, возникающих при ламинарной фильтрации жидкости.

Предположим, что в цилиндрическом капилляре, смоченном водой, столбик нефти оказался между столбиками воды (рис. 7). Под действием капиллярных сил столбик нефти стремится принять сферическую форму. Капиллярное давление, создаваемое каждым из менисков,

где а — поверхностное натяжение на разделе нефть — вода;

rм — радиус мениска.

Если теперь приложить внешнее давление и заставить жидкости перемещаться по капилляру, форма менисков изменится (см. пунктир на рис. 7), а капиллярные давления, создаваемые левым и правым менисками, будут равны соответственно:

Разность этих давлений

представляет дополнительное сопротивление движению. Такое сопротивление возникает всегда при движении пузырьков газа и несмешивающихся жидкостей в капиллярных каналах. Если учесть, что

где r — радиус капилляра.

Рассмотренное явление впервые исследовано Жаменом и названо его именем.

В продуктивном коллекторе поровые капилляры имеют по длине переменное сечение. При переходе глобул нефти и воды из расширенной части капилляра в суженную они деформируются; вследствие неравенства радиусов образующихся при этом менисков возникает дополнительное сопротивление движению

где rм', rм'' — соответственно радиусы менисков глобул в суженной и расширенной частях порового канала.

Поскольку в пористой среде приствольной зоны пласта количество образующихся глобул велико, возникающее вследствие эффекта Жамена дополнительное сопротивление движению может быть весьма большим. Возможно, что влияние этого эффекта в реальном коллекторе значительно ослабляется благодаря сжимаемости газовых пузырьков и пластовой жидкости, упругости пород, а также наличию крупных каналов и трещин, в которых проявление капиллярных сил ослаблено.

На характер движения жидкостей и газов в пористой среде могут оказывать влияние также поверхностные явления на границе твердое тело — жидкость. Например, если на поверхности поровых каналов адсорбируются ПАВ, то образуются адсорбционно-сольватные слои, которые практически не участвуют в процессе движения и уменьшают эффективное сечение пор, а следовательно, проницаемость породы.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна