Молекулярно-поверхностные свойства системы нефть-газ-вода-порода

Нефтегазосодержащие горные породы имеют огромную удельную поверхность, которая контактирует в пласте с нефтью, газом и водой.

В порах и трещинах горной породы также находятся в контакте не смешивающиеся друг с другом жидкости - вода и нефть.

Суммарная поверхность их раздела также большая. Исходя из этого, на многие процессы разработки нефтяных и газовых залежей значительное влияние оказывают поверхностные явления, происходящие в пласте на границе разделов твердой поверхности породы с жидкостями и газами самих несмешивающихся жидкостей.

Молекулярно-поверхностные свойства раздела фаз пластовых систем (нефть - газ - вода) изучают по величине поверхностного натяжения жидкостей на границах с жидкостями (нефть, вода) и газом, по избирательной смачиваемости системы, по величине работы адгезии и теплот смачивания горных пород пластовыми жидкостями.

В жидкости между молекулами присутствуют силы взаимного сцепления, которые находятся в равновесном состоянии (рис. 6) и свободно могут передвигаться в любом направлении.

Силы, действующие на молекулы, находятся в поверхностном слое (АВ) или на поверхности раздела двух несмешивающихся жидкостей и вдоль поверхности раздела.

Молекулы, которые находятся на поверхности раздела двух фаз, обладают избытком энергии по сравнению с энергией молекул, находящихся во внутренних слоях жидкости.

При этом поверхностный слой жидкости оказывает большое давление, называемое молекулярным давлением. Для воды оно доходит до 1000 МПа.

Давление поверхностного слоя вызывает появление сил реакции, которые противодействуют молекулярному давлению и называются силами поверхностного натяжения. Поверхностное

Рис. 6. Схема возникновения молекулярного давления: 1 - молекула; 2 - область молекулярного притяжения

натяжение можно охарактеризовать как работу, необходимую для образования единицы новой поверхности:

(26)

где R - работа, Дж; 5 - вновь образованная поверхность, м; о представляет собой свободную энергию поверхности, равной 1 м.

В нефтяном пласте поверхностное натяжение может быть на границах таких фаз: нефть-вода, нефть-газ, нефть-порода, вода-газ, вода-порода, газ-порода.

Поверхностное натяжение всегда изменяется на границе раздела двух фаз. Поверхностное натяжение разных фаз на границе их раздела неодинаковое за счет различного содержания полярных компонентов.

В таблице 5 показаны значения поверхностного натяжения некоторых жидкостей на границе с воздухом и водой при температуре 20° С.

Таблица 5

Поверхностное натяжение на границе двух фаз зависит от температуры и давления. Поверхностное натяжение жидкости на границе с воздухом уменьшается с повышением температуры. Поверхностное натяжение жидкости при критической температуре становится равным нулю, и вся жидкость превращается в газ. Поверхностное натяжение жидкости уменьшается с повышением давления.

Поверхностное натяжение жидкостей на границе с газом понижается с повышением температуры и давления. В то же время поверхностное натяжение нефти на границе с водой практически не зависит от давления и температуры.

На поверхностное натяжение нефти на границе с водой в большей степени влияют поверхностно-активные вещества. Поверхностно-активными веществами в нефти являются нафтеновые кислоты, асфальтосмолистые вещества, меркаптаны, тио-фены и др., в молекулах которых атомы расположены несимметрично. Такие вещества способны адсорбироваться на поверхности раздела и снижать поверхностное натяжение.

Взаимная растворимость жидкостей обусловлена содержанием в них поверхностно-активных веществ (ПАВ). Чем меньше взаимная растворимость жидкостей, тем выше поверхностное натяжение на границе их раздела; чем больше взаимная растворимость жидкости, тем меньше поверхностное натяжение. В тех случаях, когда растворенные вещества уменьшают взаимную растворимость жидкостей, тогда поверхностное натяжение на границе раздела жидкостей увеличивается. Такие вещества называются поверхностно-активными веществами (ПАВ).