Поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение связано с такими понятиями, как сво­бодная энергия поверхностного слоя жидкости на границе раздела фаз, работа поверхностного натяжения и сила поверхностного натяжения.

Поверхностное натяжение (σ) характеризует избыток свобод­ной энергии, сосредоточенной на одном квадратном сантиметре площади поверхностного слоя на границе раздела двух фаз:

Е = σ × S, (6.1)

где σ – поверхностное натяжение;

S – суммарная поверхность двух фаз.

Устойчивость поверхности раздела фаз определяется ростом сво­бодной поверхностной энергии системы при увеличении площади по­верхности раздела:

dF/dS > 0. (6.2)

Поверхностное натяжение характеризует работу образования но­вой поверхности в изотермических условиях:

A = σ × S. (6.3)

Поверхностное натяжение характеризует силу, действующую на единицу длины периметра взаимодействия двух фаз (линию смачива­ния), или силу, препятствующую увеличению площади поверхности раздела фаз:

, (6.4)

где – линия (контур) смачиваемости.

Сила (F), приложенная к единице длины контура, ограничиваю­щего поверхность и направленная вдоль этой поверхности перпендику­лярно к контуру, называется поверхностным натяжением.

Межмолекулярные силы как бы создают поверхностную плёнку тол­щиной, равной радиусу сферы действия частиц. Эта плёнка подобна на­тянутой перепонке или оболочке из резины. Если она равномерно натя­нута, то на единицу длины в любом направлении нужно приложить рав­номерно распределенное, растягивающее, касательное к поверхности уси­лие, чтобы удержать её в натянутом положении.

Усилие натяжения поверх­ностной пленки, приходящееся на еди­ницу длины, называется поверх­ностным натяжением. Размерность поверхностного натяжения согласно его определе­нию выразится как отношение растягивающего усилия к длине → [мН/м], [мДж/м²].

Физический смысл величины поверхностного натяжения –это величина, которая характеризует меру некомпенсированности молеку-лярных сил на границе раздела фаз.

Величина поверхностного натяжения возрас­тает с увеличением разности между полярностями фаз, с уменьшением их взаимного растворения (диспергирования), их молекулярного сродства друг к другу.

Если между части­цами жидко­сти и твёрдого тела притяжение не происходит, жидкость под влиянием поверхностного натяжения и давления стремится иметь наименьшую поверхность – форму шара (опыт Плато). Так, небольшое количество ртути на поверхности стекла при­нимает лепёшкообразную форму, а очень маленькие капли принимают форму шара (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Формы капли жидкости на поверхности твёрдого

тела в зависимости от величины капли

Капли воды на поверхности стекла, покрытой предвари­тельно слоем парафина, твёрдого жира, принимают форму шариков, в то время как те же капли воды растекаются по всей поверхности чистого стекла.

Поверхностное натяжение нефти на границе с водой или другой жидкостью зависит от следующих факторов.

1. От количества имеющихся в ней поверхностно-активных компо­нентов: асфальтенов, смолистых веществ, нафтеновых кислот. Нефть, содержащая наименьшее количество указанных веществ, имеет наи­большую величину поверхно­стного натяжения на границе с водой. На­оборот, нефти, содержащие наибольшее количество поверхно­стно-ак­тивных веществ, имеют наи­меньшую величину поверхностного натяже­ния на границе с водой. Эта закономерность объясняется физическим смыслом величины поверхностного натяжения.

2. От природы другой жидкости, с которой нефть соприкасается. Например, при соприкосновении с водой в большинстве случаев по­верх­ностное натяжение нефти меньше, чем при соприкосновении с воздухом. Чем выше плотность нефти, тем больше ее поверхностное натяжение на границе с воздухом и тем меньше на границе с водой.

3. Коэффициент поверхностного натяжения (σ)зависит от давления, температуры, газового фактора, свойств флюидов. Поверхностное на­тяжение с увеличением давления понижается, тем сильнее, чем ниже температура. Поверхностное на­тяжение умень­шается с повышением температуры. Общий характер изменения величины поверхностного натяжения с изменением давления (рис. 6. 2) и температуры для нефти такой же, как и у воды.

Давление, МПа

Рис. 6.2. Зависимость поверхностного натяжения нефти Небитдагского

месторождения от давления на границе с метаном: 1 – Т = 60 ºС;

2 – Т = 20 ^оС; 3 – с этан-пропановой смесью

Влияние этих факторов на величину поверхностное натяжение (σ) можно установить исходя из молекулярного механизма возникновения свободной поверхностной энергии и энергетической сущности поверх­ностного натяжения. С увеличением давления величина (σ) жидкости на границе с газом пони­жается. С повышением температуры происхо­дит ослабление межмоле­кулярных сил и величина поверхностного натяжения чистой жидкости (чистой воды) на границе с паром (газом) уменьшается.

С увеличением количества растворенного газа в нефти вели­чина поверхностного натяжения нефти на границе с газом уменьшается, а на границе с водой возрастает.

Количественные изменения величины поверхностного натяже­ния зависят от многих дополнительных факторов: химического состава нефти, состава газа (рис. 6.2, кривая 3), количества растворенного газа, количества и природы полярных компо­нентов и других факторов.

Поведение величины поверхностного натяжения жидкости на границе с жидкостью зави­сит во многом от полярностей этих жидкостей.

Поверхностное натяжение малополярных нефтей на границе с во­дой в пределах давлений, встречаемых в промысловой практике, мало зависит от давления (рис. 6.3) и температуры.

Давление, МПа

Рис. 6.3. Зависимость поверхностного натяжения нефти Туймазинского

ме­сторождения на границе с водой от давления при Т = 20 ºС

Это объясняется относительно небольшим и примерно одинако­вым изменением межмолекулярных сил каждой из жидкостей с увели­чением давления и температуры, так что соотношение их остаётся по­стоянным.

Для высокополярных нефтей величины поверхностного натя­жения их на границе с водой будут уменьшаться. При наличии в нефти водорастворимых полярных компонентов поверхностное натяжение нефти на границе с водой уменьшается с ростом давления и темпера­туры, что связано с изменением растворимости полярных компонентов.

Сложный характер имеет зависимость поверхностного натяжения на границе с водой от давления и температуры в условиях насыщения нефти газом (рис. 6.4). Это обусловлено изменением концентрации по­лярных компонентов в поверхностном слое нефти при растворении в ней газа.

Давление, МПа

Рис. 6.4. Зависимость поверхностного натяжения нефти Небит-

даг­ского месторождения от давления на границе с водой

при Т = 20 ºС: 1 – при насыщении обеих фаз метаном;

2 – при насыщении обеих фаз этан-пропановой смесью

По результатам измерения величины поверхностного натяжения нефти на границе с водой, в зависимости от насыщения нефти газом, по ряду месторождений было получено, что величина σ может быть значительной и составлять 3–6 мН/м при изме­нении давления от 0 до 26,5 МПа.

Величина поверхностного натяжения вод на границе с нефтью зависит от солевого состава вод, от состава нефти, от наличия в воде и нефти поверхностно-активных веществ – нафтеновых кислот, смол, асфальтенов и других полярных соединений.

Поверхностное натяжение большинства пластовых вод гидро­кар­бонатного типа (воды щелочные) на гра­нице с некоторыми нефтями весьма невелико, от 1 до 7,5 мН/м ( идёт диспергирование фаз ).

Хлор-кальцевый тип вод (жесткие пластовые воды, кислые по при­роде) имеет более высокие значения величин поверхностного натяжения на границе с пла­стовой нефтью, от 7 до 14 мН/м.

Морская в ода на границе с нефтью продуктивной толщи Апше­рон­ского полуострова имеет также высокое поверхностное натяжение, от 14 до 23 мН/м.

Дистиллированная вода на границе с различными видами нефтей об­ладает ещё большим поверхностным натяжением, которое изменя­ется от 20 до 34 мН/м.

По величине поверхностного натяжения пластовых жидкостей на различных модельных поверхностях (аналогичных пластовым) можно судить о свойствах соприкасающихся фаз, закономерностях взаимодей­ствия жидких и твёрдых тел, процессах адсорбции, количест­венном и качественном составах полярных компонентов в жидкостях, интенсивно­сти проявления капиллярных сил.

Поверхностное натяжение на границе раздела между газом и жид­костью, двумя жидкостями можно измерить. Используется установка М. М. Кусакова, состоящая из источника давления, камеры высокого давления для измерения, каплеобразователя, коммуникаций, смесителя.

Поверхностное натяже­ние на границе раздела порода-жидкость, порода-газ измерить трудно. Поэтому для изучения поверхностных явлений на границе порода-жидкость пользуются косвенными методами изучения поверхностных явлений: исследованием явлений смачиваемо­сти и растекаемости, измерением работы адгезии и когезии, изучением теплоты смачивания.