Гистерезис смачивания

Гистерезис – отставание, запаздывание изменения физической величины, характеризующей состояние тела от изменения другой физической величины, определяющей внешние условия.

Гистерезис смачивания – явление, заключающееся в задержке установления равновесного значения смачивания вследствие трения при перемещении периметра капли по поверхности твёрдого тела.

Явления статического гистерезиса смачивания тесно связаны с процессами адсорбции, которые зависят от природы поверхностного слоя. Мерой статического гистерезиса смачивания может служить величина, равная разности косинусов углов:

cosQ = (σ_2,3 – σ_1,3)/ σ_1,2 = В, ∆В = В_2,1–В_1,2. (6.14)

Эта разность получается при различном порядке смачивания твёрдой поверхности жидкостями 1 и 2. Величина ∆В зависит от среды (1 или 2), которой вначале была смочена поверхность. В присутствии адсорбционного слоя статический гистерезис смачивания резко возрастает.

В пластовых условиях наблюдаются неустойчивые процессы, происходящие на поверхности раздела фаз, отличные от рассмотренных выше (разд. 6.4). Процессы смачивания описывают неравновесные процессы и зави­сят не только от природы поверхностей, но и от скорости и направления движения фронта жидкости (менисков) в капиллярных каналах.

Кинетическим гистерезисом смачивания принято называть из­менение угла смачивания при передвижении по твёрдой поверхности трёхфазного периметра смачивания. Величина гистерезиса зависит от:

· направления движения периметра смачивания, то есть от того, проис­ходит ли вытеснение с твёрдой поверхности воды нефтью или нефти водой;

· скорости перемещения трёхфазной границы раздела фаз по твёрдой поверхности;

· шероховатости твёрдой поверхности;

· адсорбции на поверхности веществ.

За счёт вытеснения нефти водой образуется передвигающийся трёхфазный периметр смачивания. Угол смачивания изменяется в зави­симости от скорости и направления движения периметра смачива­ния жидкостью поверхности пород (менисков жидкости, рис. 6.7) в каналах и трещинах.

Рис. 6.7. Схема изменения углов смачивания при изменении направления дви­жения мениска в капиллярном канале

Угол, образующийся при вытеснении нефти водой (Q₂₁), принято называть наступающий, а угол, образующийся при вытеснении воды нефтью (Q₁₂) – отступающий. Углы смачивания отступающий (Q₁₂), наступающий (Q₂₁) и статический (Q) всегда находятся в соотношении

Q₂₁ > Q > Q₁₂. (6.15)

Угол смачивания зависит от того, происходит ли вытеснение с твёрдой по­верхности воды нефтью или нефти водой. С увеличением скорости вытеснения нефти водой из капиллярных каналов пористой среды вследствие гистерезисных явлений наступающий угол смачива­ния возрастает и может стать больше 90^о, если даже в статических условиях поверхность капилляра гидрофильна.

Причины гистерезиса недостаточно изучены. Некоторые исследо­ватели считают, что гистерезис обусловлен силами трения, так как он возникает на шеро­ховатых поверхностях. На полированных поверхно­стях гистерезис про­является слабо.

Большинство исследователей считают, что я вления гистерезиса имеют молекулярную природу. При вытеснении из пор нефти водой приходится удалять с твёрдой поверхности адсорбированные молекулы полярных компонентов нефти. Поэтому возникает дополнительное сопротивление растеканию воды по поверхности. В зависимости от порядка смачивания значение этих сил сопротивления неодинаково, чем и обусловлено различие отступающих и наступающих углов.

6.6. Свойства поверхностных слоёв пластовых жидкостей

О структуре поверхностных слоёв существуют различные пред­положения. Многие исследователи, изучающие строение и толщину тонких слоёв жидкости, связывают образование поверхностных слоёв с поляризацией молекул и их ориентацией от поверхности твёрдого тела во внутренние области жидкости с образованием сольватных слоёв. Сольватными называются полимолекулярные слои ориентированных молекул, адсорбирующихся поверхностью зёрен породы. Сольватные поверхностные слои в порах пласта, заполненных нефтью, состоят из поверхностно-активных компонентов нефти.

Поверхностно-активные компонентов нефти могут концентри-роваться не только на поверхности, но и в приповерхностном объёме вблизи поверхности раздела. По результатам измерений Б. В. Дерягина и М. М. Кусакова толщина смачивающих плёнок водных растворов солей на различных поверхностях составляет около 0,1 мкм. По результатам исследований И. Л. Мархасина, толщина граничного слоя нефти остающегося на поверхности кварцевого песка, при вытеснении её с реально существующими градиентами давлений может достигать 2–3 мкм.

Эти слои отличаются от остальной части жидкости структурой и механическими свойствами – упругостью на сдвиг и повышенной вязкостью.

Особыми свойствами обладают также адсорбционные и связанные с ними сольватные оболочки на разделе фаз "вода–нефть" в залежи. Предполагается, что поверхностный слой на разделе фаз "вода–нефть" образуется в результате избирательного смачивания водной фазой гидрофильных участков их поверхности. В их состав входят нафтено­вые кислоты, низкомолекулярные смолы, коллоидные частицы высокомолекулярных смол и асфальтенов, микрокристаллы парафина, частицы минеральных солей в виде суспензий. Адсорбирующиеся на поверхности этих слоёв асфальто-смолистые вещества, переходящие в гелеобразное состояние, цементируют частицы парафина и минералов в плотный монолитный слой. В результате чего поверхностный слой ещё более утолщается и оказывает задерживающее влияние на процессы вытеснения.

Существование адсорбционных слоёв на разделе "остаточная вода–нефть" также оказывает некоторое задерживающее влияние смеши-вания нагнетаемых в пласт вод с остаточными.