Поверхностное натяжение, смачиваемость, капиллярные силы и их влияние на проницаемость

Помимо вязкости жидкостей и газов, на их проницаемости отражается взаимодействие с поверхностью частиц породы (смачиваемость) и способность образовывать пленки на границе раздела двух сред (поверхностное натяжение).

Поверхностное натяжение представляет собой работу, затраченную на увеличение площади поверхности раздела, отнесенную к единице площади:

А=sS,

где А – работа, s - поверхностное натяжение, S – площадь.

По величине поверхностного натяжения пластовых жидкостей на различных модельных поверхностях можно судить о свойствах соприкасающихся фаз, закономерностях взаимодействия жидких и твердых тел, процессах абсорбции, количественном и качественном составе полярных компонентов в жидкости, интенсивности проявления капиллярных сил и т.д.

Коэффициент поверхностного натяжения s, а заодно и величина капиллярных сил, зависят от давления, температуры, газового фактора, свойств флюидов.

Поверхностное натяжение жидкости (воды, нефти) на границе с газом обычно уменьшается с увеличением давления, температуры, газового фактора.

Изменение величины поверхностного натяжения на границе двух жидкостей может иметь сложный характер и зависит, прежде всего, от полярности жидкостей.

Смачиваемость – совокупность явлений на границе трех фаз, одна из которых твердая, а две другие – флюидные (две не смешивающиеся жидкости либо жидкость и газ). Если поверхность смачивается, то капля жидкости растекается по ней, если не смачивается, то капля растекаться не будет. Интенсивность смачивания характеризуется величиной краевого угла смачивания q, образованного поверхностью твердого тела с касательной к поверхности жидкости, проведенной из точки ее соприкосновения с этой поверхностью (рисунок 2).

Рисунок 2 – Краевой угол смачивания q на границе раздела трех фаз

Если угол смачивания острый, поверхность считается гидрофильной, тупой – гидрофобной.

Гидрофильную поверхность имеют силикаты, карбонаты, окислы железа; гидрофобную – парафин, жиры, воск, чистые металлы.

Краевой угол смачивания зависит от строения поверхности, адсорбции жидкостей и газов, наличия поверхностно-активных веществ, температуры, давления и др.

В тонких каналах силы смачивания и поверхностного натяжения приводят к появлению изогнутых поверхностей раздела (менисков), создающих препятствия для движения флюидов. Эти силы получили название капиллярных, они требуют дополнительной энергии для их преодоления.

Виды проницаемости

Различают три вида проницаемости:

- абсолютная;

- фазовая (эффективная);

- относительная;

Абсолютная проницаемость характеризует только физические свойства породы. Поэтому для её определения через проэкстрагированную пористую среду пропускает флюид, чаще газ – инертный по отношению к породе (на практике для этой цели используется азот или воздух).

Фазовой (эффективной) проницаемостью называется проницаемость породы по отношению к данному флюиду при движении в порах многофазных систем (не менее двух). Величина ее зависит не только от физических свойств пород, но также от степени насыщенности порового пространства жидкостями или газами и от их физико-химических свойств.

Относительной проницаемостью пористой среды называется отношение фазовой проницаемости этой среды для данной фазы к абсолютной:

При эксплуатации нефтяных и газовых месторождений чаще всего в породе присутствуют и движутся две или три фазы одновременно. В этом случае проницаемость породы для какой-либо одной фазы всегда меньше ее абсолютной проницаемости. Эффективная и относительная проницаемости для различных фаз находятся в тесной зависимости от нефте- , газо- и водонасыщенности порового пространства породы и физико-химических свойств жидкостей.

Любая жидкость, смачивающая породу, начинает движение только после достижения определенного уровня насыщения. В любой залежи останется какое-то количество нефти.

Закон Дарси для несжимаемой жидкости определяет расход однородной жидкости через пористую среду при ламинарном ре- жиме потока следующей формулой:

Q = (k x F x (P1 - P2))/μ x L

где:

- Q - расход жидкости, м³/с

- k - коэффициент проницаемости, м²

- F - площадь фильтрации пористой среды, м²

- (P1 - Р2) - разность давлений, созданных на концах испытуемого образца, Па

- L - длина испытуемого образца породы, м

- µ - абсолютная вязкость жидкости, мПа·с.

На основании закона Дарси определяют коэффициент проницаемости k - существенную величину для характеристики физических свойств нефтеносных пород.

Рисунок 3 – Техническая реализация закона Дарси

Фазовая проницаемость определяется, например, методом сложных кернов. Закрепляются три образца в ряд, насыщаются первой фазой (водой), затем пропускается вторая фаза (нефть). После установившегося движения определяют остаточную насыщенность первой фазой, которая и учитывается при расчетах фазовой проницаемости. Хасслер предложил помещать образец между мембранами, которые проницаемы только для одной из фаз.

Проницаемые пласты проявляют себя в процессе бурения.

Проницаемость определяется также по результатам эксплуатации скважин. Надежных способов определения проницаемости по геофизическим данным нет.

Вопросы для самоконтроля

6.1 Перечислите разновидности проницаемости.

6.2 Как определяется проницаемость?

Породы-флюидоупоры