Адгезия и когезия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Работа адгезии и когезии, теплота смачивания

Поверхностные явления описываются также работой адгезии.

Адгезия - прилипание (сцепление поверхностей) разнородных тел. Когезия - явление сцепления поверхностей разнородных тел, обусловленной межмолекулярным или химическим взаимодействием.

Работа адгезии оценивается уравнением Дюпре:

Wa = у1,2 + у2,3 - у1,3 (1)

Используя соотношения (1) из 10 лекции и (1) , мы получим уравнение Дюпре-Юнга:

Wa = у1,2 ·(1+cosИ) (2)

Из соотношения: у2,3 - у1,3= у1,2·cosИ

следует, что при смачивании свободная энергия единицы поверхности твёрдого тела уменьшается на величину у1,2·cosИ, которую принято называть натяжением смачивания.

Работа когезии Wк характеризует энергетические изменения поверхностей раздела при взаимодействии частиц одной фазы.

Из уравнения 2 следует, что на отрыв жидкости от поверхности твёрдого тела при полном смачивании (когда cosИ=0) затрачивается работа, необходимая для образования двух жидких поверхностей - 2ужг(у1,2), т.е.: Wк = 2·уж г, где 2·ужг- поверхностное натяжение жидкости на границе с газом.

Это значит, что при полном смачивании жидкость не отрывается от поверхности твёрдого тела, а происходит разрыв самой жидкости, т.е. при полном смачивании у1,2 ? у1,3.

Подставив в уравнение Юнга значения работ адгезии и когезии, получим: . Из этого уравнения следует, что смачиваемость жидкостью твёрдого тела тем лучше, чем меньше работа когезии (и поверхностное натяжение жидкости на границе с газом).

Для характеристики смачивающих свойств жидкости используют также относительную работу адгезии z = Wа/Wк.

Ещё одна характеристика, используемая для описания поверхностных явлений - теплота смачивания.

Установлено, что при смачивании твёрдого тела жидкостью наблюдается выделение тепла, так как разность полярностей на границе твёрдое тело-жидкость меньше, чем на границе с воздухом. Для пористых и порошкообразных тел теплота смачивания обычно изменяется от 1 до 125 кДж/кг и зависит от степени дисперсности твёрдого тела и полярности жидкости.

Теплота смачивания характеризует степень дисперсности твёрдого тела и природу его поверхности. Большее количество теплоты выделяется при смачивании той жидкостью, которая лучше смачивает твёрдую поверхность.

Если через q1 - обозначить удельную теплоту смачивания породы водой, а через q2 - обозначить удельную теплоту смачивания породы нефтью, то для гидрофильных поверхностей будет выполняться соотношение: (q1/ q2) > 1, а для гидрофобных: (q1/ q2) < 1.

Кинетический гистерезис смачивания

Явления смачиваемости рассматривались для равновесного состояния системы. В пластовых условиях наблюдаются неустойчивые процессы, происходящие на поверхности раздела фаз. За счет вытеснения нефти водой образуется передвигающийся трехфазный периметр смачивания. Угол смачивания изменяется в зависимости от скорости и направления движения жидкости (менисков жидкости, рис.1) в каналах и трещинах.

Рис.1 Схема изменения углов смачивания при изменении направления движения мениска в капиллярном канале: И2,1 -наступающий (вытеснение нефти водой), И1,2 - отступающий (вытеснение воды нефтью) углы смачивания при движении водо-нефтяного мениска в цилиндрическом канале с гидрофильной поверхностью (И - статический угол смачивания).

адгезия когезия смачивание

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

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

· скорости перемещения трехфазной границы раздела фаз по твердой поверхности;

· шероховатости твердой поверхности;

· адсорбции на поверхности веществ.

Явления гистерезиса возникают, в основном, на шероховатых поверхностях и имеют молекулярную природу. На полированных поверхностях гистерезис проявляется слабо.

Измерение углов смачивания

Для изучения смачиваемости поверхности твердых тел и смачивающих свойств жидкостей широко применяют оптическую скамью. При этом каплю жидкости, нанесенную на твердую поверхность минерала (шлиф) или горной породы, проектируют с помощью оптической системы в увеличенном виде на экран из матового стекла. Краевой угол смачивания измеряют по изображению, полученному на матовом стекле, или по фотографии капли.

С помощью оптической скамьи можно измерить как статические, так и кинетические углы смачивания. Если первые определяют для общей физико-химической характеристики нефтесодержащих пород и смачивающих свойств вод, то кинетические углы важно знать при изучении избирательного смачивания пород в процессе вытеснения нефти водой из пористых сред и для оценки знака и величины капиллярного давления в поровых каналах.

Для измерения угла смачивания, образующегося на границе различных сред при движении раздела фаз, предложено много методов.

По одному из них измеряют краевой угол смачивания, образуемый поверхностью жидкости и погруженной в нее наклонной пластинкой минерала во время опускания или поднятия последней с соответствующей скоростью. При другом способе измеряются краевые углы натекания и оттекания, образуемые каплей жидкости на наклонной твердой поверхности. По третьему динамика изменения угла смачивания создается путем отсасывания капиллярной пипеткой нефти или воды из капли. С уменьшением объема капли нефти образуется наступающий угол смачивания, при увеличении ее -- отступающий. Наконец, углы смачивания в динамике можно измерить при медленном движении мениска в капилляре.

Упомянутые методы измерения кинетических углов избирательного смачивания не воспроизводят пластовых условий и их нельзя применять для оценки краевых углов смачивания при движении водонефтяного контакта в пористой среде.

Некоторое представление о смачивающих свойствах вод и природе поверхности поровых каналов можно получить, изменяя скорость пропитывания пористой среды жидкостью или капиллярного вытеснения одной жидкости другой. Для изучения процесса капиллярного пропитывания и взаимного вытеснения нефти и воды обычно используются различные модификации прибора З.В.Волковой, одна из которых приведена на рис.2.

В стеклянную трубку 3 с помощью резинового уплотнения 5 вставляют пробу изучаемого песчаника 4, насыщенного остаточной водой и нефтью. Капилляр 1, наполненный вытесняющей жидкостью до конца расширенной части, соединяется с трубкой 3 на шлифе 7. Пространство между торцом образца и пробкой капилляра сообщается с атмосферой при помощи отвода с пробкой 2. На капилляре 1 нанесены деления, по которым можно определить количество вошедшей в керн под действием капиллярных сил воды в различные моменты времени. При изучении процесса капиллярного вытеснения нефти трубка наполняется водой и после соединения шлифа 7 открываются пробка 2 и кран 6. Прибор слегка наклоняют, в этом случае жидкость достигает торца песчаника, после чего пробка 2 закрывается. Прибор вновь устанавливают в горизонтальное положение и проводят наблюдение за процессом капиллярного вытеснения нефти водой.

Рис. 2. Схема одного из вариантов прибора Волковой

Аналогичные приборы созданы также для изучения процессов капиллярного вытеснения при высоких давлениях. Пористую среду, состоящую из капилляров различных диаметров с большим разнообразием геометрических форм, можно заменить идеальным грунтом со средним радиусом цилиндрических пор. Тогда зависимость длины смоченного слоя породы от времени только под действием капиллярных сил можно приближенно оценить по формуле 3. В. Волковой:

(3)

где l -- длина смоченного слоя породы к моменту времени t; у -- поверхностное натяжение; И -- угол смачивания; г -- средний радиус пор; м -- вязкость жидкости.

Уравнение (3) действительно для пропитывания пористой среды жидкостью, при этом вязкость газа (воздуха) принята равной нулю.

В процессе вытеснения из породы менее смачивающей фазы лучше избирательно смачивающей жидкостью уравнение зависимости l от t при пропитывании в горизонтальном направлении имеет вид

(4)

где l0 -- общая длина пористой среды; м -- вязкость вытесняющей жидкости; м1 -- вязкость вытесняемой жидкости.

Уравнение (4), основанное на классических законах капиллярности, действительно только для единичных капилляров, так как не учитывает специфических особенностей строения и свойств пористых сред и многообразия явлений, происходящих в процессе их пропитывания.

Основные препятствия, затрудняющие использование уравнений 3. В. Волковой для расчета углов избирательного смачивания пористых сред по данным капиллярного пропитывания, состоят в образовании в поровом пространстве смесей жидкостей, что не учитывается уравнением (4), а также в трудности определения радиуса г, характеризующего геометрию порового пространства образца и одновременно свойства жидкостей. Кроме того, уравнение (4) не учитывает зависимость угла смачивания и поверхностного натяжения от скорости движения мениска. Однако это уравнение можно использовать для приближенной оценки смачиваемости гидрофильных пористых сред, если принять специальные меры, позволяющие избежать упомянутые препятствия. Например, влиянием на скорость впитывания воды в нефтенасыщенные образцы водонефтяных смесей, образующихся в пористой среде в зоне пропитки, можно пренебречь, если для расчетов смачиваемости использовать начальную скорость впитывания воды (в момент времени t = 0), когда смеси еще не успели образоваться. Далее предположим, что радиусы г пор в начальный момент пропитки в меньшей степени зависят от свойств жидкости, и примем, что средний размер пор в образце породы зависит от проницаемости k и пористости т породы по известному соотношению.

(5)

где ц -- структурный коэффициент, характеризующий отличительные особенности строения порового пространства коллекторов (для зернистых коллекторов ц = 0,5035/m1,1).

Для перехода к скоростям пропитки продифференцируем уравнение (4) по времени

При t = 0 длина l смоченного слоя также стремится к нулю, и тогда с учетом уравнения (5) получим

(6)

где хt>0-- начальная скорость впитывания воды в образец, определяемая по опытным данным по наклону касательной к кривой впитывания l>f(t) в момент времени t = 0.

Как уже упоминалось, различные участки поверхности пористых сред обладают неодинаковой смачиваемостью. В условиях гетерогенной смачиваемости уравнение (6) можно применять для расчета осредненных относительных углов смачивания по скоростям капиллярного пропитывания образца вытесняющей водой в начале процесса.

В лабораторной практике используют различные методы оценки смачиваемости пород пластовыми жидкостями -- методы, основанные на способности поверхности гидрофильного керна адсорбировать лишь определенные красители (некоторые из них основаны на зависимости флотируемости минералов от смачиваемости поверхности породы).

Для оценки относительной смачиваемости пористых сред можно применять кривые «капиллярное давление -- насыщенность». Известно, что с изменением смачивающих свойств жидкости эти кривые, снятые для одной и той же пористой среды, смещаются. Степень смещения кривых, кроме изменений поверхностного натяжения, определяют по значению cosИ в первом и втором опытах.

ПАВ: метод воздействия с точки зрения дипольных моментов и полярности моментов

Молекула ПАВ состоит из полярной и неполярной частей.

Полярная часть - гидрофильная (OH-).

Неполярная часть - гидрофобная (углеродная).

Так как, наверху гидрофобная среда, то происходит снижение поверхностного натяжения на границе с нефтью (газом).

Концентрация ПАВ в растворенном объеме будет равна 0, на поверхности же, будет стремиться к определенному пределу S, занимая 1 молекулу ПАВ на поверхности.

Чем бльше концентрация ПАВ cпав, тем меньше угол смачивания И.

Типы ПАВ, условия их применения, условия запрета их применения будут рассматриваться в физике нефтегазового пласта.

Размещено на Allbest.ru