Силы противодействующие вытеснению нефти из пласта

Силы, противодействующие вытеснению нефти из пласта.

1) силы вязкого трения,

2) капиллярные силы

3) адгезионные силы (силы прилипания).

Силы трения проявляются в пласте также как и при течении нефти и газа по трубопроводу, т.е. гидравлическое сопротивление течению нефти в порах пропорционально скорости фильтрации и вязкости.

В пласте действует капиллярные силы. Эти силы проявляются в зоне контакта несмешивающихся жидкостей. При вытеснении нефти водой за фронтом вытеснения образуется, формируется многочисленные столбики нефти, рассеянные в воде и в этой зоне особенно сильно проявляются капельные силы.

Молекулярные силы взаимодействия между различными веществами, насыщающими горные породы, играют важную роль в процессах извлечения нефти и газа из недр. Капиллярные силы представляют собой одну из форм проявления межмолекулярных сил.

Р1 > Р2 Р1-Р2 = ΔР

Чтобы рассмотреть кап. Силы, рассмотрим капилляр со столбиком нефти, который вытесняется водой при Р1-Р2 = ΔР.

В статич. Условиях под действием кап. сил столбик нефти стремится принять шарообразную форму, оказывая давление Р на стенки пор через пленку воды. При этом давление Р, возникающее внутри капилляра:

P=(2σ / R) – σ/r , где

Р – давление; σ – коэффициент поверхностного натяжения на границе раздела фаз; R – радиус сферической поверхности столбика воды; r – радиус цилиндрической поверхности

Установлено что R и r и cosθ связаны между собой следующей зависимостью:

R=r/cosΘ

Получим: P=2σcosΘ/r - σ/r = (2σ/r)*(cosΘ-0.5)

При Θ=0 давление P=σ/r

Из формулы видно, что чем больше σ и меньше r, тем больше Р оказываемое на стенки пор через пленку воды и тем вероятнее неподвижность столбика нефти в капилляре.

Если на концах капилляра создать перепад Р то произойдет деформация нефти ( см. пунктирную линию).

Такое изменение формы менисков вызовет соответствующее им изменение кап давления, которое согласно закону Лапласа будут слудующими:

Для левого мениска : P¹=σ/R¹

Для правого мениска : P¹¹=σ/R¹¹

Р¹>Р¹¹.

Разность этих кап давлений будет создавать силу, противодействующую внешнему перепаду давлений ΔР.

P_КАП=(2σ/ R¹¹) - (2σ/ R¹)

P_КАП=(2σ/r)*(cosΘ₂-cosΘ₁)

Это явление когда возникает дополнительное сопротивление при движении двух не смещающихся жидкостей или пузырьков газа называют эффектом Жамена.

Т.к. таких столбиков или пузырьков газа в поровых каналах очень много, то на преодоление кап сил затрачивается существенная доля ΔР. Те же самые явления наблюдаются при переходе капли из широкой части капилляра в узкую, возникает также разность кап давлений менисков, имеющих разные радиусы.

Адгезия – слипание поверхностей двух соприкасающихся разнородных твердых или жидких тел (в физике).

Когезия (от лат. cohaesus - связанный, сцепленный) — сцепление друг с другом частей одного и того же тела (жидкого или твердого). Обусловлена химической связью и межмолекулярным взаимодействием.

Работа адгезии оценивается уравнением Дюпре:

Wa = σ_1,2 + σ_2,3 – σ_1,3 , где

где σ₁₂ — поверхностное натяжение жидкости на границе с воздухом; σ₃₂ и σ₃₁ — поверхностное натяжение твердого тела на границе с воздухом и с жидкой фазой.

Уравнение Дюпре — Юнга:

W=σ_1,2*(1+cosΘ)

Из уравнения следует, что на отрыв жидкости от поверхности твердого тела при полном смачивании, когда cosΘ=1 , затрачивается работа W=2σ₁₂ , необходимая для образования двух жидких поверхностей.

Это значит, что при полном смачивании жидкость отрывается не от поверхности твердого тела, а происходит разрыв самой жидкости, т. е. при полном смачивании σ₁₂<σ₃₁ .

Для гидрофобных поверхностей характерно соотношение σ₁₂>σ₁₃ , т. е. жидкость может отрываться от поверхности. При Θ = 180°, т. е. при полной несмачиваемости жидкостью поверхности твердого тела, работа адгезии равна нулю. Следовательно, работа адгезии может служить показателем смачиваемости или прилипаемости жидкостей к поверхности твердого тела.

Поверхность горных пород отличается значительной неоднородностью по смачиваемости. Это можно объяснить многими причинами. Большое влияние на свойства поверхностей оказывают процессы адсорбции, которые зависят от большого многообразия факторов, связанных как с составом пластовых жидкостей и пород, так и с условиями их контакта в пласте. Свойства поверхности минералов, кроме явлений адсорбции, зависят и от процессов химического взаимодействия жидкостей и минералов, ионного обмена, растворения и электрокинетических явлений. Значительно влияет на эти процессы сложное строение самой поверхности минералов. Вследствие влияния на свойства поверхности горных пород большого числа факторов, избирательная смачиваемость их пластовыми жидкостями может изменяться в широких пределах. Некоторые породы, по-видимому, полностью гидрофобизованы нефтью. Большинство же исследованных коллекторов газовых месторождений сложены гидрофильными породами.