Поверхностное натяжение
Поверхностное натяжениесвязано 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 количествоуказанных 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 газомпонижается. 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 натяженияжидкости на границе с жидкостьюзависит 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 нефтьюзависит 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 вода 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.
Дата добавления: 2019-02-08; просмотров: 1137;