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 смачиваниятесно 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 смачиванияпринято 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 явления 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.