Нефть как коллоидная система

Поверхностные явления при фильтрации нефти, газа и воды.

При движении жидкостей и газов в пористой сфере в силу причудливой формы поровых каналов граница раздела фаз имеет сложную поверхность с большой площадью. Это является причиной того, что на движение  и равновесие жидкостей, в пористой сфере определяющее влияние оказывает поверхностные явления и капиллярные силы.

При наличие границы, разделяя между двумя  фазами, например между жидкостью и газом, небольшая область вблизи поверхности раздела по своим свойствам отличается от основной части жидкости. Это отличие заключается в том,  что граничные области обладают избытком энергии по отношению к внутреннему объему. Такая энергия называется поверхностной  (свободной).

 Рассмотрим  молекулу, находящуюся в поверхностном  слое. Здесь силы, которые действуют  на неё со стороны других  молекул, направлены или вдоль  поверхности, или внутрь жидкости, так что равнодействующая сила  отлична от нуля и направлена  по нормали к поверхности внутрь  жидкости. Поэтому для перемещения  молекулы жидкости из объёма   к границе раздела требуется  затратить определённое количество  энергии.  Отношение этой энергии, называемой поверхностной, к единицы площади поверхности носит название коэффициента поверхностного натяжения. Эта величина положительна, так как в противном случае было бы невозможно раздельное существование контактирующих фаз.  Исходя  из определения можно записать , где dF и dS –изменения, соответственно поверхностной энергии и площади раздела; -   коэффициент поверхностного натяжения.

Предположим, что мы имеем два надутых воздушных шариков разных размеров, соединенных  между собой короткой трубкой. На первый взгляд  кажется, что малый шарик будет надуваться за счет большого, пока между ними не установится равновесие. Однако это не так, поскольку у меньшего шарика в соответствие с формулой Лапласа больше силы натяжения поверхности, равнодействующая которых направлена к центру.  Поэтому и давление внутри меньшего шара больше, чем внутри большого и, следовательно, воздух будет перетекать от маленького шара к большому.

       Поверхностное натяжение можно определить и как силу, действующую на единицу длины линии, ограничивающей поверхность соприкосновения двух фаз.

         Существование поверхностного натяжения  приводит к деформации поверхности  раздела так, что  её поверхность  оказывается минимальной Так, например, давление внутри капли выше, чем снаружи. Разность давлений  по обе части искривленной   поверхности раздела называется поверхностным давлением и вычисляется по формуле Лапласа

               Поскольку   поверхностное  натяжение  зависит от температуры  и концентрации поверхностно-активных веществ, то в этих условиях возникает градиент поверхностного натяжения.

       Эффективным  является следующий опыт.  На  горизонтальную стеклянную пластину  помещают две капли раствора  разной концентрации на небольшом  расстояние друг от друга, и капли начинают двигаться в одном направлении вдоль линии, соединяющей их центры.

       Это  явление, которое можно назвать  «погоней капель», наблюдается при  условии, что концентрации растворов  подобраны так, чтобы на одной  из капель происходила конденсация  растворителя из газовой фазы,  а на другой - испарение. Если капли  расположены достаточно близко, то исходное симметричное распределение  концентрации в каждой из них  будет нарушено.

       Иными  словами, возникает градиент концентрации, имеющий одинаковое направление  в обеих каплях, а, следовательно, и градиент поверхностного натяжения,   который заставляет капли двигаться  в ту или иную сторону в  зависимости от того, возрастает  или убывает поверхностное натяжение  с ростом концентрации.

Изменение молекулярного взаимодействия  на поверхности раздела двух фаз, приводящее к изменению поверхностного натяжения, может быть осуществляться за счет применения веществ со специальными свойствами.

          Эти свойства  заключаются в  способности преимущественной концентрации (адсорбции)  молекул этого вещества  на поверхности раздела фаз.

          Вещества, адсорбирующиеся на поверхности  раздела, называются поверхностно-активными (сокращенно ПАВ). Поскольку вблизи  поверхности раздела существует  электрическое поле, то полярные  молекулы поверхностно-активные  вещества ориентируются вблизи  границы.

Вследствие этого добавка ПАВ в воду снижает межфазное натяжение воды на границе с нефтью и уменьшает краевые углы избирательного смачивания, т.е. увеличивает  смачиваемость породы водой.  Это способствует улучшению отмыва нефти с поверхности породы.

По химическим свойствам ПАВ делятся на ионогенные, которые диссоцируются на ионы в водных растворах, и на неионогенные. Ионогенные ПАВ, в свою очередь, подразделяются на анионоактивные,  катионоактивные и амфотерные, в зависимости от того, какого знака ионы образуются в среднем в водной сфере. При диссоциации   анионоактивные ПАВ в водных растворах образуются поверхностно-активные анионы,состоящие из углеводородной части молекулы, и катоины, которые представляют собой неорганические оины. 

Катионоактивные ПАВ образуют в водных растворах поверхностно-активные катионы, состоящие из длинных цепей углеродных радикалов и анионов.

При заводнении  пластов в основном применяют неионогенные ПАВ. Высокая поверхностная активность и низкая адсорбируемость на поверхности пород отличает их от ионогенных ПАВ. Неиногенные ПАВ хорошо растворяютсяв пластовых (хлоркальциевых) водах и не дают осадка. Анионоактивные  ПАВ взаимодействуют с солями Са и Мg  и выпадают из раствора, образуя нерастворимые  осадки. Большинство катионоактивных ПАВ не растворяется в минерализованных пластовых водах.

Отмывающие свойства ПАВ используются в различных технологических процессах: для улучшения вытеснения нефти из пласта, обработки призабойной зоны и т.п.