Файл: Бабалян, Г. А. Физико-химические процессы в добыче нефти.pdf

азота и мётана. Гидрофобизация проводилась следующим обра­ зом. Тщательно промытые хромовой смесью и водой пластинки минерала помещали в чашечку с раствором на один час. По ис­ течении этого времени раствор сливали, а излишки углеводород­ ной жидкости снимали с поверхности минерала с помощью фильтровальной бумаги. Концентрация нефтей в толуоле меня­ лась от нуля до 100%.

Опытами было установлено, что ѲІШ возрастает с гидрофобпзацией поверхности минералов. Краевой угол смачивания капли дистиллированной воды на кварце в зависимости от концентра­

выше давление, тем больше возрастает краевой угол смачивания. С повышением давления в атмосфере азота Ѳ]Ш увеличивается меньше, чем в атмосфере метана. Величина Ѳ,ш на кальците несколько больше, чем на кварце [108]. На гидрофобизированной поверхности кварца Ѳ„п уменьшается с переходом от дистиллм-- рованной воды к морской и щелочной. Это наблюдается и в ат­ мосферных условиях, и в условиях высоких давлений.

При гид^офобизации кальцита ромашкинской нефтью и неф­ тями месторождений Апшеронского полуострова было установле­ но, что ѲНв капли дистиллированной воды, в среде азота с повы­ шением давления вначале не изменяется, но затем убывает и вновь возрастает [26, 106]. Эти же исследования показали, что с ростом давления ѲІ]В резко увеличивается на кальците, гидрофобизованном толуолом в среде углекислого газа. При гидрофоби-

вновь несколько увеличивается. Увеличение Ѳцв с ростом давле­ ния в среде углекислого газа больше, чем в среде азота, но меньше, чем в среде метана.

Исследования [108] показали, что если твердым телом явля­ ется парафин, то с повышением давления ѲцВ практически не изменяется. Однако он увеличивается в среде азота, водорода, углекислого газа и этилена, если твердым телом является металл [93].

С повышением температуры при гидрофобизованной нефтью поверхности кварца ѲПВ уменьшается. Это наблюдается в атмос­

ля нефти. Для этого случая, основываясь на общих положениях теории смачивания, можно сделать следующие выводы.

С увеличением активности нефти краевой угол смачивания (отсчет проводится в сторону нефти, являющейся более полярной

120

3. ВЛИЯНИЕ НА СМАЧИВАНИЕ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ПАВ

При заводнении пластов и подъеме нефти все в более широ­ ких масштабах 'применяются поверхностно-активные вещества. В связи с этим исследовалось влияние различных водораствори­ мых ПАВ на процессы смачивания. Было установлено, что смачи­ вание водой может улучшаться или ухудшаться в зависимости от рода применяемого ПАВ.

Хотя в реальных условиях вытеснения нефти водой и в других процессах добычи нефти равновесные краевые углы смачивания, по-видимому, не существуют, нельзя отрицать важность опреде­ ления этого показателя. По величине краевых углов смачивания можно судить о молекулярной природе нефти, воды и твердой поверхности, а также об изменении их поверхностных свойств при добавках к ним различных ПАВ, можно дать качественную оценку показателей процесса вытеснения нефти водой и др.

Так, рассматривая задачи, связанные с предотвращением от­ ложения парафина в трубах при движении в них водо-нефтяной смеси, можно сделать вывод, что при заданных дисперсности нефти и условиях ее коалесценцин поверхность труб будет от­ мываться от нефти тем меньше, чем больше краевой угол смачи­ вания. При бурении нефтяных скважин с применением эмульсион­ ных растворов чем больше при прочих равных условиях краевой угол смачивания, тем меньше количество проникающей в пластводы и глубина ее проникновения. С увеличением краевого угла смачивания вода вытесняется из призабойной зоны нефтью быст­ рее. и в больших количествах. С величиной краевого угла смачи­ вания связано обращение фаз эмульсии. Так, например, если стенки трубы хорошо смачиваются нефтью, то это способ­ ствует обращению фаз эмульсии. Чем лучше смачивается поро­ да нефтью, тем более вероятно образование в ней гидрофобной эмульсии, вызывающей большее сопротивление вытеснению нефти водой и т. д.

В процессе вытеснения из пористой среды одной жидкости другой, а также при совместном их движении в трубах, каналах и т. д. происходят прилипание и отрыв дисперсной фазы от твер­ дой поверхности. Эти явления сопровождаются гистерезисом смачивания. Процесс прилипания частиц дисперсной фазы (кап­ ля жидкости или пузырек газа) в дисперсионной среде к твердой поверхности происходит следующим образом [56]. Вначале об­ разуется небольшая посадочная площадка, после чего начинает­ ся расширение трехфазного периметра смачивания до некоторой постоянной величины. Краевой угол смачивания, соответствую­ щий конечному состоянию периметра смачивания, называется равновесным. Сам процесс постепенного перехода от текущегоугла смачивания к равновесному называется гистерезисом сма­ чивания. Явления эти подробно описаны в работах П. А. Ребин­ дера [82, 81].

12L

Были проведены наблюдения за временем установления рав­ новесного краевого угла смачивания капли воды, наложенной на кальцит, в среде углекислого газа при различных давлениях [106]. Кальцит обрабатывали чистым толуолом и 25%-ным раст­ вором ромашкинской нефти в толуоле. Давление во время наблю­ дения меняли от нуля до 50 кгс/см2. В первом случае равновес­ ный угол устанавливается настолько быстро, что заметить его изменения через 1 мин после того, как поместили каплю, не удалось. Во втором случае время установления равновесного краевого угла смачивания исчислялось от нескольких минут до нескольких десятков минут. Чем больше давление, тем больше начальный краевой угол смачивания и больше время, за которое достигалось равновесное его значение.

Проведенные опыты показали, что если опустить в воду кварц,

для капель такого же размера, образованных путем подвода их под кварц в водной среде.

Скорость стягивания пленки нефти на кварце, опущенном в воду, н образования при этом капли (или капель) с равновесным углом смачивания значительно меньше, чем скорость растекания и образования равновесного краевого угла смачивания капли неф­ ти. подведенной под кварц в воде. В первом случае равновесное значение угла может устанавливаться в течение нескольких суток,

перемещении капли нефти по твердой поверхности. Для этого в кювету, на 3Д объема заполненную водой, опускали цапфу с сухой пластинкой кварца или стекла. Затем капилляром с изо­ гнутым кончиком подводили под пластинку каплю нефти. После установления равновесного угла смачивания Ѳр пластинку пово­ рачивали до тех пор, пока не происходил сдвиг капли. Угол, со­ ответствующий моменту сдвига, фиксировали.

Исследования проводили с неполярной углеводородной жид­ костью (керосином), различными по активности нефтями и раз­ личными водами (дистиллированной, пресной и щелочной). При перемещении капли керосина и последующем ее отрыве на твер­ дой поверхности не остается никаких следов, в то время как при перемещении капель нефти и их отрыве на поверхности остаются юледы нефти (это наблюдалось, например, с каплей керосина, содержащей 5% высокоактивной нефти). При наклоне кварцевой пластинки капля перемещалась, увеличивала площадь прилипа­ ния и отрывалась не полностью, оставляя после себя остаточную каплю с тупым углом смачивания, хотя сама она первоначально имела острый угол смачивания.

В ряде опытов при добавке в воду реагентов, гидрофобнзирую-

322

щих твердую поверхность, капли, имея большой угол смачивания, начинали перемещаться при очень малом угле наклона пластинки. Однако это перемещение носило своеобразный характер. Капля как бы медленно растекалась по поверхности, оставляя за собой пленку нефти. Угол, при котором начинался сдвиг капли, для не­ полярных жидкостей был меньше, чем для нефтей. В последнем случае этот угол был тем больше, чем больше активность нефти. Угол наклона пластинки, при котором перемещались капли раз­ личных нефтей, в щелочной пластовой воде, был меньше, чем в морской и дистиллированной. В щелочных пластовых водах капли при отрыве следов не оставляли.

Чем активнее нефть, тем меньше оказывается скорость стяги­ вания контура прилипания до равновесного значения. При заме­ щении морской воды щелочной пластовой водой угол смачивания на поверхности минералов уменьшается, при этом скорость стя­ гивания периметра смачивания тем больше, чем меньше актив­ ность нефти; если щелочную воду заменяли морской, угол сма­ чивания, наоборот, возрастал.

Гистерезисные явления играют очень большую роль в процессе вытеснения нефти водой. Нефтерастворимые ПАВ, увеличивая время стягивания периметра смачивания при коалесцентном от­ рыве капли, затрудняют процесс разрыва пленки нефти. При разрыве же пленки они резко увеличивают время растекания кап­ ли воды по твердой поверхности. Во время разрыва пленки воды и прилипания капли нефти к твердой поверхности в водной среде нефтерастворимые ПАВ способствуют быстрому растеканию кап­ ли, что затрудняет ее вытеснение и приводит к увеличению ско­ рости проскальзывания воды относительно капли.

Водорастворимые ПАВ, когда они уменьшают краевой угол смачивания, способствуют быстрому разрыву пленки нефти ня твердой поверхности и интенсивному растеканию капли воды по ней. Время гистерезиса смачивания в этом случае резко убывает. При прилипании капли нефти к твердой поверхности водораство­ римые ПАВ препятствуют ее растеканию по ней, так как увели­ чивают время гистерезиса. Все это увеличивает скорость вытесне­ ния нефти водой и уменьшает скорость проскальзывания воды относительно нефти.

Водорастворимые ПАВ, увеличивающие краевой угол смачи­ вания, также часто приводят к разрыву пленки нефти на твердой поверхности, однако скорость разрыва и растекания капель воды -при этом значительно меньше, чем при водорастворимых ПАВ, приводящих к уменьшению краевого угла смачивания. Скорость прилипания капель нефти и ее растекания по твердой поверхности в воде увеличивается, что при прочих равных условиях затрудняет вытеснение капли.

На рис. 54 показано изменение краевого угла смачивания во времени из-за стягивания периметра смачивания капли нефти, ра­ нее нанесенной на сухую поверхность кварца, кальцита и полево­

123