ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
Исследование смачиваемости жидкости на поверхности твердого тела оптическим методом
ТЕОРИЯ СМАЧИВАЕМОСТИ
Нефтяные дисперсные системы типа «жидкость-твердое тело» представляет собой напластование из осадочных пород в виде тела с огромным скоплением капиллярных каналов и трещин, заполненных флюидами, удельная поверхность которых очень велика. Поэтому закономерности движения углеводородов в пласте и их вытеснение из пористой среды существенно зависят от свойств пограничных слоёв соприкасающихся фаз и процессов, происходящих на поверхности контакта нефти, газа и воды с породой.
Физико-химические свойства поверхностей раздела фаз и закономерности их взаимодействия характеризуются рядом показателей – поверхностным натяжением на границе раздела фаз, явлениями смачиваемости и растекания, работой адгезии и когезии, теплотой смачивания.
Поверхностное натяжение s - это работа А обратимого изотермического процесса образования единицы новой площади S поверхности раздела фаз при постоянстве давления и химических потенциалов компонентов.
.
Поверхностное натяжение в энергетической форме имеет размерность Дж/м2. Зависимость поверхностного натяжения от рода флюидов, минерализации, их состава, давления и температуры носит сложный и неоднозначный характер.
В случае чистой однородной жидкости на границе с паром при повышении температуры происходит снижение поверхностного натяжения, что связано с ослаблением действия межмолекулярных сил с ростом температуры. Эта зависимость определяется следующей формулой:
,
где: σo, σt – поверхностные натяжения системы при температурах 0оС и t; γ –температурный коэффициент поверхностного натяжения: ртуть-0.00035 1/оС; вода-0.002 1/оС. Поверхностное натяжение жидкостей на границе с дистиллированной водой составляет: для керосина при 20оС составляет 48.3 мН/м, для бензина - 48 мН/м, для толуола – 36.2 мН/м, для бензола – 35.0 мН/м.
Смачиваемостью называется совокупность явлений на границе соприкосновения трёх фаз, одна из которых обычно является твёрдым телом и две другие – не смешиваемые жидкости или жидкость и газ. Смачиваемость проявляется в способности жидкости энергетически взаимодействовать с твердой поверхностью с образованием поверхностных структурированных слоев. Интенсивность смачивания характеризуется величиной краевого угла смачивания Q, образованного поверхностью твёрдого тела с касательной, проведённой к поверхности жидкости из точки её соприкосновения с поверхностью (рис. 1).
Рис.1. Форма капли, обусловленная поверхностным натяжением на различных границах соприкасающихся фаз
Краевой угол Q измеряется в сторону от менее полярной к более полярной фазе (в данном случае в сторону воды). Принято условно обозначать цифрой 1 водную фазу, цифрой 2 – углеводородную жидкость или газ, цифрой 3 – твёрдое тело. Угол смачивания определяется по уравнению Юнга:
,
где: s2,3 - межфазное натяжение на границе "нефть - порода", s1,3 - межфазное натяжение на границе "вода - порода", s1,2 - межфазное натяжение на границе "вода нефть", q - угол смачиваемости породы.
Когезия Wк - работа, необходимая для разрыва однородной объемной фазы (преодоление сил сцепления между молекулами) при образовании поверхности раздела.
Силы когезии определяют существование веществ в конденсирован-
ном состоянии. Количественную характеристику сил когезии и адгезии по-
лучают, оценивая работу, совершаемую против действия этих сил.
Работа когезии (Wc) численно равна затрате энергии на разрыв тела
(обратимо и изотермически) по сечению, равному единице площади. Пусть
имеем столбик жидкости с единичной площадью сечения (рис. 2. а). При
| Рис.2 К определению понятий работа когезии и работа адгезии |
разрыве столбика затрачивается энергия на разрыв межмолекулярных связей,
равная избытку свободной энергии образовавшихся двух новых поверхностей и отсюда Wc=2σЖГ. Так как когезия отражает внутримолекулярное взаимодействие внутри гомогенной фазы, то ее также характеризуют и другие параметры: энергия кристаллической решетки,энергия парообразования, внутренне давление и т.д.
Адгезия (прилипание) Wа - работа, необходимая для разрыва разнородного межфазного слоя (вода-порода) при образовании новых поверхностей раздела.
Работу адгезии (Wа) характеризуют затратой энергии на разрыв ад-
гезионного контакта в расчете на единицу площади. В этом случае при раз-
рыве адгезионного контакта жидкости и твердого тела (рис.2. б) образуют-
ся две единичные новые поверхности раздела обеих фаз со средой, но исчезает поверхность раздела между ними, поэтому для системы Т/Ж будем иметь выражение, называемое уравнением Дюпре:
Wа = σТГ + σ ЖГ - σТЖ.
Если расписать уравнение Дюпре с учетом уравнения Юнга, то получим уравнение Дюпре – Юнга, котороехарактеризует угол смачивания через работу адгезии Wa и когезии Wк:
.
Если угол 90 > Q > 0 – острый (наступающий), то поверхность хорошо смачивается водой и называется гидрофильной.
Если угол 90 > Q >180 – тупой (отступающий), то поверхность плохо смачивается водой и называется гидрофобной.
К гидрофильным поверхностям относятся силикаты, карбонаты, окислы железа. К гидрофобным поверхностям – парафины, жиры, воск, чистые металлы.
Смачиваемость поверхности пород непосредственно влияет на эффективность практически всех известных технологий разработки месторождений углеводородного сырья с использованием заводнения. Смачиваемость влияет на фазовые проницаемости, адсорбцию полярных компонентов нефти, капиллярное давление, остаточную водо- и нефтенасыщенность, охват пласта заводнением, коэффициент вытеснения и коэффициент извлечения нефти. На рис.3 приведен график влияния смачиваемости на коэффициент вытеснения.
Рис.3. Влияние смачиваемости поверхности пород на
коэффициент вытеснения нефти водой по Donaldson”у
Смачиваемость влияет на образование тонких поверхностных пленок при окраске, нанесении защитных слоев.
Смачиваемость определяется методами подвижной капли, пластин Вильгелми, Амотта, USBM (метод Горного бюро США), ЯМР, относительных фазовых проницаемостей, изотермической сушки, удельной теплоты смачивания и по ОСТу, а также визуальными оптическими методами наблюдения геометрической формы капель.
Смачиваемость водой понижается с увеличением вязкости нефти, газонасыщенности, минерализации воды, содержания в воде ионов хлора, кальция, магния, брома.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Для выполнения работы необходимы:
Микроскоп с окуляром, снабженным измерительной шкалой
Тонкий стеклянный капилляр D=4.5 мм с грушей
Микрошприц с иглой
Дистиллированная вода
Трансформаторное масло
Бюксы для хранения воды и масла
Фильтровальная бумага
Цель работы- визуально определить кривизну менисков при контакте жидкой и твердой фаз и определить краевой угол смачивания на границе контакта полярной и неполярной фаз.
Перед выполнением работы необходимо изучить по паспорту конструкцию бинокулярного или монокулярного микроскопа, его технические характеристики, порядок подготовки к работе и проведению исследований.
Часть 1. Берем сухой чистый капилляр. Предварительно грушей создаем разряжение и опускаем капилляр открытым концом в дистиллированную воду. Засасываем в капилляр небольшое количество воды так, чтобы по длине капилляра образовалась протяженная капля с двумя четкими менисками на концах (рисунок 1).
Рисунок 1
Далее необходимо включить микроскоп, установить капилляр на диск-подставку так, чтобы капля находилась в центре диска. Выбрать самый короткий объектив 4/0,10, для чего повернуть револьверную головку микроскопа так, чтобы объектив оказался в центре напротив пучка света. Регулировочными винтами подвижного столика микроскопа подвести каплю к световому потоку под объектив и навести на резкость полученную картину мениска жидкости в капилляре. Для получения более контрастной картины необходимо регулировать яркость света или прикрыть диафрагму под столиком. Количественное измерение размеров микрообъектов проводят с использованием встроенной в окуляр линейной шкалы. Шкала представляет из себя 10 больших делений или 100 малых делений. Цена малого деления шкалы в абсолютных размерах зависит от типа объектива и коэффициента увеличения. В таблице 1 приведены данные по каждому типу объектива.
Таблица 1. Характеристики рабочих объективов микроскопа
| Тип объектива | Маркировка объектива | Увеличение | Цена малого деления (К) шкалы микроскопа, мкм |
| 4/0,10 | Красная полоса | ||
| 10/0,25 | Желная полоса | ||
| 40/0,65 | Синяя полоса | 2,5 |
Для измерения линейных размеров объекта необходимо поворотом окуляра совместить сетку шкалы с измеряемым отрезком-текущей высотой hi сферического сегмента от линии d до линии L мениска на рис.2 и подсчитать количество малых делений шкалы N, покрывающих этот отрезок. Расчет линейных размеров hi проводится по формуле:
hi=K*N,
где К –цена малого деления шкалы для выбранного объектива из таблицы 1.
Для определения точной формы мениска необходимо провести 4-5 измерений высоты мениска в различных точках окружности. Данные измерений записать в таблицу 2.
Таблица 2. Измерение формы мениска сферического сегмента
| N п/п | Тип объектива | Коэфф. К, мкм | Число малых делений шкалы, ед. | Высота мениска hi, мкм |
По данным таблицы 2 полученный мениск нанести на миллиметровую бумагу с учетом выбранного масштаба.
Вариант 1
Провести расчет краевого угла смачивания, для чего: циркулем по сегменту круга с известной хордой d=2r, равной внутреннему диаметру капилляра, восстановить полную окружность. Для этого по линии «а-б» на рисунке 2 перемещаем центр окружности и подбираем радиус до тех пор, пока полученная окружность не совпадет с дугой L нашего сферического сегмента мениска. Измеряем полученный радиус R и рассчитываем отношение r/R =d/2R. С учетом геометрических построений на рисунке 2, краевой угол есть угол между радиусом кривизны R и радиусом капилляра r.
Рисунок 2
Отсюда получаем, что r/R=Cos Q. Определяем краевой угол смачивания Q по формуле:
.
Вариант 2
Краевой угол смачивания можно определить аналитически по формуле:
,
где h – максимальная высота сферического сегмента мениска;
Сравнить полученные данные по 2-м вариантам определения угла Q.
По величине краевого угла в градусах сделать вывод о степени смачивания твердой поверхности.
Часть 2. Заполняем микрошприц без излы трансформаторным маслом в объеме не более 0,5 мл. Если используем иглу, то после заполнения шприца необходимо тщательно протереть иглу ватой или фильтровальной бумагой. Затем иглу микрошприца надо медленно ввести в центр водяной капли (рисунок 3) и выдавить каплю масла (неполярной фазы) с размером большим диаметра капилляра. По аналогии с первой частью далее измеряем краевой угол Q на границе «вода-масло».
Рисунок 3
После расчетов заполняем таблицу 3 полученных экспериментальных данных. По окончанию эксперимента выключить микроскоп, одеть на него защитный чехол и прибраться на столе.
Таблица 3
| Тип жидкости | d, мм | R, мм | Cos Q, доли ед. (вариант 1) | Cos Q, доли ед. (вариант 2) | Q, град (вар1.) | Q, град. (вар 2) |
| Дистил.вода | ||||||
| Трансформ.масло+вода |
Проанализировать полученные данные таблицы и сопоставить их с теорией.
Вопросы к зачету
1. Что такое капиллярное давление?
2. Что такое олеофобность и олеофильность?
3. Методы регулирования процессов смачивания.
4. Как влияет температура на смачиваемость?
5. Что такое инверсия смачиваемости?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
