Капиллярные явления

Содержание

Введение_________________________________________________________2

1. Капиллярные явления______________________________________________3
2. Роль капиллярных процессов при вытеснении нефти водой из пористых

сред _____________________________________________________________7

3. Использование теории капиллярных явлений для установления

зависимости нефтеотдачи от различных факторов______________________10

4. Зависимость нефтеотдачи от скорости вытеснения нефти водой__________12
5. Структурные  модели пористых материалов                   
1. Структура пористых сред__________________________________14
2. Макро- и микронеоднородности пористых сред_______________17
3. Капиллярные модели пористых сред ________________________20
4. Решеточные капилляры пористых сред_______________________22

Список литературы_________________________________________________28

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

    Капиллярность (от лат. capillaris — волосяной), капиллярный эффект — физическое явление, заключающееся в способности жидкостей изменять уровень в трубках, узких каналах произвольной формы, пористых телах. Поднятие жидкости происходит в случаях смачивания каналов жидкостями, например воды в стеклянных трубках, песке, грунте и т. п. Понижение жидкости происходит в трубках и каналах, не смачиваемых жидкостью, например ртуть в стеклянной трубке.

   Благодаря капиллярности возможны жизнедеятельность животных и растений, различные химические процессы, бытовые явления (например, подъём керосина по фитилю в керосиновой лампе, вытирание рук полотенцем). Капиллярность почвы определяется скоростью, с которой вода поднимается в почве и зависит от размера промежутков между почвенными частицами.

    Капиллярами называются тонкие трубки, а также самые тонкие сосуды в организме человека и других животных

    Капиллярный эффект используется в неразрушающем контроле (капиллярный контроль или контроль проникающими веществами) для выявления дефектов, имеющих выход на поверхность контролируемого изделия. Позволяет выявлять трещины с раскрытием от 1 мкм, которые не видны невооруженным глазом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Капиллярные явления

    Капиллярные явления - поверхностные явления на границе жидкости с др. средой, связанные с искривлением ее поверхности. Искривление поверхности жидкости на границе с газовой фазой происходит в результате действия поверхностного натяжения жидкости, которое стремится сократить поверхность раздела и придать ограниченному объему жидкости форму шара. Поскольку шар обладает минимальной поверхностью при данном объеме, такая форма отвечает минимуму поверхностной энергии жидкости, т.е. ее устойчивому равновесному состоянию. В случае достаточно больших масс жидкости действие поверхностного натяжения компенсируется силой тяжести, поэтому маловязкая жидкость быстро принимает форму сосуда, в который она налита, а ее своб. поверхность представляется практически плоской. 
    В отсутствие силы тяжести или в случае очень малых масс жидкость всегда принимает сферическую форму (капля), кривизна поверхности которой определяет мн. свойства вещества. Поэтому капиллярные явления ярко выражены и играют существенную роль в условиях невесомости, при дроблении жидкости в газовой среде (или распылении газа в жидкости) и образовании систем, состоящих из многих капель или пузырьков (эмульсий, аэрозолей, пен), при зарождении новой фазы капель жидкости при конденсации паров. пузырьков пара при вскипании, зародышей кристаллизации. При контакте жидкости с конденсированными телами (другой жидкостью или твердым телом) искривление поверхности раздела происходит в результате действия межфазного натяжения. 

    В случае смачивания, например, при соприкосновении жидкости с твердой стенкой сосуда, силы притяжения, действующие между молекулами твердого тела и жидкости, заставляют ее подниматься по стенке сосуда, вследствие чего примыкающий к стенке участок поверхности жидкости принимает вогнутую форму. В узких каналах, например, цилиндрических капиллярах, образуется вогнутый мениск - полностью искривленная поверхность жидкости (рис. 1).

Рис. 1. Капиллярное поднятие на высоту h жидкости, смачивающей стенки капилляра радиуса r; q - краевой угол смачивания.

      Капиллярное давление. Так как силы поверхностного (межфазного) натяжения направлены по касательной к поверхности жидкости, искривление последней ведет к появлению составляющей, направленной внутрь объема жидкости. В результате возникает капиллярное давление, величина которого Dp связана со средним радиусом кривизны поверхности r₀ уравнением Лапласа:

Dp = p₁ - p₂ = 2s₁₂/r₀,                                                                                                        (1)

где p₁ и p₂ - давления в жидкости 1 и соседней фазе 2 (газе или жидкости), s₁₂ - поверхностное (межфазное) натяжение. 

     Если поверхность жидкости вогнута (r₀<0), давление в ней оказывается пониженным по сравнению с давлением в соседней фазе p₁ < р₂ и Dp < 0. Для выпуклых поверхностей (r₀ > 0) знак Dp изменяется на обратный. Отрицательное капиллярное давление, возникающее в случае смачивания жидкостью стенок капилляра, приводит к тому, что жидкость будет всасываться в капилляр до тех пор, пока вес столба жидкости высотой h не уравновесит перепад давления Dp. В состоянии равновесия высота капиллярного поднятия определяется формулой Жюрена:

                                                                               (2)

где r₁ и r₂ - плотности жидкости 1 и среды 2, g - ускорение силы тяжести, r - радиус капилляра, q - краевой угол смачивания. Для несмачивающих стенки капилляра жидкостей cos q < 0, что приводит к опусканию жидкости в капилляре ниже уровня плоской поверхности (h < 0). 

     Из выражения (2) следует определение капиллярной постоянной жидкости а = [2s₁₂/(r₁ — r₂)g]^1/2. Она имеет размерность длины и характеризует линейный размер Z [ а, при котором становятся существенными капиллярные явления Так, для воды при 20 °С а = 0,38 см. При слабой гравитации (g : 0) значение а возрастает. На участке контакта частиц капиллярная конденсация приводит к стягиванию частиц под действием пониженного давления Dp < 0.

    Уравнение Кельвина. Искривление поверхности жидкости приводит к изменению над ней равновесного давления пара р по сравнению с давлением насыщенного пара p_s над плоской поверхностью при той же температуре Т. Эти изменения описываются уравнением Кельвина:

                                                                                                      (3)

где   - молярный объем жидкости, R - газовая постоянная. Понижение или повышение давления пара зависит от знака кривизны поверхности: над выпуклыми поверхностями (r₀ > 0) p > p_s; над вогнутыми (r₀ < 0) р < р_s. . Так, над каплями давление пара повышено; в пузырьках, наоборот, понижено. 

     На основании уравнения Кельвина рассчитывают заполнение капилляров или пористых тел при капиллярной конденсации. Так как значения р различны для частиц разных размеров или для участков поверхности, имеющей впадины и выступы, уравнение (3) определяет и направление переноса вещества в процессе перехода системы к состоянию равновесия. Это приводит, в частности, к тому, что относительно крупные капли или частицы растут за счет испарения (растворения) более мелких, а неровности поверхности некристаллические тела сглаживаются за счет растворения выступов и залечивания впадин. Заметные различия давления пара и растворимости имеют место лишь при достаточно малых r₀ (для воды, например, при r₀ [ 0,1 мкм). Поэтому уравнение Кельвина часто используется для характеристики состояния коллоидных систем и пористых тел и процессов в них.

Рис. 2. Перемещение жидкости на длину l в капилляре радиуса r; q - краевой угол.

    Капиллярная пропитка. Понижение давления под вогнутыми менисками - одна из причин капиллярного перемещения жидкости в сторону менисков с меньшим радиусом кривизны. Частным случаем этого является пропитка пористых тел - самопроизвольное всасывание жидкостей в лиофильные поры и капилляры (рис. 2). Скорость vперемещения мениска в горизонтально расположенном капилляре (или в очень тонком вертикальном капилляре, когда влияние силы тяжести мало) определяется ур-нием Пуазёйля: 

                                                                                                                            (4)

где l - длина участка впитавшейся жидкости, h - ее вязкость, Dp - перепад давления на участке l, равный капиллярному давлению мениска: Dp = — 2s₁₂cos q/r. Если краевой угол q не зависит от скорости v, можно рассчитать количество впитавшейся жидкости за время t из соотношения:

l(t) = (rts₁₂cos q/2h)^l/2                                                                                                              (5)

Если q есть функция v, то l и v связаны более сложными зависимостями. 

     Уравнения (4) и (5) используют для расчетов скорости пропитки при обработке древесины антисептиками, крашении тканей, нанесении катализаторов на пористые носители, выщелачивании и диффузионном извлечении ценных компонентов горных пород и др. Для ускорения пропитки часто используют ПАВ, улучшающие смачивание за счет уменьшения краевого угла q. Один из вариантов капиллярной пропитки - вытеснение из пористой среды однойжидкости другой, не смешивающейся с первой и лучше смачивающей поверхность пор. На этом основаны, например, методы извлечения остаточной нефти из пластов водными растворами ПАВ, методы ртутной порометрии. Капиллярное впитывание в поры растворов и вытеснение из пор несмешивающихся жидкостей, сопровождающиеся адсорбцией и диффузией компонентов, рассматриваются физико-химической гидродинамикой. 

    Помимо описанных равновесных состояний жидкости и ее движения в порах и капиллярах, к капиллярные явления относят также равновесные состояния очень малых объемов жидкости, в частности тонких слоев и пленок. Эти капиллярные явления часто называют капиллярные явления II рода. Для них характерны, например, зависимостьповерхностного натяжения жидкости от радиуса капель и линейное натяжение. Капиллярные явления впервые исследованы Леонардо да Винчи (1561), Б. Паскалем (17 в.) и Дж. Жюреном (18 в.) в опытах с капиллярными трубками. Теория капиллярных явлений развита в работах П. Лапласа (1806), Т. Юнга (1804), А. Ю. Давыдова (1851), Дж. У. Гиббса (1876), И. С. Громеки (1879, 1886). Начало развития теории капиллярных явлений II рода положено трудами Б. В. Дерягина и Л. М. Щербакова.

2.Роль  капиллярных процессов при вытеснении  нефти водой из пористых сред

    Поровое пространство нефтесодержащих пород представляет собой огромное                   скопление капиллярных каналов, в которых движутся несмешивающиеся жидкости, образующие мениски на разделах фаз. Поэтому капиллярные силы влияют на процессы вытеснения нефти.

Как мы уже видели, позади водо-нефтяного контакта мениски создают многочисленные эффекты Жамена и препятствуют вытеснению нефти. Если среда гидрофильна, в области водонефтяного контакта давление, развиваемое менисками, способствует возникновению процессов капиллярного пропитывания и перераспределения жидкостей. Это связано с неоднородностью пор по размерам.

Капиллярное давление, развиваемое в каналах небольшого сечения, больше, чем в крупных  порах. В результате этого на водонефтяном контакте возникают процессы противоточной капиллярной пропитки — вода по мелким порам проникает в нефтяную часть пласта,

по крупным  порам нефть вытесняется в  водоносную часть. Интенсивность этого  процесса зависит от свойств пластовой  системы, а также от соотношения  внешних и капиллярных сил. Когда  внешние силы велики (т. е. когда перепад давления в пласте, под действием которого нефть вытесняется водой, достаточно высокий), фронт может передвигаться настолько быстро, что вследствие гистерезисных явлений в гидрофильном в статических условиях пласте, наступающие углы смачивания становятся близкими или больше 90°. При этом процессы капиллярного впитывания на фронте вытеснения затухают или исчезают совсем.    Однако в большинстве случаев (при закачке поверхностных пресных вод в пласт) эти процессы на фронте вытеснения нефти водой проявляются в той или иной степени, так как

реальные скорости продвижения водо-нефтяного контакта редко превышают 1—2 м в сутки.

     Кроме  упомянутых форм проявления, капиллярные  силы влияют на процессы диспергирования  и коалесценции нефти и воды  в пористой среде, на строение тонких слоев воды (подкладок) между твердым телом и углеводородной жидкостью и т. д. Следует отметить, что интенсивность проявления упомянутых капиллярных процессов

зависит в той  или иной степени от величины капиллярного давления, развиваемого менисками на границах раздела. И поэтому необходимо прежде всего установить, какие воды лучше вытесняют нефть из пласта: развивающие высокое капиллярное давление на границе с нефтью в пористой среде или слабое. Иначе говоря, необходимо

решить, какие воды следует выбирать для заводнения залежей: интенсивно впитывающиеся в нефтяную часть залежи под действием капиллярных сил или слабо проникающие в пласт.      Целесообразность такой постановки вопроса вытекает также из уже упоминавшегося предположения, что различную нефтеотдачу одной и той же пористой среды при вытеснении нефти водами различного состава получают вследствие неодинакового характера течения и интенсивности капиллярных процессов в зонах водо-нефтяного контакта и вымывания

нефти водой. Действительно, изменяя качества нагнетаемых в залежь вод, мы воздействуем на величину их поверхностного натяжения на границе с нефтью, смачивающие характеристики, а также вязкостные свойства. Это означает, что как бы ни менялись упомянутые свойства воды, мы воздействуем при этом прежде всего на комплексный параметр — капиллярные свойства пластовой системы (на величину и знак капиллярных давлений рк = 2а cos 0/r, развиваемых менисками в пористой среде, на направление течения процессов капиллярной пропитки и интенсивность капиллярного перераспределения жидкостей в пористой среде под действием капиллярных сил).

    Рассмотрим  далее представления различных  исследователей о механизме проявления  и роли капиллярных процессов  при вытеснении нефти водой  из пористых сред. В гидрофобных пластах, где мениски в каналах противодействуют вытеснению нефти водой, капиллярные силы вредны, так как нефтеотдача пластов под их влиянием уменьшается. Поэтому лучший

результат можно  получить, если нефть вытесняется  водой с низкими значениями межфазного натяжения при повышенных градиентах давлений. Значительно труднее определить роль капиллярных сил и механизм их проявления в гидрофильных породах (опыты по капиллярному пропитыванию водой естественных кернов, заполненных нефтью,

показывают, что большинство природных коллекторов нефти в той или иной степени избирательно лучше смачивается водой). Различные исследователи пришли к выводу, что роль капиллярных процессов на водо-нефтяном контакте в зависимости от геометрии потока и строения пород проявляется по-разному. Из результатов опытов многих исследователей, проводивших эксперименты с гидрофильными средами, следует, что капиллярныесилы в определенных условиях могут благоприятствовать вытеснению нефти водой из пластов. В лабораторных условиях, например, определили, что если ≪пласт≫ сложен однородными пропластками различной проницаемости, то капиллярные процессы пропитывания способствуют увеличению нефтеотдачи пластов в безводный период. Фронт воды быстрее продвигается по более проницаемому пласту 2. При этом вода под действием капиллярных сил и вертикального градиента давлений проникает в малопроницаемый пласт, вытесняя часть нефти из него, что способствует увеличению нефтеотдачи пласта по крайней мере в безводный период. Многочисленные лабораторные и промысловые наблюдения подтверждают возможность использования эффекта впитывания воды в нефтенасыщенные блоки для существенного увеличения извлекаемых запасов нефти из трещиновато-пористых коллекторов. Внешниегидродинамические силы в трещиновато-пористой среде с небольшой проницаемостью нефтенасыщенных блоков способствуют быстрому прорыву вод по трещинам в эксплуатационные скважины. Применение в этом случае вод с высокой способностью впитывания в нефтенасыщенную породу блоков в сочетании с медленной скоростью продвижения вод способствует увеличению нефтеотдачи трещиноватого коллектора под действием капиллярных сил. По результатам лабораторных исследований впитывающаяся в породу вода способна вытеснять до 50% нефти из блоков естественного известняка диаметром 6—7 см за 25—30 дней. С увеличением объема образцов темп и эффективность извлечения нефти значительно уменьшаются.