Смачиваемость твердых тел жидкостями. Явления смачивания

На границе раздела жидкости с твердым телом возникают явления смачивания или несмачивания, обусловленные взаимодействием молекул жидкости с молекулами твердого тела:

Рис.1 Явления смачивания (а) и несмачивания (б) жидкостью поверхности твердого тела (— краевой угол)

Так как явления смачивания и несмачивания определяются относительными свойствами веществ жидкости и твердого тела, одна и та же жидкость может быть смачивающей для одного твердого тела и несмачивающей для другого. Например, вода смачивает стекло и не смачивает парафин.

Количественной мерой смачивания является краевой угол угол, образуемый поверхностью твердого тела и касательной, проведенной к поверхности жидкости в точке соприкосновения (жидкость находится внутри угла).

При смачивании и чем меньше угол тем сильнее смачивание. Если краевой угол равен нулю, смачивание называют полным или идеальным . К случаю идеального смачивания можно приближенно отнести растекание спирта по чистой поверхности стекла. В этом случае жидкость растекается по поверхности твердого тела до тех пор, пока не покроет всю поверхность.

При несмачивании и чем угол , тем сильнее несмачивание. При значении краевого угла наблюдается полное несмачивание. В этом случае жидкость не прилипает к поверхности твердого тела и легко скатывается с нее. Подобное явление можно наблюдать, когда мы пытаемся вымыть жирную поверхность холодной водой. Моющие свойства мыла и синтетических порошков объясняются тем, что мыльный раствор имеет меньшее поверхностное натяжение, чем вода. Большое поверхностное натяжение воды мешает ей проникать в мелкие поры и промежутки между волокнами ткани.

Явления смачивания и несмачивания играют важную роль в жизни человека. При таких производственных процессах, как склеивание, покраска, пайка очень важно обеспечить смачивание поверхностей. В то время, как обеспечение несмачивания очень важно при создании гидроизоляции, синтезе непромокаемых материалов. В медицине явления смачивания важны для обеспечения движения крови по капиллярам, дыхания и других биологических процессов.

Явления смачивания и несмачивания ярко проявляются в узких трубках - капиллярах .

Капиллярные явления

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Капиллярные явления - это подъем или опускание жидкости в капиллярах по сравнению с уровнем жидкости в широких трубках.

Смачивающая жидкость поднимается по капилляру. Жидкость, не смачивающая стенки сосуда, опускается в капилляре.

Высота h поднятия жидкости по капилляру определяется соотношением:

где коэффициент поверхностного натяжения жидкости; плотность жидкости; радиус капилляра, ускорение свободного падения.

Глубина , на которую опускается жидкость в капилляре, вычисляется по той же формуле.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Изогнутую поверхность жидкости называют мениском .

Под вогнутым мениском смачивающей жидкости давление меньше, чем под плоской поверхностью. Поэтому жидкость в капилляре поднимается до тех пор. пока гидростатическое давление поднятой в капилляре жидкости на уровне плоской поверхности не скомпенсирует разность давлений. Под выпуклым мениском несмачивающей жидкости давление больше, чем под плоской поверхностью, это приводит к опусканию жидкости в капилляре.

Капиллярные явления мы можем наблюдать и в природе, и в быту. Например, почва имеет рыхлое строение и между ее отдельными частицами находятся промежутки, представляющие собой капилляры. При поливе по капиллярам вода поднимается к корневой системе растений, снабжая их влагой. Также находящаяся в почве вода, поднимаясь по капиллярам. испаряется. Чтобы уменьшить эффективность испарения, тем самым сократив потери влаги, почву разрыхляют, разрушая капилляры. В быту капиллярные явления используются при промокании влажной поверхности бумажным полотенцем или салфеткой.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Или другой жидкости. Смачивание бывает двух видов:

• Иммерсионное (вся поверхность твёрдого тела контактирует с жидкостью)
• Контактное (состоит из трёх фаз - твердая, жидкая, газообразная)

Если жидкость контактирует с твёрдым телом, то существуют две возможности:

1. молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам твёрдого тела. В результате силы притяжения между молекулами жидкости собирают её в капельку. Так ведёт себя на стекле , вода на парафине или «жирной» поверхности. В этом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность;
2. молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам твёрдого тела. В результате жидкость стремится прижаться к поверхности, расплывается по ней. Так ведёт себя ртуть на цинковой пластине, вода на чистом стекле или дереве. В этом случае говорят, что жидкость смачивает поверхность.

ОПЫТ!

Если опустить стеклянную палочку в ртуть и затем вынуть ее, то ртути на ней не окажется. Если же эту палочку опустить в воду, то после вытаскивания на ее конце останется капля воды. Этот опыт показывает, что молекулы ртути притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам стек­ ла, а молекулы воды притягива­ ются друг к другу слабее, чем к молекулам стекла.

Если молекулы жидкости при­ тягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам твердого вещества, то жидкость называют смачивающей это вещество. Например, вода смачивает чистое стекло и не смачивает парафин. Если молекулы жидкости притя­гиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам твердого вещества, то жидкость называют не смачивающей это вещество. Ртуть не смачивает стекло, однако она смачивает чистые медь и цинк.

Расположим горизонтально плоскую пластинку из какого-либо твердого вещества и капнем на нее исследуемую жидкость. Тогда капля расположится либо так, как показано на рис.5(а), либо так, как показано на рис. 5(б).

Рис.5 (а) Рис.5(б)

В первом случае жидкость смачивает твердое вещество, а во втором - нет. Отмеченный на рис.5 угол θ называют краевым углом. Краевой угол образуется плоской поверхностью твердого тела и плоскостью, касательной к свободной поверхности жидкости, где граничат твердое тело, жидкость и газ; внутри крае­ вого угла всегда находится жидкость. Для смачивающих жидкостей краевой угол острый, а для не смачивающих - тупой. Чтобы дей­ ствие силы тяжести не искажало краевой угол, каплю надо брать как можно меньше.

Смачиваемость твердого тела жидкостью - это способность жидкости растекаться по поверхности твердого тела под влиянием поверхностно-молекулярных сил.

Контур капли на поверхности твердого тела, по которому происходит соприкосновение трех фаз - твердой, жидкой и газообразной, называется периметром смачивания. Поверхности по-ровых каналов пористых сред характеризуются значительной неоднородностью по смачиваемости. В этой связи о смачиваемости породы в целом различными жидкостями можно говорить лишь как об осредненном показателе, характеризующем лишь соотношение и геометрию участков с различной степенью смачиваемости.

Осредненную избирательную смачиваемость горной породы пластовыми жидкостями можно оценить по скорости впитывания воды в нефтенасыщенный керн. В этом случае измеряется лишь относительная смачиваемость породы (относительно смачивае-

мости другого образца породы, свойства поверхности которого считаются известными). Это связано с зависимостью скорости впитывания воды в пористую среду не только от величины углов смачивания, но и от многочисленных свойств породы, учет влияния которых затруднен.

Мерой смачивания твердого тела жидкостью служит краевой угол смачивания в, образованный поверхностью твердого тела и касательной к поверхности капли в точке ее соприкосновения с телом (рис. 7).

Рис. 7. Различные случаи смачивания твердого тела жидкостью: жидкость смачивает твердое тело (а); промежуточное состояние (б); жидкость не смачивает твердое тело (в); 1 - жидкость; 2 - воздух; 3 - твердое тело

Если краевой угол в < 90°, то жидкость смачивает твердую поверхность; если угол #>90°, то жидкость не смачивает твердую поверхность; если угол 0 = 90°, то жидкость находится в промежуточном состоянии.

Смачиваемая водой поверхность твердого тела, для которой в < 90°, называется гидрофильной. Не смачиваемая водой поверхность твердого тела, для которой в > 90°, называется гидрофобной. Смачивание происходит в результате проявления молекулярных сил, действующих на разделе трех фаз: твердой - 3, газообразной - 2, жидкой - 1. По способности жидкости смачивать породу судят о величине поверхностного натяжения в системе порода-жидкость-газ или порода-жидкость-жидкость.

При равновесии сил, приложенных к единице длины периметра смачивания, будем иметь

где Gj_ 2 , Gj_ 3 и G 2 _ 3 - поверхностные натяжения на границе фаз 1-2, 1-3, 2-3.

Горные породы, способные вмещать нефть, газ, воду и отдавать их при разработке, называются коллекторами. Большинство пород-коллекторов имеет осадочное происхождение. Нефть и газ содержатся в терригенных коллекторах, таких как пески, песчаники, алевролиты, и в карбонатных коллекторах - известняки, доломиты, мел.

Породы-коллектора должны обладать емкостью (рис. 8), т.е. системой пор (пустот), трещин и каверн.

Рис. 8. Поровое пространство в горной породе: 1 - минеральные зерна; 2 - поровое пространство породы, заполненное жидкостью или газом

Но не все породы, обладающие емкостью, являются проницаемыми для нефти и газа, т.е. коллекторами. Поэтому важно знать не только пористость коллекторов, но и проницаемость. Проницаемость горных пород зависит от поперечных (к направлению движения углеводородов) размеров пустот в породе.

Принято подразделять коллекторы на три типа: гранулярные, или поровые (только обломочные горные породы), трещинные (любые горные породы) и каверновые (только карбонатные породы).

Емкость перового коллектора называется пористостью. Для характеристики пористости применяется коэффициент пористости, который показывает, какую часть от всего объема горной породы составляют поры. По размерам поры делятся на сверхкапиллярные (более 508 мкм), капиллярные (508-0,2 мкм) и субкапиллярные (менее 0,2 мкм).

Нефть, газ и вода в сверхкапиллярных порах свободно перемещаются под действием гравитационных сил. В капиллярных порах движение нефти, газа и воды затруднено вследствие проявления сил молекулярного сцепления. В субкапиллярных порах движение нефти, газа и воды не происходит. В пласте движение нефти, газа и воды происходит по сообщающимся каналам размером более 0,2 мкм. Пористость подразделяют на общую, открытую и эффективную.

Общая пористость - это объем всех пор в породе. Коэффициент общей пористости представляется отношением объема всех пор Vj к объему образца породы V 2:

которые сообщаются между собой. Открытая пористость характеризуется коэффициентом открытой пористости £ no как отношение суммарного объема открытых пор V 0 к объему образца породы V 2 ".

Существует также понятие эффективной пористости, которая определяется наличием пор в породе, из которых нефть и газ могут быть извлечены при разработке. Коэффициент эффективной пористости К П ^ равен отношению объема пор У эф, через ко-

торые возможно движение нефти, газа и воды при определенных температуре и давлении, к объему образца породы V 2:

коэффициент пористости горных пород составляет от 17-25% до 40%.

Важным показателем, характеризующим свойства горной породы пропускать нефть, газ и воду, является проницаемость. Единица проницаемости 1 мкм 2 . Это проницаемость породы, при фильтрации через образец которой площадью 1 м 2 , длиной 1 м и перепаде давления 0,1 МПа расход жидкости вязкостью 1 МПа-с составляет 1 м 3 /с. Проницаемость зависит от размера и конфигурации пор, плотности укладки, трещиноватости и взаимного расположения частиц породы. Проницаемость трещиноватых известняков колеблется от 0,005 до 0,02 мкм, а песчаников - от 0,05 до 3 мкм 2 .

Пористость и проницаемость нефтегазоносных пластов часто значительно изменяется в одном и том же пласте. Величина пористости и проницаемости в значительной степени влияет на конечное нефтеизвлечение. В процессе разработки нефтяных месторождений с целью увеличения пористости и проницаемости проводят различные геолого-технические мероприятия, такие как кислотные обработки, гидроразрыв пласта, щелевая разгрузка, обработка пласта оксидатом и т.д.

Определение пористости и проницаемости нефтесодержа-щих пород проводят по материалам геофизических исследований, образцам керна, отбираемого в процессе бурения, и по результатам испытания скважин на приток. По проницаемости и пористости, согласно А.А. Ханину (таблица 6), выделяются шесть классов коллекторов.

Удержание скоплений нефти и газа в горных породах невозможно, если они не будут перекрыты непроницаемыми породами, которые называют покрышками. В качестве покрышек могут быть глины, соли, гипсы и ангидриды.

Таблица 6

Покрышки различают по характеру распространения, толщине, однородности сложения, плотности, проницаемости, минеральному составу. Различают региональные, субрегиональные, зональные и локальные покрышки.

Таблица 7.

Классификация покрышек по Э.А. Бакирову

Региональные покрышки имеют площадное распространение, характеризуются литологической выдержанностью и значи-

тельной толщиной. Они наблюдаются в пределах отдельных регионов (Волго-Уральская, Западно-Сибирская провинция и т.д.)

Зональные покрышки выдержаны в пределах отдельной зоны поднятий, по площади распространения они меньше региональных. Локальные покрышки встречаются в пределах место-скопления и обеспечивают сохранность отдельных залежей нефти и газа.

Большую роль в экранирующих свойствах покрышек играет степень их однородности. Наличие прослоев песчаников и алевролитов ухудшает свойство покрышек.

Чаще всего встречаются глинистые покрышки, обладающие хорошими экранирующими свойствами, а также каменная соль и т.д. Чем больше толщина покрышки, тем значительно выше ее изолирующие свойства.

Главная » Упражнения » Смачиваемость твердых тел жидкостями. Явления смачивания