При каких условиях жидкость не смачивает поверхность. Явления смачивания

Из практики известно, что капля воды растекается на стекле и принимает форму, изображенную на рис. 98, в то время как ртуть на той же поверхности превращается в несколько сплюснутую каплю (рис. 99). В первом случае говорят, что жидкость смачивает твердую поверхность, во втором - не смачивает ее. Смачивание зависит от характера сил, действующих между молекулами поверхностных слоев соприкасающихся сред. Для смачивающей жидкости силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела больше, чем между молекулами самой жидкости, и жидкость стремится увеличить поверхность соприкосновения с твердым телом. Для несмачивающей жидкости силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела меньше, чем между молекулами жидкости, и жидкость стремится уменьшить поверхность своего соприкосновения с твердым телом.

Рис. 98 Рис. 99

К линии соприкосновения трех сред (точка О есть ее пересечение с плоскостью чертежа) приложены три силы поверхностного натяжения, которые направлены по касательной внутрь поверхности соприкосновения соответствующих двух сред (рис. 98 и 99). Эти силы, отнесенные к единице длины линии соприкосновения, равны соответствующим поверхностным натяжениям s 12 , s 13 , s 23 . Угол qмежду касательными к поверхности жидкости и твердого тела называется краевым углом. Условием равновесия капли (рис. 98) является равенство нулю суммы проекций сил поверхностного натяжения на направление касательной к поверхности твердого тела, т. е.

Из условия (67.1) вытекает, что краевой угол может быть острым или тупым в зависимости от значений ×s 13 и s 12 . Если s 13 > s 12 , то cos q > 0 и угол q- острый (рис. 98), т. е. жидкость смачивает твердую поверхность. Если s 13 < s 12 , то cos q < 0 и угол q- тупой (рис. 99), т. е. жидкость не смачивает твердую поверхность. Краевой угол удовлетворяет условию (67.1), если

Если условие (67.2) не выполняется, то капля жидкости 2 ни при каких значениях qне может находиться в равновесии. Если s 13 > s 12 + s 23 , то жидкость растекается по поверхности твердого тела, покрывая его тонкой пленкой (например, керосин на поверхности стекла), - имеет место полное смачивание (в данном случае q = 0). Если s 12 > s 13 + s 23 , то жидкость стягивается в шаровую каплю, в пределе имея с ней лишь одну точку соприкосновения (например, капля воды на поверхности парафина), - имеет место полное иесмачнвавяе (в данном случае q = p).

Смачивание и несмачивание являются понятиями относительными, т. е. жидкость, смачивающая одну твердую поверхность, не смачивает другую. Например, вода смачивает стекло, но не смачивает парафин; ртуть не смачивает стекло, но смачивает чистые поверхности металлов.

Явления смачивания и несмачивания имеют большое значение в технике. Напри мер, в методе флотационного обогащения руды (отделение руды от пустой породы) ее, мелко раздробленную, взбалтывают в жидкости, смачивающей пустую породу и не смачивающей руду. Через эту смесь продувается воздух, а затем она отстаивается. При этом смоченные жидкостью частицы породы опускаются на дно, а крупинки минералов «прилипают» к пузырькам воздуха и всплывают на поверхность жидкости. При механической обработке металлов их смачивают специальными жидкостями, что облегчает и ускоряет обработку.

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.

Смачивание или несмачивание поверхности твердого тела жидкостью также относится к поверхностным явлениям. При нанесении капли жидкости на твердую поверхность между молекулами жидкости и твердого тела возникают силы притяжения. Если эти силы притяжения больше, чем силы притяжения между молекулами жидкости, то капля жидкости растечется по поверхности, т.е. жидкость смачивает твердое тело. Если силы притяжения между молекулами жидкости больше, чем между молекулами жидкости и твердого тела, то жидкость не смачивает поверхность.

От степени смачивания (несмачивания) зависит форма капли. Угол, который образует капля жидкости с поверхностью, называется краевым углом смачивания. В зависимости от значений угла смачивания различают три основных вида смачивания.

1.Несмачивание (плохое смачивание) – краевой угол тупой, например, вода на тефлоне.

2.Смачивание (ограниченное смачивание) – краевой угол острый, например, вода на металле, покрытом оксидной пленкой.

3.Полное смачивание. Краевой угол не устанавливается, капля растекается в тонкую пленку, например, ртуть на поверхности свинца, очищенной от оксидной пленки.

Поверхность, которая смачивается водой, называется гидрофильной .

К веществам с гидрофильной поверхностью относятся алмаз, кварц, стекло, целлюлоза, металлы. Поверхности, смачиваемые неполярными жидкостями, являются гидрофобными , или олефильными. К ним относят поверхности графита, талька, серы, парафина, тефлона.

Поверхности можно искусственно придать свойство смачиваться какой-либо жидкостью. Например, для улучшения смачивания жирной поверхности водой к воде добавляют ПАВ. А для придания водоотталкивающих свойств смазывают маслом. Например, если поверхность стола смазать слоем растительного масла, то тесто не будет прилипать к столу. Этим и пользуются профессиональные кондитеры и пекари.

Смачивание играет важную роль при обогащении руд методом фтотации. Сущность этого процесса заключается в тосм, что мелко раздробленную руду, содержащую пустую породу, смачивают водой и добавляют ПАВ. Через полученную взвесь продувают воздух. Образующаяся при этом пена увлекает вверх не смачиваемые водой частицы ценного минерала, а смачиваемая водой пустая порода (песок) под действием силы тяжести оседает на дно.

Фтотацию применяют и в пищевой промышленности, например, крахмалопаточной. Основным сырьем для получения крахмала служит кукурузное зерно, содержащее, кроме крахмала, белок и жир. При пропускании через суспензию пузырьков воздуха частицы белка прилипают к ним и всплывают, образуя на поверхности легко удаляемую пену, а зерна крахмала оседают на дно.

Большое значение имеет смачивание при механической обработке материалов – резании, сверлении и шлифовке. Твердые тела пронизаны трещинами различной толщины. Под влиянием внешних нагрузок эти трещины расширяются и тело разрушается. При снятии нагрузки трещины могут «захлопываться». При механической обработке твердого тела в жидкости, смачивающей его, жидкость, попадая в микротрещины, препятствует их закрыванию. Поэтому разрушение твердых тел в жидкости

Идет легче, чем на воздухе.

Наличие на границах раздела фаз избыточной поверхностной энергии обусловливает стремление системы занять такое положение, при котором ее площадь поверхности минимальна. Поэтому термодинамически устойчивая форма капли жидкости - сфера, имеющая при данном объеме наименьшую площадь поверхности и, следовательно, минимальную поверхностную энергию. При контакте трех фаз, одна из которых твердая, стремление системы к минимуму поверхностной энергии проявляется через смачивание.

Если на поверхность твердого тела нанести каплю жидкости, то после наступления равновесия она приобретает линзообразную форму (рис. 3.7- а), обусловленную взаимодействием трех поверхностных натяжений: капли на границе с твердым телом , на границе капли с окружающей средой (жидкостью или газом) и на границе твердого тела с окружающей средой . После нанесения на поверхность капля будет растекаться по ней до тех пор, пока не наступит равновесие трех поверхностных натяжений.

Угол между поверхностью твердого тела и касательной к капле, имеющий вершину на линии раздела трех фаз, называется краевым углом смачивания и является мерой смачиваемости твердого тела жидкостью. Поверхность смачивается жидкостью, если <90° (рис. 3.7- б), и не смачивается жидкостью, если >90° (рис. 3.7- г), если краевой угол близок к 90°, то поверхность обладает нейтральной смачиваемостью (рис. 3.7- в).

На практике угол отсчитывают от касательной в сторону водной фазы, а смачиваемую водой поверхность ( <90°) называют гидрофильной, несмачиваемую ( >90°) - гидрофобной.

В естественных условиях породы-коллекторы неоднородны по смачиваемости. Часть поверхности пор гидрофильна, другая часть гидрофобна. Это объясняется сложным минералогическим составом пород, разнообразной структурой поверхности самих зерен минералов, возможностью изменения характера смачиваемости поверхности при ее контакте с нефтью и закачиваемыми водами. Чистая поверхность большинства минералов гидрофильна, но при адсорбции на ней активных асфальтосмолистых компонентов нефти поверхность может стать гидрофобной. Поэтому, характеризуя смачиваемость породы-коллектора, подразумевают ее преимущественную смачиваемость, т. е. какой жидкостью (водой или нефтью) она смачивается в большей степени. Преимущественную смачиваемость породы-коллектора оценивают на основании результатов капиллярной пропитки и гидродинамического вытеснения одной жидкости другой.

По углу избирательного смачивания, образующегося при контакте воды, нефти и породы можно судить о качестве вод и их отмывающей и нефтевытесняющей способностях. Лучше отмывают нефть воды, хорошо смачивающие породу.

Капиллярные эффекты.

Капиллярные эффекты (капиллярное давление и капиллярная пропитка) - поверхностные явления в пористых средах, возникающие вследствие наличия преимущественной смачиваемости поверхности поровых каналов.

Если капилляр привести в контакт со смачивающей его поверхность жидкостью, то стремясь сократить избыточную поверхностную энергию, жидкость начнет самопроизвольно двигаться по капилляру. В вертикальном капилляре жидкость будет подниматься до тех пор, пока поверхностные силы не будут уравновешены весом столба жидкости. Высоту столба жидкости можно охарактеризовать гидростатическим давлением, соответственно уравновешивающие его в капилляре поверхностные силы можно представить как капиллярное давление. Капиллярное давление р к связано с радиусом капилляра следующим соотношением:

Капиллярное давление выражает разность давления в смачивающей и несмачивающей фазах. Оно направлено в сторону несмачивающейся фазы. В зависимости от характера смачиваемости породы капиллярное давление может способствовать вытеснению нефти из породы или же препятствовать ему.

Рис. 3.8. Характер вытеснения нефти водой в гидрофобном (а) и гидрофильном (б) пластах

Под действием капиллярного давления смачивающая фаза может самопроизвольно впитываться в пористую среду, вытесняя из нее несмачивающую фазу.

Так как смачивающая жидкость обладает меньшей свободной поверхностной энергией, а мелкие поры - большей удельной поверхностью, то смачивающая и несмачивающая фазы самопроизвольно перераспределяются в пористой среде таким образом, чтобы смачивающая фаза занимала мелкие поры, а не смачивающая - крупные. При таком распределении фаз достигается минимум свободной поверхностной энергии. Явление, при котором смачивающая жидкость внедряется в пористую среду исключительно под действием капиллярных сил, называется капиллярной пропиткой.

На рис. 3.8 показан характер вытеснения нефти водой из гидрофобного и гидрофильного пластов. В гидрофобной породе вода как несмачивающая фаза движется по наиболее широким порам, а нефть - смачивающая фаза, покрывает поверхность зерен и остается в сужениях поровых каналов. Капиллярное давление, направленное в сторону несмачивающей фазы (воды), препятствует проникновению воды в мелкие поры, занятые нефтью. В гидрофильной породе вода под действием капиллярного давления вытесняет нефть из сужений в крупные поры. В них нефть после вытеснения остается в виде отдельных капель, окруженных водной фазой. Общее количество остаточной нефти в гидрофильных коллекторах значительно меньше по сравнению с гидрофобными. Особенно важную роль капиллярная пропитка играет в породах с сильно неоднородными коллекторскими свойствами и пористо-трещинноватых коллекторах.

Адсорбция.

Избыточную поверхностную энергию многофазной системы можно уменьшить путем снижения поверхностного натяжения за счет адсорбции на границах раздела фаз активных компонентов, содержащихся в жидкостях. Вещества, способные адсорбироваться на поверхности раздела фаз, называются поверхностно-активными (ПАВ). Молекулы этих веществ состоят из полярной и неполярной групп. Находясь на поверхности, они ориентируются таким образом, чтобы поверхностное натяжение на границе раздела фаз было минимальным. На поверхности раздела концентрируются компоненты, которые наиболее сильно снижают поверхностное натяжение, соответственно концентрация их в объеме фазы становится меньше. Поэтому под адсорбцией понимают самопроизвольное перераспределение компонентов на поверхности и в объеме фазы.

Нефть в той или иной степени содержит поверхностно-активные вещества - нефтяные кислоты, асфальтосмолистые вещества и др. Адсорбция их на поверхности породы может являться причиной ее гидрофобного характера смачиваемости.

Для повышения нефтеотдачи синтетические поверхностно-активные вещества (ПАВ) добавляют в закачиваемые в пласт воды, улучшая тем самым характер смачиваемости породы, снижая поверхностное натяжение и уменьшая действие поверхностных и капиллярных сил, препятствующих полному вытеснению нефти.

Похожая информация.

Главная » Полезно знать » При каких условиях жидкость не смачивает поверхность. Явления смачивания