Рогачев Е.А.1, Зимин С.М.2
1 – ФГБОУ ВО ОмГТУ, Россия, г. Омск, пр-т Мира, д. 11
2 - БОУ г. Омска "Лицей № 66", г. Омск, ул. Красный Путь, 22А
Эффективность нефтедобычи зависит от смачиваемости пароды нефти, чем она меньше, тем легче нефть от нее отделяется. В процессе нефтедобычи для извлечения нефти в скважину нагнетается вода, в результате происходит изменение поверхностного натяжения добываемого сырья, что приводит к изменению смачиваемости породы смесью.
Существуют различные методы определения величины поверхностного натяжения жидкости, однако большинство из них основаны на явлении когезии, суть которого заключается в наличии взаимодействия между молекулами одного вещества. Но, так как смачиваемость связана с действием сил адгезии, то есть сил взаимодействия молекул различных веществ, в данной работе предлагается другой способ, а именно способ, основанный на преодолении силы адгезии между молекулами жидкости и молекулами стального кольца путем контролирования силы его отрыва.
Итак, целью данной работы является изучение взаимосвязи смачиваемости смеси воды с нефтью и соотношения доли ее компонентов.
Задачи исследования: изучить методику определения поверхностного натяжения методом отрыва кольца; определить данным методом величину поверхностного натяжения смеси воды и нефти; установить зависимость поверхностного натяжения смеси от концентрации нефти.
Сырая нефть является достаточно токсичным материалом, в связи с этим образец для исследования был недоступным. Поэтому, в данной работе нефть была заменена на растительное масло, так как оно имеет близкое к нефти значение плотности и вязкости.
Явление повернхностного натяжение достаточно распространено в природе. Благодаря ему вода на поверхности листьев и цветков сворачивается в каплю, а также ходит по воде паук-водоплавка.Природа сил поверхностного натяжения заключается в том, что молекулы жидкости не имеют с одной стороны соседей в виде таких же молекул. А между молекулами, относящихся к одному и тому же веществу, существует сила взаимного притяжения, это называется когезия (рис. 1).
Рис. 1. Иллюстрация действия сил межмолекулярного взаимодействия в различных областях жидкости.
Характеристикой межмолекулярного взаимодействия является коэффициент поверхностного натяженияσ, который определяется двумя способами. В соответствии с первым способом, под коэффициентом поверхностного натяжения подразумевают энергию, необходимо затратить, для того чтобы увеличить площадь поверхности жидкости на единицу.
(1)
где Wп – потенциальная энергия взаимодействия молекул, S–площадь поверхности раздела жидкости.
По другому способу, под σ подразумевают силу притяжения между молекулами поверхности жидкости, приходящуюся на единицу длины поверхности.
Способ определения величины поверхностного натяжения методом отрыва кольца заключается в измерении силы упругости, возникающей в пружине, удерживающей кольцо, погруженное в исследуемую жидкость. Для этого, предварительно строится калибровочный график зависимости удлинения пружины от величины прикладываемой нагрузки. Она обеспечивается грузиками известной массы. Внешний вид установки представлен на рис. 2.
Рис. 2. Экспериментальная установка по определению коэффициента поверхностного натяжения.
Объектами исследования были эмульсии масла в воде, концентрацией 1.5%, 5%, 40%, 60%. Измеренное значение коэффициента поверхностного натяжения чистой воды, составило 68 мН/м, что на 7% отличается от теоретического значения. Это свидетельствует о корректности полученных результатов.
В ходе измерений установлена зависимость коэффициента поверхностного натяжения эмульсии от концентрации масла. Указанная зависимость представлена на рис. 3.
Рис. 3 Экспериментальная зависимость коэффициента поверхностного натяжения эмульсии от концентрации масла.
Установленная зависимость описывается степенной функцией. Данная зависимость показывает, что для повышения выхода нефти из породы за счет действия сил поверхностного натяжения требуется значительная доля воды, что приводит к удорожанию процесса. В связи с этим, для повышения смачиваемости породы целесообразно вместе с водой добавлять поверхностно-активные вещества.
Таким образом, в ходе данной работы было изучено явление поверхностного натяжения и смачивости, которые не входят в школьный курс по физике, химии. Адаптирована методика измерения поверхностного натяжения методом отрыва кольца к исследованию эмульсии. Установили, что величина поверхностного натяжения воды больше, чем у масла (нефти), следовательно, вода будет лучше смачивать почву, а значит вытеснять из нее нефть. Установили, что коэффициент поверхностного натяжения смеси уменьшается с увеличением концентрации масла по степенному закону.
Особенностью данного метода является возможность моделирования реального взаимодействия молекул смеси с материалом почвы, путем ее нанесения на кольцо, что позволит провести исследования, по условиям ближе к полевым.