Поверхностные явления и свойства пластовых систем оказывают влияние на формирование нефтяных и газовых месторождений, они так же оказывают влияние на процесс извлечения углеводородов из пласта, нефтеотдачу пластов. Для характеристики поверхностно – молекулярных свойств системы используют параметры: поверхностное натяжение, смачивание, краевой угол смачивания.

Поверхностное натяжение. По поверхностному натяжению жидкости в пласте-коллекторе можно делать заключение о свойствах соприкасающихся фаз, закономерностях их взаимодействия, процессах адсорбции, количественном и качественном составе полярных компонентов в жидкости, интенсивности капиллярных сил. Поверхностное натяжение жидкости зависит от её температуры и давления, а так же среды окружающей данную жидкость (газ, другая жидкость).

Σ_t = σ₀ (1 – γТ),

где σ_t и σ₀ – поверхностное натяжение системы при температуре Т и 0⁰С, γ – температурный коэффициент поверхностного натяжения.

Поверхностное натяжение жидкости на границе с газом с увеличением температуры и давления уменьшается, что связано с ослаблением межмолекулярных сил, уменьшением свободной поверхностной энергии, растворением газа в жидкости (рис. 5.1). Для нефти эти характеристики так же справедливы, однако они зависят от состава нефти, количества растворенного в ней газа и его состава и могут быть более интенсивны, чем для воды, в связи с большей растворимостью газа в нефти.

Рис.5.1. Форма капли, обусловленная

поверхностным натяжением

Поверхностное натяжение нефти на границе с водой слабо зависит от давления и температуры, но может уменьшаться с ростом давления и температуры, вследствие растворения в воде компонентов нефти. Поверхностное натяжение нефти на границе с газом уменьшается с ростом давления и температуры интенсивнее, чем для воды, в связи с большей растворимостью газа в нефти.

Смачивание и краевой угол. Величину поверхностного натяжения жидкости оценивают по величине угла θ касательной, проведенной к капле жидкости, у её основания, нанесенной на породу (рис. 5.1). Чем выше смачивающая способность жидкости, тем меньше угол θ.

 Угол θ служит мерой смачивания жидкостями твердого тела. Угол не зависит от величины капли и определяется молекулярными свойствами поверхности твердого тела и соприкасающейся жидкости. Высокополярные жидкости с высоким поверхностным натяжением хуже смачивают твердую поверхность. Например, ртуть смачивает только некоторые металлы; вода, кроме металлов, смачивает многие минералы. Кварц, известняк и другие нефтесодержащие породы гидрофильны (смачиваемы водой). Однако присутствие в породах нефти делает породы гидрофобными (не смачиваемыми или плохо смачиваемыми водой).

Воду в нефтепромысловой технологии применяют для вытеснения нефти. Поэтому она должна иметь высокие нефтеотмывающие свойства и хорошо смачивать породу. Величина угла смачивания зависит от механического строения поверхности, адсорбционных свойств породы, состава и свойств жидкости, загрязнения, электрического заряда. С увеличением давления и температуры угол смачивания изменяется. При этом изменения давления и температуры будут по-разному воздействовать на смачиваемость породы.

При полном смачивании при отрыве жидкости от смачиваемого тела, происходит разрыв жидкости, а не ее отрыв от поверхности. При полной несмачиваемости жидкостью поверхности тела, на отрыв жидкости не затрачивается работа. Следовательно, по величине работы, необходимой для отрыва жидкости от поверхности тела, можно судить о смачиваемости или натяжении смачивания. Такая работа носит название работы адгезии. При смачивании твердого тела жидкостью выделяется тепло, теплота смачивания.

Адгезию и теплоту смачивания определяют экспериментально.

При неустановившихся процессах на поверхности раздела фаз угол смачивания будет зависеть от направления движения и скорости в капиллярных каналах (рис. 5.2).

При передвижении по твердой поверхности трехфазной границы раздела фаз смачиваемость характеризуют кинетическим гистерезисом смачивания (изменением угла смачивания). При вытеснении нефти водой угол θ₂   называют наступающим, вытеснении воды нефтью - θ_1,2 отступающим. С увеличением скорости вытеснения нефти водой наступающий угол смачивания возрастает и может стать значительно больше 90⁰ .

Рис. 5.2. Схема изменения углов смачивания при изменении

направления движения мениска в капиллярном канале

Гистерезис обусловлен прочностью сцепления молекул соприкасающихся фаз.

При вытеснении из пор нефти, воде приходится удалять адсорбированные твердой поверхностью породы полярные компоненты нефти, на что необходима дополнительная энергия. Это и обуславливает разность наступающего и отступающего углов.

Свойства поверхностных слоев жидкости. Слои жидкости у поверхности раздела фаз отличаются по своим свойствам от основной массы жидкости. Это обусловлено поляризацией молекул жидкости с образованием ориентированных молекул. Эти слои отличаются структурой, плотностью, повышенной вязкостью, упругостью на сдвиг. Они могут образовывать гелеобразные структуры. В состав поверхностных слоев нефти входят нафтеновые кислоты, низкомолекулярные смолы, коллоидные частицы, микрокристаллы парафинов, частицы минеральных и углеродных суспензий.

Особые структурно-механические свойства поверхностных слоев системы учитываются при планировании технологии вытеснения нефти водой или специальными отмывающими составами.