5. Изучение физико-химических свойств флюидов

5.1 Плотность флюидов лабораторная работа №9

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТИ С ПОМОЩЬЮ ТЕНЗИОМЕТРА К – 11.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Определение плотности керосина и раствора хлористого кальция. Ознакомление с работой прибора К-11

ОПИСАНИЕ ПРИБОРА: Комплект тензиометра К-11 состоит из тензиометра с встроенным датчиком температуры, держателя сосуда пробы, диаметром 70 мм, панели управления и наборов для определения плотности и поверхностного натяжения. (Рис 5.1.1)

Рис 5.1.1. Тензиометр К-11.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ: Помимо измерения поверхностного или межфазного натяжения, тензиометр К11 позволяет определять плотность жидкостей. Поэтому, если нужно знать значение плотности для изме­рения методом кольца, то для этого не требуется дополнительного прибора. Все, что требу­ется для определения плотности, это набор для определения плотности, поставляемый по специальному заказу.

Это измерение основывается на том, что при плавании твердого тела в жидкости его вес уменьшается по сравнению с его весом в воздухе. Масса объема жидкости, вытесненной зондом, точно равна уменьшению веса. Если плотность зонда известна, то плотность жидко­сти можно определить по разнице весов зонда в воздухе и жидкости.

Для вычисления плотности служит формула:

(1)

(ρ_l - плотность жидкости; ρ_МВ - плотность зонда; G_mba - вес зонда в воздухе; G_mbl - вес зонда в жидкости)

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ:

1. Ввести пробу и ее название с клавиатуры

2. Подвесить держатель на крюк. Измерить вес.

3. Place the rot on the hook (повесить стержень на крюк). Установить шаблон на держатель. Измерить вес.

4. Remove the stick from the hook (снять шаблон с держателя). Снять шаблон.

5. Установить держатель как можно ближе к уровню жидкости.

6. Измерить вес держателя в жидкости. Searching (поиск). Сосуд с пробой движется вверх с заданной скоростью поиска до регистрации контакта держателя с поверхностью жидкости.

7. Установить шаблон в держатель. Измерить вес стержня и держателя в жидкости. Immersing (погружение). Автоматическое погружение держателя.

8. Finished (закончено). Автоматическое определение плотности жидкости. Данные высвечиваются на дисплее.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. На каком принципе основано измерение тензиометра?

2. В чем преимущества и недостатки метода измерения плотности жидкости тензиометром?

5.2 Поверхностное натяжение лабораторная работа № 10

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ НА ГРАНИЦЕ

РАЗДЕЛА ДВУХ ФАЗ МЕТОДОМ СЧЕТА КАПЕЛЬ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Определение коэффициента поверхностного натяжения () для различных растворов на водной основе на границе с нефтью и установление зависимости межфазного натяжения от рода жидкостей, концентрации веществ в растворах и температуры опыта.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ: Поверхностное натяжение определяется, как работа, затраченная на образование единицы площади новой поверхности жидкости в изотермических условиях или как избыток свободной энергии поверхностного слоя жидкости толщиной 1 м по сравнению с энергией слоя такой же толщины, взятого внутри жидкости. Величина измеряется в Дж/м /мДж/м/. Поверхностное натяжение можно рассматривать и как силу, отнесенную к единице длины, т.е. к 1 м линии, ограничивающей поверхность жидкости. Эта сила принимается за единицу поверхностного натяжения и в системе СИ выражается в Н/м. В практике добычи нефти необходимо знать _нв воды на границе с нефтью, нефти и воды на границе с газом _нг, _вг. Необходимо также знать, как измеряется _нв в зависимости от давления и насыщенности нефти газом.

Поверхностное натяжение чистой жидкости на границе с паром с повышением температуры уменьшается по зависимости:

(1)

где: _t и ₀ – поверхностное натяжение системы при температуре опыта при 0 град.С; _t - температурный коэффициент поверхностного натяжения, сохраняющий свойства константы при температурах вдали от критической точки; t – температура, град.С.

Поверхностное натяжение жидкости на границе с газом, с увеличением давления, понижается. Общий характер зависимости поверхностного натяжения нефти от давления на границе с газом остается таким же, как и для воды, но количественные изменения _нг – для нефти с увеличением давления зависят от многих дополнительных факторов /химического состава нефти, количества растворенного газа и его состава, природы полярных компонентов и их количества и т.д./. Чем выше растворимость газа, тем интенсивнее уменьшается поверхностное натяжение нефти с повышением давления.

Поверхностное натяжение дегазированной малополярной нефти на границе с водой в пределах давлений, встречающихся в промысловой практике, мало зависит от давления и температуры. При наличии в нефти водорастворимых полярных компонентов поверхностное натяжение ее на границе с водой может увеличиваться с ростом давления и температуры вследствие растворения этих компонентов в воде. Поверхностное натяжение на границе вода-нефть изменяется от 40 мДж/м до значений, меньших единицы. Верхний предел соответствует неактивным нефтям на границе с жесткими водами, нижний – высокоактивным нефтям на границе со щелочными пластовыми водами.

С увеличением давления _вн возрастает незначительно, и его изменениями при рассмотрении процесса разработки можно пренебречь. С увеличением температуры _вн уменьшается в зависимости от характеристики нефти (до 10 мДж/м и ниже). Поверхностное натяжение воды значительно снижается растворением в воде ПАВ (поверхностно-активных веществ).

Сложный характер имеет зависимость поверхностного натяжения нефти на границе с водой от давления и температуры в условиях насыщения нефти газом. В связи со значительной растворимостью газа в нефти _гн с увеличением давления насыщения будет уменьшаться интенсивнее, чем _вн,, поэтому с ростом давления увеличивается разница поверхностных натяжений нефти и воды на границе с газом и межфазное натяжение между ними с ростом температуры будет уменьшаться.

Поверхностное натяжение на границе двух жидкостей при измерении сталагмометрическим способом определяется по формуле:

(2)

где  - поверхностное натяжение на границе вода – исследуемая жидкость; k – постоянная прибора, которая зависит от формы капилляра, типа крана и бюретки; V₁, V₂ – объем жидкости в бюретке в начале и в конце опыта; ₁, ₂ – плотности воды и керосина; N – количество оторвавшихся от капилляра капель.

Для определения постоянной капилляра измеряют  на границе дистиллированная вода – керосин (бензол, толуол, вазелиновое масло, трансформаторное масло и др.). При этом плотность тарировочной жидкости берется из справочной литературы. Например, плотность керосина 0.781 г/см³, бензола – 0.897 г/см³. Постоянную прибора определяют по формуле:

(3)

где:  - поверхностное натяжение на границе «тарировочная жидкость дистиллированная вода» (межфазное натяжение» на границе с керосином 47.5 мН/м, с бензолом – 34,96 мН/м.

Рис. 5.2.1. Установка для определения поверхностного натяжения методом счета капель.

ОПИСАНИЕ ПРИБОРА: Сталагмометр – прибор для определения поверхностного натяжения /рис.18.1/. Поверхностное натяжение измеряется методом «счета капель» путем определения количества и объема выдавливаемых капель.

Прибор включает/рис.18.2/ измерительную бюретку /3/ с микро-краном /4/ и изогнутым капилляром /5/, установленной с помощью лапок /2/ в физическом штативе /1/. Дополнительным оборудованием может служить жидкостный термостат /8/ с электронным блоком /9/.

В бюретке /3/ находится углеводородная жидкость, а в стакане /7/ – жидкость на водной основе /вода, раствор соли или ПАВ и др./. Так как жидкости взаимно не смешиваются и отличаются по плотности, то образовавшаяся на конце капилляра капля стремится оторваться и всплыть на поверхность раздела фаз жидкость – воздух. Время формирования капли задается проходным сечением микрокрана с таким расчетом, чтобы образование до начала отрыва капли требовалось не менее 1 мин. Доказано экспериментально, что формирование поверхности раздела двух несмешивающихся жидкостей в форме капли происходит неравномерно: вначале процесс идет интенсивно, затем затухает и к концу первой минуты формирование пограничного слоя заканчивается. Еще одним важным условием для получения реального значения межфазного натяжения является условие предотвращения попадания истекающей жидкости на поверхность капилляра до погружения его в жидкость на водной основе. Для выполнения этого условия перед опытом при закрытом микрокране необходимо промыть конец капилляра жидкостью, не гидрофобизирующей поверхность капилляра.

Электронный блок /9/ позволяет изменять температуру и поддерживать ее на заданном уровне.

Рис. 5.2.2. Схема установки для определения поверхностного натяжения методом счета капель.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ:

Общий порядок выполнения работы будет зависеть от поставленной цели. Изучение влияния температуры на изменение межфазного натяжения на границе двух жидкостей. Опыт проводится для 3-5 значений температур с одними и теми же жидкостями.

1. Для заданных жидкостей при нормальной температуре определить постоянную прибора при определенном расходе жидкости через капилляр (устанавливается с помощью микро-крана, имея ввиду условия отрыва капли от капилляра, определяемые временем в 1-1,5 мин). При достижении заданного режима формирования и отрыва капли зафиксировать начальный объем жидкости в измерительной бюретке и конечный после отрыва десятой капли от капилляра.

2. Включить электронный блок и установить заданное значение температуры, определить межфазное натяжение по формуле

(4)

где: V_н, V_к – начальный и конечный объем жидкости в бюретке; _t – межфазное натяжение при заданное температуре; ₁ (t), ₂ (t) - плотности жидкостей в стакане и в бюретке для заданной температуры.

Плотность жидкости с учетом температурного расширения определяют по формуле

(5) (6)

где: ₀ – плотность жидкости при t =20 град.С и p = 0.1022 МПа; c_t – коэффициент температурного расширения жидкости. Например, для керосина c_t=0.00078 1/град. С, для воды 0.000257 1/град.С.

2. Значение температуры берется в интервале 20-40 град.С. При этом контролируется время отрыва капли / 1 мин/, количество капель /10/, измерения производятся только после достижения заданной температуры, о чем будет сигнализировать термореле.

4. Полученные при проведении опытов данные записать в табл. 5.2.1

5.Построить график зависимости _t от температуры опыта.

Изучение влияния рода жидкости (концентрации веществ) на межфазное натяжение. Проводятся опыты с различными жидкостями (концентрациями) при заданном значении температуры. Последовательность проведения опытов такая же, что и описанная выше /пп.1 и 2/. Полученные данные заносятся в табл. 5.2.1

По этим данным строится график зависимости _t от концентрации веществ.

Таблица 5.2.1

Данные лабораторных исследований

№ п/п	Темпера тура опыта t, 0 C	Начальная отметка V1,см3	Конечная отметка V2, см3	Плотность жидкости 1, кг/м3	Плотность жидкости 2 ,кг/м3	Количество капель N	Поверхно стное натяжение t, мн/м

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Что называют поверхностным натяжением?

2. Назвать единицы измерения поверхностного натяжения?

3. Как изменяются поверхностные натяжения в зависимости от температуры и концентрации веществ в жидкостях?

4. Роль поверхностного натяжения в нефтепромысловом деле.

5. Опишите порядок проведения лабораторной работы.

6. Как изменяется межфазное натяжение на границе нефть-вода, если ввести в воду ПАВ.

7. Дать определение адгезии.

8. Дать определение когезии.

9. Определить значение работы адгезии, если краевой угол смачивания породы 180⁰.

10. Определение инверсии смачиваемости.

11. В каком случае значение работы адгезии стремится к двойному значению межфазного натяжения на границе двух флюидов.