Правило Антонова

Приведенные определения коэффициента поверхностного натяжения относятся, как правило, к поверхности жидкости на границе с воздухом или другим достаточно разряженным газом. Однако, очевидно, что на величину коэффициента поверхностного натяжения не может не влиять та среда, с которой граничит жидкость и степень взаимодействия ее молекул с молекулами поверхностного слоя жидкости. Так, коэффициент поверхностного натяжения воды на границе с воздухом при 0⁰С равен 0,075 Н/м, а на границе с ее насыщенным паром – 0,073 Н/м.

В нефтяном пласте можно выделить 6 поверхностей на границах раздела фаз:

· нефть – порода (sнп); · нефть – вода (sнв); · нефть - газ (sнг);

· газ – порода (sгп); · вода - порода (sвп); · вода - газ (sвг)

Для вычисления коэффициента поверхностного натяжения между двумя жидкостями можно воспользоваться правилом Антонова, которое проиллюстрировано на примере системы «вода-керосин» (рис.1.4.2).

Рис.2.4.2. Определение поверхностного натяжения на границе двух жидкостей по правилу Антонова.

Коэффициент поверхностного натяжения на границе двух жидкостей равен разности коэффициентов поверхностных натяжений этих жидкостей на границе с воздухом в условиях термодинамического равновесия и полного взаимного насыщения одной жидкости другой:

- коэффициент поверхностного натяжения на границе вода-керосин; - коэффициент поверхностного натяжения воды, насыщенной керосином, на границе с воздухом; - коэффициент поверхностного натяжения керосина, насыщенного водой, на границе с воздухом.

Из правила Антонова следует, что в каждом случае коэффициент поверхностного натяжения должен определяться экспериментально. Так, в приведенном примере по результатам экспериментальных данных = 47,6 мН/м. Эта величина, конечно, может быть вычислена приближенно по разности коэффициентов поверхностных натяжений каждой из жидкостей с воздухом, что даст: = 72,75-24 = 48,75 мН/м.

Поверхностное натяжение на границе двух фаз тем больше, чем больше разница в их полярности.

Поверхностное натяжение жидкостей зависит от температуры и давления (рис. 2.4.3 и 2.4.4).

Повышение температуры приводит к ослабеванию межмолекулярных связей и сил сцепления молекул, т.е. к уменьшению поверхностного натяжения в соответствии с зависимостью:

где - коэффициент поверхностного натяжения при 0⁰С, -температурный коэффициент поверхностного натяжения.

С увеличением давления поверхностное натяжение жидкости на границе со своим паром также понижается, что связано с растворением сжимаемого газа в жидкости и снижением свободной поверхностной энергии. Зависимость поверхностного натяжения для нефтей на границе с газом имеет аналогичный характер, но зависит от состава газа и нефти (рис. 2.4.4).

 

Рис.2.4.3. Зависимость коэффициента поверхностного натяжения от температуры.

 

Рис.2.4.4. Зависимость коэффициента поверхностного натяжения нефти от давления на границе с метаном при различной температуре: 1 – 20⁰С, 2 – 60⁰С; 3- на границе с этан -пропановой смесью.

Поверхностное натяжение на границе нефти с водой мало зависит от давления и температуры, по крайней мере, в пределах тех значений, которые встречаются в практике разработки нефтяных месторождений, т.к. если и изменяют силы межмолекулярного взаимодействия в жидкостях, то примерно одинаково интенсивно. Однако, следует учесть, что при растворении в нефти газа межфазное поверхностное натяжение между водой и нефью может существенно увеличиться, т.к. по мере растворения газа в нефти уменьшается поверхностное натяжение между ними, и, следовательно, по правилу Антонова увеличится разница поверхностных натяжений на границах «нефть-газ» и «вода-газ».