Капиллярность

В капиллярных порах горных пород зоны аэрации развиваются так называемые капиллярные явления, приводящие к подъему капиллярной воды на определенную высоту. Поверхность воды в этом случае приобретает вид мениска, обращенного выпуклостью вниз (рис. 2,3).

Рис.2. Схема капиллярного поднятия воды.

Рис. 3. Разновидности капиллярной воды: I – капиллярно – подвешенная вода; II – капиллярно-поднятая вода.

Силы поверхностного натяжения «ВВ» направлены при этом по касательной к шаровой поверхности мениска. Вертикальные составляющие СС силы поверхностного натяжения, суммируются в силу р, под действием которой вода в капилляре поднимается на высоту Н_к (мера капиллярности горных пород).

Высота капиллярного поднятия зависит от размера пор капилляров; гранулометрического состава пород зоны аэрации (табл. 3); формы частиц, плотности и однородности их сложения; удельного веса; температуры; минерализации и ионно-солевого состава воды.

С увеличением температуры уменьшается поверхностное натяжение и соответственно высота капиллярного поднятия. С увеличением минерализации возрастает поверхностное натяжение и, следовательно Н_к. Хлоридная натриевая вода поднимается выше, чем сульфатная натриевая при прочих равных условиях.

В связи с многочисленными факторами, влияющими на Н_к, верхняя поверхность капиллярной поймы является неровной.

Высота капиллярного поднятия определяется по формулам и опытным путем – в лабораторных условиях. Она прямо пропорциональна поверхностному натяжению и углу смачивания и обратно пропорциональна радиусу трубки (поры), плотности жидкости и ускорению силы тяжести:

Н_к = 2·σ·cоsα/r·ρ·g, см

σ – поверхностное натяжение, дин/см

α – угол между стенкой капилляра и силой «в»

r – радиус трубки (поры), см

ρ – плотность жидкости, г/см³

g – ускорение силы тяжести, см/сек²

При расчетах Н_к для воды при t⁰=0⁰С, σ = 75,6 дкм/см;

α = 0, ρ =1, g = 980 см/сек².

Для определения Н_к в песчано-глинистых порах существует формула Козени:

Н_к=0,446·((1-n)/ n*1/d_е)

n – коэффициент пористости

d_е – эффективный диаметр

При определении Н_к нефти в сухих песках пользуются формулой Е. Дифрови

Н_к = 700·σ·cоsӨ/ ρ_нd·n^2,3 ,

где Ө - угол контакта нефти с песком (обычно Ө = 0)

d – средний диаметр песчинок, мм

n – пористость песка, %

В лабораторных условиях Н_к определяется с помощью стеклянной трубки и капилляриметров (Г.Н. Каменского).

Таблица 3

Значения предельной высоты капиллярных поднятий

для некоторых горных пород

Вопросы:

1. Для чего необходимо знать гранулометрический состав?

2. Перечислите виды пористости и трещиноватости.

3. Как определить коэффициент густоты трещин и трещиноватости?

4. Расскажите закон Дарси.

5. Какая существует связь проницаемости горных пород с коэффициентом фильтрации?

6. Дайте краткую характеристику физическим и водным свойствам горных пород.