что такое капиллярное давление

КАПИЛЛЯРНОЕ ДАВЛЕНИЕ

Капиллярное давление — гидростатическое давление крови в капиллярах. Прямым измерением величины К. д. в капиллярах показано, что в артериальном отделе капилляра давление выше, чем в венозном. За счет этой разницы в давлении создается определенная скорость движения крови через капилляр и обеспечивается возможность транскапиллярного обмена веществ, осуществляемого на основе фильтрации и абсорбции жидкости через капиллярную стенку (см. Капиллярное кровообращение, Микроциркуляция).

Движение жидкости через капиллярную стенку происходит за счет разности гидростатического давления крови и гидростатического давления окружающей ткани (так наз. эффективного гидростатического давления), а также под действием разности величин осмоонкотического давления крови и межклеточной жидкости.

При расчете фильтрационного давления следует учитывать, что перемещение плазмы или тканевой жидкости осуществляется в сторону меньшего гидростатического и большего осмотического давления. Поэтому в общем виде величина фильтрационного (Pф) давления (в мм рт. ст.) может быть вычислена по формуле:

Рф = (Pк — Pтк) — (πпл — πтк),

где величины Рк и Ртк — величины капиллярного давления крови и гидростатического давления тканевой жидкости; πпл и πтк — величины осмоонкотического давления плазмы крови в капилляре и тканевой жидкости.

При положительном значении величины фильтрационного давления (Рф>0) происходит фильтрация жидкости из капилляра, а при отрицательном (Рф Источник: Большая Медицинская Энциклопедия (БМЭ), под редакцией Петровского Б.В., 3-е издание

Источник

Капиллярные эффекты

Капиллярные эффекты — поверхностные явления в пористых средах, возникающие вследствие наличия преимущественной смачиваемости поверхности поровых каналов

Капиллярные эффекты (капиллярное давление и капиллярная пропитка) — поверхностные явления в пористых средах, возникающие вследствие наличия преимущественной смачиваемости поверхности поровых каналов.

Если капилляр привести в контакт со смачивающей его поверхность жидкостью, то стремясь сократить избыточную поверхностную энергию, жидкость начнет самопроизвольно двигаться по капилляру.
В вертикальном капилляре жидкость будет подниматься до тех пор, пока поверхностные силы не будут уравновешены весом столба жидкости.
Высоту столба жидкости можно охарактеризовать гидростатическим давлением, соответственно уравновешивающие его в капилляре поверхностные силы можно представить как капиллярное давление.
Капиллярное давление р_к связано с радиусом капилляра следующим соотношением:

Капиллярное давление выражает разность давления в смачивающей и несмачивающей фазах.
Оно направлено в сторону Iнамачивающейся фазы.
В зависимости от характера смачиваемости породы капиллярное давление может способствовать вытеснению нефти из породы или же препятствовать ему.
Под действием капиллярного давления смачивающая фаза может самопроизвольно впитываться в пористую среду, вытесняя из нее несмачивающую фазу.

Так как смачивающая жидкость обладает меньшей свободной поверхностной энергией, а мелкие поры — большей удельной поверхностью, то смачивающая и несмачивающая фазы самопроизвольно перераспределяются в пористой среде таким образом, чтобы смачивающая фаза занимала мелкие поры, а не смачивающая — крупные. При таком распределении фаз достигается минимум свободной поверхностной энергии.
Явление, при котором смачивающая жидкость внедряется в пористую среду исключительно под действием капиллярных сил, называется капиллярной пропиткой.

Характер вытеснения нефти водой в гидрофобном (а) и гидрофильном (б) пластах

На рисунке показан характер вытеснения нефти водой из гидрофобного и гидрофильного пластов.
В гидрофобной породе вода как несмачивающая фаза движется по наиболее широким порам, а нефть — смачивающая фаза, покрывает поверхность зерен и остается в сужениях поровых каналов.
Капиллярное давление, направленное в сторону несмачивающей фазы (воды), препятствует проникновению воды в мелкие поры, занятые нефтью.
В гидрофильной породе вода под действием капиллярного давления вытесняет нефть из сужений в крупные поры.
В них нефть после вытеснения остается в виде отдельных капель, окруженных водной фазой.
Общее количество остаточной нефти в гидрофильных коллекторах значительно меньше по сравнению с гидрофобными.
Особенно важную роль капиллярная пропитка играет в породах с сильно неоднородными коллекторскими свойствами и пористо-трещинноватых коллекторах.

Источник

Капиллярное давление

СОДЕРЖАНИЕ

Определение [ править ]

Капиллярное давление определяется как:

Уравнения [ править ]

Формулы капиллярного давления выводятся из соотношения давлений между двумя жидкими фазами в капиллярной трубке, находящимися в равновесии, что означает, что сила вверх = сила вниз. Эти силы описываются как: [1]

force up = interfacial tension of the fluid(s) acting along the perimeter of the capillary tube <\displaystyle <\text>> force down = (density gradient difference) x (cross-sectional area) x (height of the capillary rise in the tube) <\displaystyle <\text>>

Эти силы можно описать межфазным натяжением и углом контакта жидкостей, а также радиусом капиллярной трубки. Интересное явление, капиллярный подъем воды (как показано на рисунке справа), является хорошим примером того, как эти свойства объединяются, чтобы управлять потоком через капиллярную трубку, и как эти свойства измеряются в системе. Есть два общих уравнения, которые описывают соотношение силы вверх и вниз двух жидкостей в равновесии.

p c = 2 γ cos ⁡ θ r c <\displaystyle p_=<\frac <2\gamma \cos \theta >>>>

Формула снижения капиллярного давления выглядит так: [1]

p c = π r 2 h ( Γ w − Γ n w ) π r 2 = h ( Γ w − Γ n w ) <\displaystyle p_=<\frac <\pi r^<2>h(\Gamma _-\Gamma _)><\pi r^<2>>>=h(\Gamma _-\Gamma _)>

Приложения [ править ]

Микрофлюидика [ править ]

Капиллярное давление в микроканале можно описать как:

p c = − γ ( c o s θ b + c o s θ t d + c o s θ l + c o s θ r w ) <\displaystyle p_=-\gamma \left(<\frac +cos\theta _>>+<\frac +cos\theta _>>\right)>

Методы измерения [ править ]

Методы физических измерений капиллярного давления в микроканале до конца не изучены, несмотря на необходимость точных измерений давления в микрофлюидике. Основная проблема при измерении давления в микрофлюидных устройствах заключается в том, что объем жидкости слишком мал для использования в стандартных инструментах измерения давления. В некоторых исследованиях было представлено использование микрошариков, которые представляют собой датчики давления, изменяющие размер. Серво-обнуление, которое исторически использовалось для измерения артериального давления, также было продемонстрировано для предоставления информации о давлении в микрофлюидных каналах с помощью системы управления LabVIEW. По сути, микропипетка погружена в жидкость микроканала и запрограммирована так, чтобы реагировать на изменения в мениске жидкости.Смещение мениска жидкости в микропипетке вызывает падение напряжения, которое запускает насос, чтобы восстановить исходное положение мениска. Давление, оказываемое насосом, интерпретируется как давление внутри микроканала. [4]

Примеры [ править ]

Другим примером работы по месту оказания медицинской помощи, включающей конструктивный компонент, связанный с капиллярным давлением, является отделение плазмы от цельной крови путем фильтрации через пористую мембрану. Эффективное и большое отделение плазмы от цельной крови часто необходимо для диагностики инфекционных заболеваний, таких как тест на вирусную нагрузку ВИЧ. Однако эта задача часто выполняется с помощью центрифугирования, которое ограничено клиническими лабораторными условиями. Примером этого фильтрующего устройства в месте оказания медицинской помощи является фильтр с уплотненным слоем, который продемонстрировал способность разделять плазму и цельную кровь за счет использования асимметричных капиллярных сил в порах мембраны. [6]

Нефтехимическая промышленность [ править ]

Капиллярное давление играет жизненно важную роль в извлечении подземных углеводородов (таких как нефть или природный газ) из-под пористых пород-коллекторов. Его измерения используются для прогнозирования флюидонасыщенности коллектора и герметичности покрывающей породы, а также для оценки данных относительной проницаемости (способности флюида переноситься в присутствии второго несмешивающегося флюида). [7] Кроме того, было показано, что капиллярное давление в пористых породах влияет на фазовое поведение пластовых флюидов, таким образом влияя на методы добычи и извлечения. [8] Крайне важно понимать эти геологические свойства коллектора для его разработки, добычи и управления ( например, насколько легко добывать углеводороды).

Капиллярное давление, как это видно в нефтяной инженерии, часто моделируется в лаборатории, где оно регистрируется как давление, необходимое для замещения некоторой смачивающей фазы несмачивающей фазой для установления равновесия. [10] Для справки, капиллярное давление между воздухом и рассолом (которое является важной системой в нефтехимической промышленности) было показано в диапазоне от 0,67 до 9,5 МПа. [11] Существуют различные способы прогнозирования, измерения или расчета зависимости капиллярного давления в нефтегазовой отрасли. К ним относятся следующие: [7]

J-функция Леверетта [ править ]

J-функция Леверетта служит для определения взаимосвязи между капиллярным давлением и структурой пор (см. J-функцию Леверетта ).

Инъекция ртути [ править ]

Этот метод хорошо подходит для образцов породы неправильной формы ( например, найденных в буровом шламе) и обычно используется для понимания взаимосвязи между капиллярным давлением и пористой структурой образца. [12] В этом методе поры в образце породы вакуумируются, после чего ртуть заполняет поры при увеличении давления. Между тем, объем ртути при каждом заданном давлении регистрируется и приводится как распределение пор по размерам или преобразуется в соответствующие данные по нефти / газу. Одна из ловушек этого метода заключается в том, что он не учитывает взаимодействия жидкости с поверхностью. Однако весь процесс введения ртути и сбора данных происходит быстро по сравнению с другими методами. [7]

Метод пористой пластины [ править ]

Метод центрифуги [ править ]

Метод центрифуги основан на следующем соотношении между капиллярным давлением и силой тяжести: [7]

Центробежная сила по существу служит приложенным капиллярным давлением для небольших испытательных пробок, часто состоящих из рассола и масла. Во время процесса центрифугирования заданное количество рассола выталкивается из пробки при определенных центробежных скоростях вращения. Стеклянный флакон измеряет количество жидкости при ее вытеснении, и эти показания приводят к кривой, которая связывает скорость вращения с объемом дренирования. Скорость вращения коррелирует с капиллярным давлением по следующему уравнению:

p c = 7.9 e − 8 ( ρ 1 − ρ 2 ) ω 2 ( r b 2 − r t 2 ) <\displaystyle p_=7.9e^<-8>(\rho _<1>-\rho _<2>)\omega ^<2>(r_^<2>-r_^<2>)>

Основное преимущество этого метода заключается в том, что он быстрый (создание кривых в течение нескольких часов) и не ограничивается выполнением при определенных температурах. [13]

Другие методы включают метод давления пара, метод гравитационного равновесия, динамический метод, полудинамический метод и метод переходных процессов.

Корреляции [ править ]

В дополнение к измерению капиллярного давления в лабораторных условиях для моделирования резервуара нефти / природного газа, существует несколько соотношений для описания капиллярного давления с учетом конкретных пород и условий добычи. Например, Р. Х. Брукс и А. Т. Кори разработали соотношение для капиллярного давления во время дренажа нефти из нефтенасыщенной пористой среды, подвергающейся вторжению газа: [14]

p c g o = p t ( 1 − S o r S o − S o r ) ( 1 / λ ) <\displaystyle p_=p_(<\frac <1-S_>-S_>>)^<(1/\lambda )>>

Кроме того, Р.Г. Бентсен и Дж. Анли разработали корреляцию для капиллярного давления во время дренирования из пористого образца породы, в котором масляная фаза вытесняет насыщенную воду: [15]

p c o w = p t − p c s l n ( S w − S w i 1 − S w i ) <\displaystyle p_=p_-p_ln(<\frac -S_><1-S_>>)>

В природе [ править ]

Игольчатый лед [ править ]

В 1961 году Д.Х. Эверетт подробно остановился на исследованиях Табера и Бескова, чтобы понять, почему поровые пространства, заполненные льдом, продолжают расти. Он использовал принципы термодинамического равновесия, модель поршневого цилиндра для роста льда и следующее уравнение, чтобы понять замерзание воды в пористой среде (непосредственно применимо к образованию игольчатого льда):

С помощью этого уравнения и модели Эверетт отметил поведение воды и льда при различных условиях давления на границе твердое тело-жидкость. Эверетт определил, что если давление льда равно давлению жидкости под поверхностью, рост льда не может продолжаться в капилляр. Таким образом, при дополнительных тепловых потерях наиболее благоприятно, чтобы вода поднималась по капилляру и замерзала в верхнем цилиндре (поскольку игольчатый лед продолжает расти над поверхностью почвы). По мере увеличения давления льда возникает изогнутая граница раздела между твердым телом и жидкостью, и лед либо тает, либо восстанавливается равновесие, так что дальнейшая потеря тепла снова приводит к образованию льда. Общий,Эверетт определил, что морозное пучение (аналогичное образованию игольчатого льда) происходит в зависимости от размера пор в почве и энергии на границе раздела льда и воды. К сожалению, обратная сторона модели Эверетта состоит в том, что он не учитывал влияние частиц почвы на поверхность. [18] [19]

Система кровообращения [ править ]

Источник

Изучение структуры порового пространства коллекторов методами капиллярометрии

Для изучения структуры порового пространства капиллярных явлений использовались образцы керна из скважин Восточно-Таркосалинской (Р-18) и Холмистой (Р-666) площадей. Характеристики кернового материала приведены в табл. 1.

Таблица 1. Литолого-физическая характеристика образцов пород

Исследования капиллярных явлений в образцах проводились на американском групповом капилляриметре «CORE LABORATORIES» (СибНИИНП).

Коллекцию образцов, насыщенных водой с минерализацией 20 г/л, помещали в камеру высокого давления на полупроницаемую мембрану. Между керном и мембраной устанавливался капиллярный контакт через тонкую фильтровальную бумагу. Внутри камеры создавали давление, под действием которого азот проникал в поры и вытеснял воду. Давление поддерживали постоянным до прекращения поступления воды из капилляриметра. Процесс вытеснения ограничивался поровым давлением прорыва мембраны – 0.25 МПа. Заданные термобарические условия поддерживались в течение 2–3 месяцев. В результате проведенных экспериментов получены кривые капиллярных давлений (рис. 1). Шифр кривых соответствует образцам в таблице.

Рис. 1. Зависимость величины капиллярного давления от насыщенности порового пространства

По данным капилляриметрических измерений построены функции распределения пор по размерам и количеству пор, участвующих в фильтрации (рис. 2).

Рис. 2. Графики распределения пор по размерам (V/Vп) и долевое участие пор в фильтрации (Vж/Vп)

Анализ проведенных исследований свидетельствует о наличии тесной связи между капиллярным давлением, степенью насыщенности смачивающим флюидом и фильтрационно-ёмкостными свойствами (ФЕС) образцов пород.

Согласно теории капиллярных явлений, флюид удерживается капиллярными силами, которые зависят от свойств и структуры порового пространства. Чтобы вытеснить флюид даже из самых крупных капилляров, необходимо создать давление в вытесняющей фазе, причем с увеличением давления вытесняющая фаза будет проникать в капилляры всё меньшего радиуса. Процесс вытеснения завершится в тонких порах, силы капиллярного давления в которых очень высоки и увлажняющий флюид теряет свою подвижность.

На кривых капиллярного давления, полученных на высокопроницаемых образцах 2 и 3-го класса (по Ханину), выделяется плато, соответствующее типичному размеру крупных капилляров (кривые 4,5,7 на рис. 1). В этой области кривых при незначительном изменении давления градиент насыщенности высокий. С понижением ФЕС образцов пород плато уменьшается, кривые смещаются в сторону более высокой насыщенности (кривые 8, 9, 10, 11 на рис. 1). Для низкопроницаемых пород 5 класса (по Ханину) кривые капиллярного давления идут круто вверх (кривая 1 на рис. 1). Силы взаимодействия флюида с матрицей таких пород очень высоки, а зависимость насыщенности от давления незначительна (10–15% при 0.24 МПа).

Связь между капиллярным давлением и радиусом пор отражает поведение флюидов в поровом пространстве и определяется с учетом свойств флюидов и породы по известной формуле

Формула 1. Связь между капиллярным давлением и радиусом пор

где Рк — капиллярное давление; s — поверхностное натяжение на границе раздела фаз; Q — угол смачиваемости; Rк — радиус капилляра (поры).

Натяжение поверхности раздела для воды и нефти или воды и газа измеряется относительно просто на лабораторных установках. Определение угла смачиваемости проблематично. Значительное влияние на угол смачиваемости оказывают свойства различных минеральных составных частей природных коллекторов.

Систематические исследования Моррд и Мунчана показали, что зависимость капиллярного давления от угла смачивания для небольших его значений (от 0 до 49) практически не изменяется и только начиная с cosQ=73 град. отмечается небольшое уменьшение капиллярного давления. Поэтому при хороших условиях увлажнения, достаточно уверенно можно считать cosQ=1. В наших опытах экстракция образцов предопределяет их смачиваемость раствором NaCl (С=20 г/л). Обусловлено это тем, что систематические специальные исследования пород, залегающих ниже глубины 1500 м, показывают большую вероятность гидрофильности коллекторов.

Коллекция образцов, подобранная для капиллярных исследований, представлена крупно-, средне- и мелкозернистыми песчаниками в широком диапазоне проницаемостей. Наиболее существенным структурным отличием для исследования литологических разностей является процентное содержание пор в области значений r>20 мкм, по сравнению с мелкозернистыми коллекторами с близкими петрофизическими характеристиками.

Влияние структуры порового пространства на фильтрационные свойства пород-коллекторов обусловлено не только размерами пор, но и их взаимным расположением, степенью сообщаемости, удельным количеством тех или иных групп пор. Фильтрационные свойства пород при дальнейших расчетах рассматриваются как свойства самих пород независимо от фильтрующихся флюидов.

Расчет влияния структуры порового пространства на фильтрационные свойства производили по формуле Пурцелла

Формула 2. Расчет влияния структуры порового пространства на фильтрационные свойства

где Кпр — проницаемость; m — пористость; dS — доля пор, заполненных флюидами; Рк — капиллярное давление; Lр – трудноопределимый литологический фактор пористой среды, характеризующий отличие реальной породы от идеальной.

Для расчета проницаемости по формуле (2) значения Рк и dS определяли по данным капилляриметрических измерений. Произведение Lp·S·m было принято за постоянную величину, т.к. в него входит трудноопределимый параметр Lр. Такой подход к решению уравнения позволил определить долевое участие поровых каналов в фильтрационном процессе.

Полученные распределения долевого участия пор в фильтрации (рис. 2) свидетельствуют о том, что поры радиусом r>1 мкм для фильтрационных показателей не информативны, т.к. участие этих пор в процессе фильтрации жидкостей минимально. Причем кривые долевого участия пор в фильтрации и кривые капиллярного давления Rк = f (Sа) этих же образцов показывают, что из пор r2МПа). Такие поры не участвуют в фильтрационном процессе и их принято называть субкапиллярными.

В образцах с проницаемостью менее 4 мД доля субкапиллярных пор составляет более 60%. Коллекторы такого класса вряд ли представляют интерес для процессов интенсификации притоков физико-химическими способами.

В коллекторах 4–5 классов (по Ханину) доля субкапиллярных пор убывает с 60 до 20–30%. В породах 5 класса доля микропор радиусом 1

Автор: Клещенко И.И. (ООО ТюменьНИИГипрогаз) Кузнецов Н.П., Ягафаров А.К. (ЗАО ТННЦ) Лепнев Э.Н. (ТФ СургутНИПИнефть)

Источник