РОЗДІЛ 2
МОЛЕКУЛЯРНО-ПОВЕРХНЕВІ ПРОЦЕСИ У ПОРОВОМУ СЕРЕДОВИЩІ
Породи-колектори зазвичай є неоднорідними (гетерогенними) системами. Тверда складова представлена уламками мінералів різного генезису і цементувальним матеріалом, а поровий простір зайнятий пластовою водою або її залишком і вуглеводневими сполуками. На поверхні мінеральної маси внаслідок дії електростатичних сил утворюються поверхневі шари рідини, які мають аномальні фізичні властивості. Їх наявність та структурні особливості теоретично й експериментально обгрунтовані різними дослідниками [52, 53, 54, 56, 163, 206].
Граничний шар - це полімолекулярний шар рідини, який безпосередньо контактує з поверхнею твердої фази, а його властивості різко відрізняються від властивостей рідини в об'ємі [5, 20, 51, 57, 58, 76, 110, 221].
2.1. Взаємодія води з поверхнею порід
Експериментально багатьма дослідниками [42, 74, 75, 103 та ін.] встановлено, що адсорбційні властивості дуже чутливі до ступеня енергетичної неоднорідності порової поверхні. У зв'язку з цим природа взаємодії води з породою визначається характером фізико-хімічних особливостей мінерального середовища. Існують різні погляди на фізичну суть взаємодії води з поверхнею порід.
З точки зору авторів [62, 171, 244] у зв'язуванні води глинистими мінералами основну роль відіграють обмінні катіони. Енергетична неоднорідність глинистих мінералів зумовлена в основному енергетичною неоднорідністю обмінних катіонів. У той же час А.А. Роде [203] вважає, що роль обмінних катіонів є другорядною.
У працях Л.І. Кульчицького [89-91] висловлюється думка, що активними центрами адсорбції води на поверхні мінералів є іони кисню, з якими зв'язується безпосередньо вода. Ізотерми адсорбції води на неоднорідних поверхнях [106, 107] свідчать про те, що процес не завершується після того, як відбулася взаємодія перших молекул води. На поверхні глинистих мінералів він складається із двох процесів, які відрізняються між собою за характером взаємодії молекул води з поверхнею, тобто за фізичною суттю. Перший охоплює взаємодію з поверхнею перших молекул води (моношар), наступний - взаємодію інших молекул води з моношаром (полімолекулярна адсорбція). Відповідно до цього у науковій літературі довгий час був прийнятий розподіл води на міцнозв'язану і крихкозв'язану [4, 192, 219 та ін.]. Такий розподіл досить зручний у ході вивчення фізичної моделі електропровідності гірських порід [99]. Проте зазначена диференціація структури води у приповерхневому шарі є наближеною і враховує лише її гідродинамічну рухомість чи нерухомість. У інших публікаціях [3] допускається наявність трьох типів води: гігроскопічної, плівкової і вільної.
Вода у вільному стані характеризується енергетичною однорідністю молекул, які зв'язані між собою водневим зв'язком [17, 18, 60 та ін.]. Він може бути несиметричний, тобто гідроксильний.
Дійсно, багатьма дослідниками теоретично та експериментально доведено факт енергетичної неоднорідності адсорбованої води. Але природа, ступінь і характер зв'язку молекул води з різними енергетичними центрами поверхні таких адсорбційних систем, як, зокрема, глинисті мінерали, залишаються невиясненими. Існує чимало думок і способів трактування одержаних результатів [159, 160, 199 та ін.].
Одні дослідники [244] існування неоднорідної структури адсорбованої води пояснюють впливом гідратації обмінних катіонів, інші [88] - утворенням моно- і полішарів води, треті [159, 160] - енергетичною неоднорідністю поверхні. Автори [199, 210], застосувавши методи дегідратації, колориметрії та ядерно-магнітного резонансу (ЯМР) і використовуючи лише мономінеральні і моноіонні зразки глин, установили, що за ступенем зв'язування молекул води з катіонами існує катіонний ряд: Mg2+?Ca2+ ?K+?Na+.
Під час адсорбції води на каолініті [72, 73] відзначена анізотропія рухомості молекул адсорбованої води. Було висловлено припущення, що вона зумовлена утворенням водневих зв'язків з групою ОН? та атомами кисню поверхні каолініту. Таке пояснення узгоджується з уявленнями, висвітленими у праці [18].
Основними активними центрами адсорбції є групи ОН? базальних площин решітки глинистих мінералів. Перші молекули води притягуються до дна цієї комірки водневим зв'язком гідроксильної групи і починають здійснювати в ній теплові коливальні рухи вздовж осі комірки і перпендикулярно до неї. Унаслідок таких теплових рухів молекула води може переміститися з однієї комірки в іншу, що подібне на трансляційний рух молекул у рідині [208]. Відстань між центрами гексагональних комірок більша, ніж між молекулами води у вільному стані, тому адсорбовані в комірках молекули води розрізнені між собою, нездатні утворити водневий зв'язок і суцільний моношар.
Таким чином, на базальних площинах глинистих мінералів не може утворюватися плівка з нормальною для вільної води структурою. У вищезгаданих роботах незаперечно доведено відсутність суцільного моношару адсорбованих молекул води, причому структура адсорбованої води на монтморилоніті і каолініті різна, оскільки кристалохімічні особливості їхніх поверхонь різні [199].
Були виявлені також молекули води, які безпосередньо зв'язані лише з обмінними катіонами і належать до їхнього найближчого оточення. З підвищенням водонасичення в адсорбованому шарі починають відновлюватися зв'язки між молекулами води, і власне на цьому утворення просторової структури адсорбованої води завершується.
Дослідженнями [169, 170] доведено, що структуру адсорбованої води визначають зміни мінеральної поверхні. Яка модель мінеральної поверхні, такий і характер взаємодії води з нею, а отже, і модель адсорбованого шару.
Завершуючи короткий огляд експериментальних досліджень, присвячених вивченню структури адсорбованої води, можна виділити такі моделі взаємодії молекул води з поверхнею.
Модель гідратації обмінних катіонів [159, 160]. Навколо катіонів утворюються гідратні сфери, а їхня кількість залежить від енергії взаємодії окремих катіоні