复 杂 液 滴 动 力 学

        液滴动力学是多相流热物理学的重要基础研究方向. 随着科学研究的逐步深入和工业技术的不断发展, 人们发现液滴的界面可由多种物质分子组成且可出现复杂的结构, 如石油工程中表面活性剂、固体颗粒等物质吸附于油水液滴界面, 细胞等生物液滴由具有复杂分子组成和结构的膜包裹等,固体颗粒及活性剂等组分吸附在液滴表面而形成复杂液滴,其动力学行为广泛存在于一些科学和工程领域,如医药运输及石油行业中的油水分离过程。研究发现复杂的分子组成和结构使液滴界面具有剪切弹性、面积扩张弹性、抗弯特性等显著不同于普通液滴表面张力的力学性质, 而复杂的界面力与流场黏性力、壁面物理化学吸附力等相互耦合导致液滴在流场中展现复杂的变形、运动、吸附等动力学行为。我们针对油-水及油-水-固界面微观特性、微纳油水液滴的动力学规律及纳米驱油开展了一些列的研究,已获得一些研究成果,发表多篇论文。

1.界面微观特性

        石油工程领域中,储层中孔喉的微纳尺度特性使得油-水、油-固界面作用凸显,同时沥青质等天然极性分子以及表面活性剂等添加剂在油-水、油-固界面及油-水-固三相接触线的吸附及迁移,会显著影响孔隙内油水流动。本课题组采用分子动力学方法,结合微观实验对具有特异物质吸附的油-水界面、油-固界面及三相接触线微观运动进行了研究,发现界面处分子构象及界面空隙会显著影响油-水界面特性,获得了壁面物理化学特性对油-固界面吸附特性的影响及壁面羟基化和粗糙度对三相接触线的影响规律,为进一步研究实际油藏中界面现象提供了基础。(详细内容可查看相关论文1~4)

图2 (a)原油驱替过程;(b)油-水-固三相接触线MD模型;(c)SDBS-癸烷-水界面平衡构象、界面空隙及界面SDBS分子构象

2.微纳油水液滴

        在超低渗透油藏提高采收率技术中,由于储层孔喉结构及流体组成极端复杂,孔喉道内的油水流动特性会呈现出鲜明特色(如存在高密度、高粘度的流体边界层,岩石壁面的物理化学作用显著、油水固接触线滑移、界面张力作用显著等),非线性渗流特征显著,基于达西渗流经典油藏开发理论难以适用,目前对超低渗透油藏的微纳孔隙多孔介质中多相流动特性的微观流动机理缺乏认识,限制了提高采收率理论与方法的发展。

图3物理模型及移动接触线模型示意图

        我们发展了基于全三维界面追踪法的直接数值模拟计算方法,能够考虑移动接触线问题;并搭建了微尺度流动实验平台,研究微通道内油水液滴变形、运动、破碎、吸附脱附等动力学规律,以及表面活性剂、纳米颗粒等异质组分吸附和复杂微通道结构对液滴动力学行为的影响规律及机理。(详细内容可查看相关论文5~6)

图3物理模型及移动接触线模型示意图

        我们还运用流动可视化技术和图像分析方法观察和分析剪切流场内不同分散相液滴的变形等行为,得到分散相液滴在剪切力作用下的三维形变,通过实验数据分析得到液滴变形等行为与剪切速率、界面张力、两相流体粘度比及液滴粒径等参数之间的关系,进一步加深对液滴的变形和运动等机理的认识,这对于工业生产和优化设备性能具有重要的指导意义。

3.纳米驱油

图5 纳米粒子

        随着纳米技术的不断发展和新型纳米材料的出现, 该技术在复杂地层的石油天然气开发领域获得广泛应用。纳米技术与现有提高采收率(EOR)技术融合集成,可解决传统EOR技术难以解决的许多问题,如波及效率低、费用昂贵、苛刻环境下的不适应性及潜在的储层伤害等。在化学驱油提高原油采收率方面,纳米材料的应用主要通过在入井工作液中添加纳米相颗粒或纳米复合材料来实现。

        纳米颗粒是指粒度在1—100nm之间的粒子由于其比表面积大,表面分子活性高,具有新异的物理化学特性。我们将针对纳米粒子在油藏内油-水/油-水-固界面上的行为及其对提高采收率的影响开展一系列的研究。目前用于研究的微观可视化岩心驱替实验平台正在筹备搭建。


相关论文:

1. 郑文秀,孙成珍,熊涛,吕小明,白博峰。壁面粗糙度对油-水-固三相接触线的影响, 工程热物理学报,已录用。
2. 温伯尧,孙成珍,车煜全,白博峰。十二烷基苯磺酸钠在癸烷-水界面吸附的MD模拟,工程热物理学报,已录用。
3. Zheng, W., & Bai, B. Water-Oil-Solid Three-Phase Contact Line on a Functionalized Graphite Surface, 5th Micro/Nanoscale Heat and Mass Transfer International Conference, Singopore, Jan 4-6th, 2016.
4. 温伯尧,孙成珍,白博峰。癸烷-水界面特性的MD模拟,2015工程热物理学会多相流年会,南京,2015年11月13-16日.
5. He L, Luo ZY, Xu F, et al. Effect of flow acceleration on deformation and adhesion dynamics of captured cells[J]. Journal of Mechanics in Medicine and Biology, 2013, 14(2): 1340002 (SCI: 245FB; EI: 20134616961708).
6. Shang XL, Bai BF. Three-dimensional simulation on displacement of droplet adhered on a solid wall using a front-tracking method. oint Conference of 5th UK-China and 13th UK Particle Technology Forum, Leeds, UK, July 12-15, 2015