CN117310210B - 一种基于纳米力学的活性颗粒表面润湿性测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于纳米力学的活性颗粒表面润湿性测量方法，具体涉及表面润湿性测量技术领域。本发明通过将活性颗粒粘合在原子力显微镜的Tipless探针悬臂上制得球形探针，利用原油样品作为油相、预制的模拟地层水作为水相形成油水界面后，控制球形探针的移动，使得球形探针依次置于第一界面体系、第二界面体系和第三界面体系中，测量球形探针移动过程中的作用力变化曲线，确定活性颗粒脱离油水界面时克服油相粘附力所做的粘附功，并结合球形探针的半径和下降高度，计算得到油‑水‑活性颗粒体系的接触角，确定活性颗粒的表面润湿性。本发明实现了单个活性颗粒表面润湿性的精确测量，为指导纳米颗粒表面改性参数设计奠定了基础。

Description

一种基于纳米力学的活性颗粒表面润湿性测量方法

技术领域

本发明涉及表面润湿性测量技术领域，具体涉及一种基于纳米力学的活性颗粒表面润湿性测量方法。

背景技术

纳米流体驱油作为低渗/特低渗油藏提高采收率的重要方法之一，利用具有小尺寸、高表面活性等特性的纳米颗粒吸附到油水界面上，降低界面张力，改变油水两相间力学作用，促进油膜剥离。接触角是表征纳米颗粒表面润湿性的重要参数，在一定程度上决定了纳米颗粒调控界面力学作用的能力。

目前，常规测量方法只能测量纳米流体液滴整体在固体表面的接触角，无法测量纳米流体中单个纳米颗粒的表面润湿性，既而难以精确评价单个纳米颗粒的表面性能对纳米流体整体驱油性能的影响规律，从而无法揭示单个纳米颗粒对油、水、岩石所组成多相界面的微观调控机理。因此，亟需提出一种基于纳米力学的活性颗粒表面润湿性测量方法，实现对单个纳米颗粒润湿性的测量，为研究纳米颗粒对油水界面的调控提供依据。

发明内容

本发明旨在准确测量单个活性颗粒的润湿性，研究纳米颗粒润湿性对油水界面调控作用，提供了一种基于纳米力学的活性颗粒表面润湿性测量方法，实现了对单个活性颗粒表面润湿性的精确测量，为指导纳米颗粒表面改性参数设计和提高油藏采收率奠定了基础。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于纳米力学的活性颗粒表面润湿性测量方法，具体包括以下步骤：

步骤1，选取活性颗粒，利用胶黏剂将活性颗粒粘合到原子力显微镜的Tipless探针悬臂上，制得球形探针，利用扫描电子显微镜观察，获取球形探针的半径；

步骤2，选取原油样品作为油相，将原油样品滴在原子力显微镜的石英基底上形成油相界面后，利用液体探针夹固定球形探针，选取预先配制的模拟地层水作为水相，将模拟地层水注入原子力显微镜的O型圈所围成的密闭区域内形成水相界面，利用球形探针控制O型圈覆盖在油相界面上，形成油水界面；

步骤3，利用原子力显微镜观察确定油水界面位置后，控制球形探针下降，配合观察油水界面，直至油水界面发生扰动停止移动球形探针，此时活性颗粒整体仍处于水相中且活性颗粒的底部刚刚触碰到油水界面，得到第一界面体系，将球形探针静置于第一界面体系中，待第一界面体系稳定；

步骤4，控制球形探针继续下降，当活性颗粒部分浸入油相时，记录球形探针的下降高度并停止移动球形探针，得到第二界面体系，将球形探针静置于第二界面体系中，待第二界面体系稳定；

步骤5，控制球形探针上升，当活性颗粒完全脱离油水界面且活性颗粒整体处于水相时，得到第三界面体系，记录上升过程球形探针的受力情况得到作用力变化曲线，确定油相对活性颗粒的粘附力；

步骤6，对作用力变化曲线进行积分，确定活性颗粒脱离油水界面时克服油相粘附力所做的粘附功，得到第三界面体系与第二界面体系之间的能量差；

步骤7，利用界面张力仪测量油相与水相之间的界面张力，基于Young方程，结合球形探针的半径以及球形探针的下降高度，计算得到油-水-活性颗粒体系的接触角，确定活性颗粒的表面润湿性。

优选地，所述球形探针制备过程为：

将活性颗粒溶解在纯水中并进行超声分散，得到质量分数为0.05%的纳米流体，取纳米流体滴在石英基底上，将干燥后的石英基底置于原子力显微镜的载物台上，利用原子力显微镜观察石英基底上分散均匀的活性颗粒，并将胶黏剂滴在石英基底中央，利用原子力显微镜观察的同时控制Tipless探针悬臂蘸取胶黏剂后移动至活性颗粒上方，将活性颗粒粘贴在Tipless探针悬臂底端，制得球形探针。

优选地，所述活性颗粒为活性SiO₂颗粒，活性SiO₂颗粒的直径为26.1μm，胶黏剂为UHU胶水。

优选地，所述第一界面体系中活性颗粒整体仍处于水相中且活性颗粒的底部刚刚触碰到油水界面，第一界面体系中存在活性颗粒-水相界面和油相-水相界面；

所述第二界面体系中活性颗粒一部分处于水相中且另一部分处于油相中，第二界面体系中存在活性颗粒-油相界面、活性颗粒-水相界面和油相-水相界面；

所述第三界面体系中活性颗粒完全脱离油水界面且活性颗粒整体处于水相中，第三界面体系中存在活性颗粒-水相界面和油相-水相界面。

优选地，所述步骤7中，基于Young方程得到：

（1）

式中，为活性颗粒与水相之间的界面张力，为油相与水相之间的界面张 力，为活性颗粒与油相之间的界面张力，为接触角；

当活性颗粒吸附于油水界面形成第二界面体系时，得到第二界面体系的界面能为：

（2）

式中，为第二界面体系的界面能，为活性颗粒的表面积，为活性颗粒与油 相之间的接触面积；

当活性颗粒上升脱离油水界面完全置于水相形成第三界面体系时，得到第三界面 体系的界面能为：

（3）

式中，为第三界面体系的界面能，为活性颗粒脱离油水界面后在活性颗粒所 占据位置处重新形成油水界面的面积；

根据第二界面体系的界面能和第三界面体系的界面能之间的差值，结合 Young方程，得到活性颗粒脱离油水界面时克服油相粘附力所做的粘附功，如公式（4）所 示：

（4）

式中，为活性颗粒脱离油水界面时克服油相粘附力所做的粘附功；

利用界面张力仪测量得到油相与水相之间的界面张力，结合粘附功和球形 探针的半径，计算得到油-水-活性颗粒体系的接触角，如公式（5）所示：

（5）

式中，为油-水-活性颗粒体系的接触角，为球形探针的半径，为第一界面体 系变化至第二界面体系时球形探针的下降高度。

本发明所带来的有益技术效果：

1、本发明基于纳米力学实验方法，利用原子力显微镜观察移动单个活性颗粒，获取活性颗粒脱离油水界面过程中所受到的作用力，实现了对于单个活性颗粒表面润湿性的精确测量，实验操作简单易行。

2、本发明解决了现阶段难以准确测量单个活性颗粒表面润湿性的问题，相比于传统的纳米流体驱油效果测量方法（例如，测量纳米流体与油相之间的界面张力以及岩心驱替实验等宏观测量方法），本发明能够精确表征活性颗粒表面性质对于纳米流体性能的影响，有利于活性颗粒调控油水界面的微观机理研究，为提高低渗油藏、特低渗油藏的采收率提供了实验基础。

同时，本发明还有利于活性颗粒表面改性参数的设计，能够准确获取活性颗粒改性效果，为活性颗粒的精细化设计奠定了基础。

附图说明

图1为本发明一种基于纳米力学的活性颗粒表面润湿性测量方法的流程图。

图2为活性SiO₂颗粒脱离油水界面过程中的作用力变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

本实施例公开了一种基于纳米力学的活性颗粒表面润湿性测量方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1，选取活性颗粒，将活性颗粒溶解在纯水中并进行超声分散，得到质量分数为0.05%的纳米流体，取纳米流体滴在石英基底上，将干燥后的石英基底置于原子力显微镜的载物台上，利用原子力显微镜观察石英基底上分散均匀的活性颗粒，并将胶黏剂滴在石英基底中央，利用原子力显微镜观察的同时控制Tipless探针悬臂蘸取胶黏剂后移动至活性颗粒上方，将活性颗粒粘贴在Tipless探针悬臂底端，制得球形探针，并利用扫描电子显微镜观察，获取球形探针的半径。

步骤2，选取原油样品作为油相，将原油样品滴在原子力显微镜的石英基底上形成油相界面后，利用液体探针夹固定球形探针，选取预先配制的模拟地层水作为水相，将模拟地层水滴入原子力显微镜的O型圈所围成的密闭区域内形成水相界面，利用球形探针控制O型圈覆盖在油相界面上，形成油水界面。

步骤3，利用原子力显微镜观察确定油水界面位置后，控制球形探针下降，配合观察油水界面，直至油水界面发生扰动停止移动球形探针，此时活性颗粒整体仍处于水相中且活性颗粒的底部刚刚触碰到油水界面，得到包括活性颗粒-水相界面和油相-水相界面的第一界面体系，将球形探针静置于第一界面体系中，待第一界面体系稳定后，执行步骤4。

步骤4，控制球形探针继续下降，当活性颗粒一部分浸于水相另一部分浸于油相时，记录球形探针的下降高度并停止移动球形探针，得到包括活性颗粒-油相界面、活性颗粒-水相界面和油相-水相界面的第二界面体系，将球形探针静置于第二界面体系中，待第二界面体系稳定后，执行步骤5。

步骤5，控制球形探针上升，当活性颗粒完全脱离油水界面且活性颗粒整体处于水相时，得到包括活性颗粒-水相界面和油相-水相界面的第三界面体系，记录上升过程球形探针的受力情况得到作用力变化曲线，确定油相对活性颗粒的粘附力。

步骤6，将作用力变化曲线对位移进行积分，得到第三界面体系与第二界面体系之间的能量差，即活性颗粒脱离油水界面时克服油相粘附力所做的粘附功。

步骤7，利用界面张力仪测量油相与水相之间的界面张力，基于Young方程， 结合球形探针的半径以及球形探针的下降高度，计算得到油-水-活性颗粒体系的接触角， 确定活性颗粒的表面润湿性。

本实施例中，基于Young方程得到活性颗粒与水相之间的界面张力、油相与水相之间的界面张力、活性颗粒与油相之间的界面张力和接触角之间的关系，如公式（1）所示：

（1）

式中，为活性颗粒与水相之间的界面张力，为油相与水相之间的界面张 力，为活性颗粒与油相之间的界面张力，为接触角。

当活性颗粒吸附于油水界面形成第二界面体系时，得到第二界面体系的界面能为：

（2）

式中，为第二界面体系的界面能，为活性颗粒的表面积，为活性颗粒与油 相之间的接触面积。

当活性颗粒上升脱离油水界面完全置于水相形成第三界面体系时，得到第三界面 体系的界面能为：

（3）

式中，为第三界面体系的界面能，为活性颗粒脱离油水界面后在活性颗粒所 占据位置处重新形成油水界面的面积。

根据第二界面体系的界面能和第三界面体系的界面能之间的差值，结合 Young方程，得到活性颗粒脱离油水界面时克服油相粘附力所做的粘附功，如公式（4）所 示：

（4）

式中，为活性颗粒脱离油水界面时克服油相粘附力所做的粘附功。

利用界面张力仪测量得到油相与水相之间的界面张力，结合粘附功和球形 探针的半径，计算得到油-水-活性颗粒体系的接触角，如公式（5）所示：

（5）

式中，为油-水-活性颗粒体系的接触角，为球形探针的半径，为第一界面体 系变化至第二界面体系时球形探针的下降高度。

实施例2

本实施例以活性SiO₂颗粒为例，采用实施例1中所述的基于纳米力学的活性颗粒表面润湿性测量方法测量活性SiO₂颗粒的接触角，具体包括以下步骤：

步骤1，本实施例中活性颗粒选取上海阿拉丁生化科技股份有限公司生产的活性SiO₂颗粒，该活性SiO₂颗粒为经过改性的、直径为25μm的球形颗粒，将活性SiO₂颗粒溶解在纯水中并进行超声分散，得到质量分数为0.05%的纳米流体，取0.05~0.1mL的纳米流体滴在石英基底上并对石英基底进行干燥，将干燥后的石英基底置于原子力显微镜的载物台上，利用原子力显微镜观察石英基底上分散均匀的活性SiO₂颗粒后，将UHU胶水滴在石英基底中央，控制原子力显微镜的Tipless探针悬臂蘸取UHU胶水后移动至活性SiO₂颗粒上方，控制Tipless探针悬臂逐渐下降直至Tipless探针悬臂与活性SiO₂颗粒相接触，使得UHU胶水将活性SiO₂颗粒粘合到Tipless探针悬臂的底端，制得球形探针，再利用扫描电子显微镜观察，测量得到球形探针的半径为26.10μm。

步骤2，选取原油样品作为油相，取0.05~0.1mL的原油样品滴在石英基底上形成油相界面后，利用液体探针夹固定球形探针，选取预先配制的模拟地层水作为水相，将模拟地层水注入原子力显微镜的O型圈所围成的密闭区域内形成水相界面，利用球形探针控制O型圈覆盖在油相界面上，形成油水界面。

步骤3，利用原子力显微镜观察确定油水界面位置后，控制球形探针下降，配合观察油水界面，直至油水界面发生扰动停止移动球形探针，此时活性SiO₂颗粒整体仍处于水相中且活性SiO₂颗粒的底部刚刚触碰到油水界面，得到包括活性SiO₂颗粒-水相界面和油相-水相界面的第一界面体系，将球形探针在第一界面体系中静置30min后，第一界面体系达到稳定，执行步骤4。

步骤4，控制球形探针继续下降，当活性SiO₂颗粒一部分浸于油相且另一部分浸于 水相时，记录得到球形探针的下降高度为1μm，并停止移动球形探针，得到包括活性SiO₂颗 粒-油相界面、活性SiO₂颗粒-水相界面和油相-水相界面的第二界面体系，将球形探针在第 二界面体系中静置30min后，第二界面体系达到稳定，执行步骤5。

步骤5，控制球形探针上升，当活性SiO₂颗粒完全脱离油水界面且活性SiO₂颗粒整体处于水相时，得到第三界面体系，记录上升过程球形探针的受力情况得到如图2所示的作用力变化曲线，确定油相对活性SiO₂颗粒的粘附力。

步骤6，对作用力变化曲线进行积分，得到第三界面体系与第二界面体系之间的能 量差，即活性颗粒脱离油水界面时克服油相粘附力所做的粘附功为6.79×10¹²J。

步骤7，利用界面张力仪测量得到油相与水相之间的界面张力为30.2mN/m， 结合本实施例中第一界面体系变化至第二界面体系时球形探针的下降高度和球形探针 的半径，利用公式（5）计算得到油-水-活性SiO₂颗粒体系的接触角为。

综上可得，采用本发明方法利用原子力显微镜进行纳米力学测试，实现了对单个活性SiO₂颗粒润湿性的准确测量，解决了活性颗粒润湿性受纳米流体性能影响难以精确表征的问题，为研究纳米颗粒的改性效果提供了技术支持。

在本发明描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于纳米力学的活性颗粒表面润湿性测量方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1，选取活性颗粒，利用胶黏剂将活性颗粒粘合到原子力显微镜的Tipless探针悬臂上，制得球形探针，利用扫描电子显微镜观察，获取球形探针的半径；

步骤2，选取原油样品作为油相，将原油样品滴在原子力显微镜的石英基底上形成油相界面后，利用液体探针夹固定球形探针，选取预先配制的模拟地层水作为水相，将模拟地层水注入原子力显微镜的O型圈所围成的密闭区域内形成水相界面，利用球形探针控制O型圈覆盖在油相界面上，形成油水界面；

步骤3，利用原子力显微镜观察确定油水界面位置后，控制球形探针下降，配合观察油水界面，直至油水界面发生扰动停止移动球形探针，此时活性颗粒整体仍处于水相中且活性颗粒的底部刚刚触碰到油水界面，得到第一界面体系，将球形探针静置于第一界面体系中，待第一界面体系稳定；

步骤4，控制球形探针继续下降，当活性颗粒部分浸入油相时，记录球形探针的下降高度并停止移动球形探针，得到第二界面体系，将球形探针静置于第二界面体系中，待第二界面体系稳定；

步骤5，控制球形探针上升，当活性颗粒完全脱离油水界面且活性颗粒整体处于水相时，得到第三界面体系，记录上升过程球形探针的受力情况得到作用力变化曲线，确定油相对活性颗粒的粘附力；

步骤6，对作用力变化曲线进行积分，确定活性颗粒脱离油水界面时克服油相粘附力所做的粘附功，得到第三界面体系与第二界面体系之间的能量差；

步骤7，利用界面张力仪测量油相与水相之间的界面张力，基于Young方程，结合球形探针的半径以及球形探针的下降高度，计算得到油-水-活性颗粒体系的接触角，确定活性颗粒的表面润湿性。

2.根据权利要求1所述的基于纳米力学的活性颗粒表面润湿性测量方法，其特征在于，所述球形探针制备过程为：

将活性颗粒溶解在纯水中并进行超声分散，得到质量分数为0.05%的纳米流体，取纳米流体滴在石英基底上，将干燥后的石英基底置于原子力显微镜的载物台上，利用原子力显微镜观察石英基底上分散均匀的活性颗粒，并将胶黏剂滴在石英基底中央，利用原子力显微镜观察的同时控制Tipless探针悬臂蘸取胶黏剂后移动至活性颗粒上方，将活性颗粒粘贴在Tipless探针悬臂底端，制得球形探针。

3.根据权利要求2所述的基于纳米力学的活性颗粒表面润湿性测量方法，其特征在于，所述活性颗粒为活性SiO₂颗粒，活性SiO₂颗粒的直径为26.1μm，胶黏剂为UHU胶水。

4.根据权利要求1所述的基于纳米力学的活性颗粒表面润湿性测量方法，其特征在于，所述第一界面体系中活性颗粒整体仍处于水相中且活性颗粒的底部刚刚触碰到油水界面，第一界面体系中存在活性颗粒-水相界面和油相-水相界面；

所述第二界面体系中活性颗粒一部分处于水相中且另一部分处于油相中，第二界面体系中存在活性颗粒-油相界面、活性颗粒-水相界面和油相-水相界面；

所述第三界面体系中活性颗粒完全脱离油水界面且活性颗粒整体处于水相中，第三界面体系中存在活性颗粒-水相界面和油相-水相界面。

5.根据权利要求1所述的基于纳米力学的活性颗粒表面润湿性测量方法，其特征在于，所述步骤7中，基于Young方程得到：

（1）

式中，为活性颗粒与水相之间的界面张力，/>为油相与水相之间的界面张力，为活性颗粒与油相之间的界面张力，/>为接触角；

当活性颗粒吸附于油水界面形成第二界面体系时，得到第二界面体系的界面能为：

（2）

式中，为第二界面体系的界面能，/>为活性颗粒的表面积，/>为活性颗粒与油相之间的接触面积；

当活性颗粒上升脱离油水界面完全置于水相形成第三界面体系时，得到第三界面体系的界面能为：

（3）

式中，为第三界面体系的界面能，/>为活性颗粒脱离油水界面后在活性颗粒所占据位置处重新形成油水界面的面积；

根据第二界面体系的界面能和第三界面体系的界面能/>之间的差值，结合Young方程，得到活性颗粒脱离油水界面时克服油相粘附力所做的粘附功/>，如公式（4）所示：

（4）

式中，为活性颗粒脱离油水界面时克服油相粘附力所做的粘附功；

利用界面张力仪测量得到油相与水相之间的界面张力，结合粘附功和球形探针的半径，计算得到油-水-活性颗粒体系的接触角，如公式（5）所示：

（5）

式中，为油-水-活性颗粒体系的接触角，/>为球形探针的半径，/>为第一界面体系变化至第二界面体系时球形探针的下降高度。