Механизмы перемещения наносуспензий

Продолжая рассматривать тему переноса наносуспензий в пористой среде, сегодня мы рассмотрим механизмы перемещения наносуспензий. В теории существует три различных механизма перемещения наносуспензий. Во-первых, это уникальный механизм поддержания расклинивающего давления. В суспензиях, содержащих наночастицы, этот механизм используется для создания самоагрегированной клиновидной пленки на границе раздела с дискретной фазой. Эта клиновидная пленка принимает участие в разделении пластовых флюидов (нефти, парафина, воды и/или газа) с поверхностью породы, таким образом, извлекая больше флюидов, чем это было возможно с ранее традиционно применяемыми добавками и жидкостями. МакЭлфреш и Ченгэра провели эксперимент с наночастицами и назвали этот механизм поддержанием расклинивающего давления. Впоследствии МакЭлфреш указал на то, что энергией, управляющей этим механизмом, является броуновское движение и электростатическое отталкивание между наночастицами. Силы электростатического отталкивания между этими частицами будут больше при меньшем размере частиц. Эти силы будут повышаться тогда, когда количество наночастиц возрастает.

Наночастицы, содержащиеся в водной суспензии, будут собираться в структурные массивы на границе раздела дискретной фазы, такой как нефть, газ, парафин или полимер. Наночастицы имеют тенденцию выстраиваться в клиновидную пленку на границе раздела несмешивающихся фаз (нефти, воды и породы), как показано на рисунке ниже.Такое размещение наночастиц будет оказывать дополнительное большее давление на поверхности породы, чем в объеме жидкости. Частицы, содержащиеся в объеме жидкости, оказывают давление на частицы, находящиеся в клиновидной пленке, сообщая им силу расклинивающего давления и заставляя их продвигаться вперед. Сила, сообщаемая отдельной частице, чрезвычайно мала, но когда присутствует большое количество мелких частиц, называемое объемным содержанием частиц, сила может быть свыше 50000 фунт-сила/дюйм² (~ 344,74 МПа) на вершине клина. Движимая давлением воды, создаваемым объемом жидкости, наносуспензия способна распространяться вдоль поверхности подобно частицам монослоя. Полное ее растекание происходит тогда, когда краевой угол смачивания равен нулю. Размер частиц и связанная с ним плотность заряда частиц также влияют на устойчивость этой силы: чем меньше размер частиц, тем выше их плотность заряда и больше электростатическое отталкивание между ними. Когда эта сила заключена в вершине дискретной фазы и стремится восстановить свою уравновешенность, происходит перемещение наносуспензии. Как и в любой коллоидной системе, размер частиц, температура, минерализация жидкости-носителя и характеристики поверхности подстилающей ее породы также оказывают влияние на величину расклинивающей силы.

Расклинивающее давление является полезным понятием для описания поверхностных сил в целом. В частности, это понятие подходит для описания тонких жидких пленок. Расклинивающее давление – это давление, необходимое чтобы противостоять силам притяжения, создаваемым жидкостью или твердым телом, и оторвать пленку от твердого тела. Расклинивающее давление представляет собой разность давлений между давлением в тонкой пленке и давлением в объеме жидкости, из которой эта пленка простирается. Форма профиля мениска в области клина показана на рисунке 6.

Происхождение структурной составляющей расклинивающего давления является осмотическим. Когда наночастицы (такие как мицеллы поверхностно-активных веществ) заключены в тонкой пленке, они имеют тенденцию выстраиваться между собой в высокоупорядоченные слои. Такое упорядочивание является следствием того, что выстраивание частиц повышает энтропию всей суспензии за счет большой свободы наночастиц, находящихся в объеме жидкости. Такое выстраивание приводит к избыточному давлению в пленке по отношению к давлению в объеме жидкости.

Кроме того, в очень узких поровых каналах разность плотностей частиц и воды замедляет движение частиц, вызывая тем самым их скопление. При этом возрастает давление в прилегающем поровом канале, вытесняя тем самым нефть. После того как нефть вытесняется, давление в прилегающем поровом канале падает, пробка из частиц постепенно рассеивается, и частицы начинают продвигаться вместе с водой. Такое явление можно рассматривать как временное забивание порового канала, которое показано на рисунке 7.

Этот подход основан на нагнетании воды, содержащей частицы, которые по размеру значительно меньше диаметра порового канала. Когда вода, содержащая частицы, достигнет узкий проход канала, она разгонится быстрее частиц, и отставшие от нее частицы будут скапливаться и закупоривать устье порового канала, в конечном счете изолируя поровый канал и заставляя воду продвигаться по другим порам и поровым каналам, тем самым вытесняя нефть, находящуюся в них. Результатом этого является большее извлечение нефти в добывающих скважинах и, как следствие, большая прибыль для нефтяных компаний.