Перенос наносуспензий в пористой среде
Итак, сегодняшняя статья является продолжением публикации «Интерпретация механизмов применения наночастиц в повышении нефтеотдачи». Предыдущую часть вы можете найти по ссылке «Применение наночастиц в повышении нефтеотдачи«.
Наносуспензия представляет собой жидкость с взвешенными в ней твердыми наноразмерными частицами. Наночастицы настолько мелкие и легкие, что остаются взвешенными независимо от воздействия силы тяжести. Частицы, движущиеся по случайной траектории, обусловленной Броуновским движением, свободно перемещаются в жидкой среде. Наносуспензия – это двухфазная система, состоящая из жидкой фазы и взвешенной в ней твердой фазы, которая может содержать как стабильные, так и нестабильные наночастицы. Стабильность наночастиц в суспензии определяется суммой притягивающих (и отталкивающих) ван-дер-ваальсовых сил, действующих между частицами, движущимися по случайной траектории, обусловленной Броуновским движением. Если силы отталкивания между частицами превышают силы притяжения, то суспензии будут стабильными, и слияния частиц не происходит. Суспензия, содержащая наночастицы, может быть стабилизирована в коллекторе путем изменения плотности заряда и электрокинетического потенциала частиц. Это достигается за счет модифицирования поверхности так же, как при добавлении стабилизирующих химических веществ (регулирование рН).
Поскольку наносуспензия распространяется через поровое пространство, несколько механизмов приводят к уменьшению концентрации диспергированного кремнезема. Главными причинами удержания наночастиц в пористой среде является их прилипание к стенкам пор и блокирование порового канала. Блокирование поровых каналов может быть вызвано двумя механизмами: механическим закупориванием и забиванием пор. Механическое закупоривание, также называемое кольматацией, это засорение пор, связанное с большим диаметром наночастиц по сравнению с диаметром блокируемых поровых каналов. Таким образом, частицы кремнезема не способны проникать через поровые каналы, то есть их блокирование связано с тем, что диаметр частиц больше диаметра порового канала, как это показано на рисунке справа (Механизмы удерживания частиц). Для того чтобы избежать этого, диаметр наночастиц должен быть меньше диаметра устья порового канала, что вполне возможно, поскольку размер пор коллектора находится на микроуровне и в тысячу раз больше размера наночастиц.
Забивание поровых каналов – это их блокирование, при котором размер пор больше размера отдельной наночастицы, то есть этот механизм схож с механическим закупориванием, но является более сложным. Устья пор можно представить как места сужения поровых каналов. Уменьшение площади проходного сечения и постоянного перепада давления приведет к увеличению скорости жидкости в устье поры. Мелкие молекулы H2O будут разгоняться быстрее, чем наночастицы, что приводит к скоплению наночастиц на входе в устье пор. Диаметр на входе в устье поры уменьшится и в результате произойдет забивание поровых каналов, как показано на рисунке ниже. Забивание поровых каналов в первую очередь определяется содержанием наночастиц, скоростью потока и диаметром устья пор (распределением пор по размерам).
Адсорбция на поверхности породы может изменить её смачиваемость. Однако адсорбция наночастиц кремнезема на поверхности породы может привести к уменьшению содержания частиц диоксида кремния в наносуспензии, распространяющейся по коллектору. Прилипание частиц к стенкам поры и их отделение от неё в основном контролируется ван-дер-ваальсовыми силами притяжения между частицами кремнезема и стенками поры. Ван-дер-ваальсовы силы – это силы, которые притягивают атомы или молекулы вместе. Это означает, что с помощью этого механизма все атомы или молекулы притягиваются друг к другу. Даже тогда, когда молекулы или атомы находятся относительно далеко друг от друга, ван-дер-ваальсовы силы проявляются значительно. Это объясняется существованием сил притяжения между двумя наночастицами или наночастицами и стенками поры. Ван-дер-ваальсовы силы оказывают значительное влияние на адгезию и стабильность наночастиц в суспензии.