油-壁相互作用力對(duì)近壁懸浮油滴捕獲脫附動(dòng)力學(xué)的影響

Abstract：Near-wall suspended oil droplets are a common state of residual oil in high water cut oil reservoirs during extraction. To understand their capture and detachment dynamics is crucial for enhancing residual oil recovery. Current research primarily utilized contact angle to characterize wall properties but failed to describe the important feature of reservoirs—the complex interaction between oil droplets and walls.This study employed the extended Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek （EDLVO） theory to establish an oil-wall interaction system and coupled it with computational fluid dynamics to further explore the capture and detachment dynamics of near-wall suspended oil droplets in microchannels. The results indicated： under different wall wettability，capillary numbers，and EDLVO forces，near-wall suspended oil droplets exhibit five typical dynamic states; on neutral surfaces，EDLVO forces suppress the transition of droplet dynamics from capture to sliding and promote droplet pinching； on oleophobic surfaces，EDLVO forces facilitate droplet detachment； EDLVO forces lead to increased deformation of oil droplets. This study contributes to understanding the role of oilwall interaction forces in near-wall suspended oil droplet dynamics and transport laws，offering valuable insights for enhancing crude oil recovery.

Key words：near-wall suspended droplets; capture and detachment; oil-wall interaction; highwater cut oil reservoir

0 引言

隨著油田的不斷開(kāi)采，其含水量顯著增高.在高含水油藏條件下，油井產(chǎn)出的液體中含有大量的水，進(jìn)一步提高采收率的難度增大1].但是在高含水油藏中仍然存在大量殘余原油，這些原油主要以油滴的形式存在于油藏孔隙結(jié)構(gòu)中.通過(guò)巖心掃描實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，殘余油滴多以吸附在儲(chǔ)層壁面、限制在盲端或堵塞在孔喉處等方式存在2.其中，儲(chǔ)層壁面吸附油滴被采出時(shí)極易出現(xiàn)近壁懸浮狀態(tài)，例如油滴在外力驅(qū)動(dòng)下通過(guò)不規(guī)則孔喉時(shí)[3-5]；在升力作用下，油滴產(chǎn)生垂直于主流方向的遷移至近壁態(tài)時(shí)[]；油滴由壁面吸附態(tài)至脫附狀態(tài)轉(zhuǎn)變瞬間[7]等，這些形式存在的殘余油滴對(duì)提高采收率至關(guān)重要.油滴被有效驅(qū)出儲(chǔ)層的關(guān)鍵是提高殘余油滴在儲(chǔ)層孔隙中的運(yùn)移能力.因此，探究近壁懸浮油滴在油藏孔隙結(jié)構(gòu)中的動(dòng)力學(xué)行為具有重要意義.

油藏孔隙中近壁面懸浮油滴的動(dòng)力學(xué)行為主要表現(xiàn)為油滴的捕獲與脫附[8-10]，其受到表面張力、壁面粗糙度、潤(rùn)濕性、流體粘度、孔隙結(jié)構(gòu)以及流動(dòng)條件等多種因素的影響.油滴脫附行為與油滴和通道的尺寸密切相關(guān)，對(duì)于長(zhǎng)度小于孔喉收縮長(zhǎng)度的油滴，其脫附臨界毛細(xì)數(shù)隨油滴長(zhǎng)度增加而增加[11，12].通過(guò)調(diào)整壁面粗糙度和潤(rùn)濕性梯度[13]，可以控制油滴固定、移動(dòng)、擴(kuò)散等不同的運(yùn)動(dòng)方式[14].粘度比也影響油滴在壁面的運(yùn)動(dòng)速度，高粘度比減少了油滴濕潤(rùn)面積，在高毛細(xì)數(shù)下有助于油滴運(yùn)動(dòng)[15].總之，連續(xù)相流體流動(dòng)產(chǎn)生的剪切力與壁面產(chǎn)生的附著力相互作用，影響油滴的捕獲和脫附動(dòng)力學(xué)行為[16].

復(fù)雜的油壁相互作用是油藏儲(chǔ)層的重要特征，其決定了油滴能否成功從油藏中驅(qū)出[1.在高含水油藏環(huán)境下，壁面和油滴表面常呈現(xiàn)負(fù)電荷，壁面吸引溶液中正電荷離子在其表面形成緊密層，油滴易受到雙電層力作用被壁面吸引[18].原油中存在如瀝青質(zhì)等復(fù)雜大分子，其長(zhǎng)鏈可以同時(shí)吸附在壁面多個(gè)位置，形成具有強(qiáng)吸引力的橋接效應(yīng)[19].

地層水中的離子濃度也會(huì)影響油壁相互作用.當(dāng)水中堿性離子和羧酸鹽濃度升高，原油中有機(jī)酸會(huì)因此離子化，可以使油壁相互作用減弱[20].油藏中溫度的變化也會(huì)導(dǎo)致壁面和油滴表面電荷改變，從而影響脫附發(fā)生條件21].所以，在極性作用、酸堿作用、表面沉淀等因素下，油壁相互作用十分復(fù)雜且不可忽視[22-24].

目前研究主要以接觸角為指標(biāo)來(lái)衡量油壁間相互作用，進(jìn)而描述油滴在不同接觸角下的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)[25，26].油滴的前進(jìn)速度和粘度都顯著影響前進(jìn)接觸角的大小.當(dāng)速度較低時(shí)，前進(jìn)接觸角隨速度的增加而增加，而當(dāng)速度較高時(shí)，前進(jìn)接觸角不會(huì)隨著前進(jìn)速度的增加而改變，高粘度油滴比低粘度油滴出現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變所需的速度更高27].油滴在壁面上運(yùn)動(dòng)的阻力與前進(jìn)和后退接觸角的差值有關(guān)，同時(shí)接觸線(xiàn)區(qū)域也影響油滴的運(yùn)動(dòng)28.另外，還可以通過(guò)掃描接觸點(diǎn)、控制流動(dòng)、數(shù)字圖像建模等手段使測(cè)量的接觸角更為精確[29].然而，僅僅依靠接觸角的變化來(lái)研究壁面油滴附著行為是片面的，其只能反映三相接觸線(xiàn)區(qū)域的特征，無(wú)法描述整體的油壁相互作用區(qū)域.

為了克服這些限制，本文使用基于擴(kuò)展的DL-VO 理論（extended Derjaguin-Landau-Verwey-Over-beek），即EDLVO理論，描述油滴與壁面間的各種相互作用力.通過(guò)EDLVO理論與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）結(jié)合，對(duì)近壁懸浮油滴在微通道中的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了模擬.分別在不同壁面潤(rùn)濕度、EDLVO力和毛細(xì)數(shù)下研究了油滴的捕獲脫附動(dòng)力學(xué)行為.探究了EDLVO力對(duì)近壁懸浮油滴捕獲脫附動(dòng)力學(xué)的影響，為深入理解油滴動(dòng)力學(xué)機(jī)理和了解真實(shí)油藏采油環(huán)境中對(duì)油滴驅(qū)替情況提供了參考.

1數(shù)值建模

1. 1 幾何模型

為了模擬油藏條件下近壁懸浮油滴的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，本文建立了微通道模型，通道內(nèi)存在水和油兩種流體.微通道的高度為 H=40μm ，水為連續(xù)相，油為液滴相，油滴的初始位置與壁面相距 d= 0.5μm .水為連續(xù)相從 x 軸正方向持續(xù)流入.油滴受到來(lái)自壁面的EDLVO力，方向朝向 y 軸負(fù)方向.油滴的初始形狀并不影響油滴隨主流流動(dòng)后的油滴動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，為了簡(jiǎn)化模型，故取油滴的初始形狀為球形，初始半徑 R=10μm .油滴在壁上的接觸角為 θ

為了表達(dá)油滴在流動(dòng)過(guò)程中的變形，引入了無(wú)量綱參數(shù) D ，變形參數(shù) D 可由式（1）計(jì)算，測(cè)量方法見(jiàn)圖1所示.

根據(jù)本文中油滴的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)， D 共有3種測(cè)量方式.當(dāng)油滴為捕獲和滑動(dòng)狀態(tài)時(shí)，如圖1（b）中① 所示，此時(shí)油滴附著在壁面上， a 與 b 分別為油滴在 x 軸和 y 軸上的最大長(zhǎng)度.當(dāng)油滴為脫附（滑動(dòng)脫附與直接脫附）狀態(tài)時(shí)，如圖1（b）中 ② 所示，此時(shí)油滴不與壁面接觸， a 與 b 的取值與捕獲和滑動(dòng)類(lèi)似.當(dāng)油滴出現(xiàn)夾斷狀態(tài)時(shí)，如圖1（b）中 ③ 所示，油滴由原來(lái)的一個(gè)整體分裂成兩個(gè)子油滴，其中一部分油滴會(huì)脫離壁面進(jìn)人到連續(xù)相流體中隨主流漂浮流動(dòng)，另一部分油滴仍然吸附在壁面上，此種動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的 ?_a 和 b 是指殘留在壁面上部分油滴的 x 軸和 y 軸上的最大長(zhǎng)度.

1.2 控制方程

在該模型中，微通道的油滴流動(dòng)可視為層流.通過(guò)采用不可壓縮的Navier-Stokes方程來(lái)求解速度和壓力場(chǎng).

abla?u=0

式（2）、（3）中： u 是速度， ρ 是密度， ? 是壓力， μ 是動(dòng)力粘度， F_g 是重力， F_st 是表面張力， F_EDLVO 是油壁相互作用力. F_EDLVO 的方程表示為[30]：

F_EDLVO=F_vdW+F_EDL+F_H+F_HY+F_S+F_B

式（4）中： F_vdW 是范德華力， F_EDL 是靜電雙層力， F_H 是疏水力， F_HY 是水合力， F_s 是空間力， F_B 是橋接力.

組成EDLVO力的6種相互作用力分別可以通過(guò)以下公式計(jì)算[17，18，31，32]：

式 （5）～（10） 中： A 是Hamaker常數(shù)， h 是壁面與油滴間距， ε 是油的介電常數(shù)， κ^-1 是Debye長(zhǎng)度， ζ₁ 和 ζ₂ 分別是油與壁面的電位， K 是表面疏水經(jīng)驗(yàn)常數(shù)， ?λ_s 和 λ_P 分別是結(jié)構(gòu)力與主要水合力的衰減長(zhǎng)度， φ 為相移， σ_S 是結(jié)構(gòu)水合層間距， δ 是補(bǔ)償偏移量， A_s 和 A_P 分別是結(jié)構(gòu)力和主要水合力的大小， T 是單位面積接枝鏈數(shù)， k 是Boltzmann常數(shù)，T 是當(dāng)?shù)販囟龋?l 是接枝段長(zhǎng)度， τ 是能量.

油藏儲(chǔ)層中不同環(huán)境條件會(huì)影響上述方程參數(shù)值發(fā)生改變，導(dǎo)致作用在油滴上EDLVO力的大小變化.根據(jù)不同的油藏條件， H 的取值范圍為0.2～40nm，A 的取值范圍為 9×10^-21～1×10^-19 J，κ 的取值范圍為 和 ζ₂ 的取值范圍為 0～1V，K 的取值范圍為 1× 10^-20～1×10^-19J， T 的取值為 1×10¹⁶m^-2，τ 的取值范圍為 4×10^-22～4×10^-20J，l 的取值為0.4nm.油滴與壁面間的EDLVO力的大小會(huì)隨著分離距離的變化而變化，一般來(lái)說(shuō)，隨著分離距離增加，EDLVO力所能產(chǎn)生的作用減小.當(dāng)分離距離在 0.2～1nm ，EDLVO力中所有的力都能產(chǎn)生作用，EDLVO力的取值范圍為一904. 04～ -7.64mN/m ，當(dāng)分離距離在 1～10nm ，EDLVO力中能產(chǎn)生作用的力有 F_{vdW?FEDL?FS?FB，EDI} ！、VO力的取值范圍為一 69.63～-3.78mN/m ，當(dāng)分離距離在 10～40nm ，EDLVO力中能產(chǎn)生作用的力有 F_EDL 、 F_S 一 F_B ，EDLVO力的取值范圍為一38.14～-1.26×10^-5mN/m. 與已有原子力顯微鏡（AFM）測(cè)量的EDLVO力的范圍一致[17.33.34]，具體的參數(shù)選取及驗(yàn)證詳見(jiàn)已發(fā)表的論文[35]

采用兩相流相場(chǎng)法追蹤分散相與連續(xù)相之間的界面[36，37]，實(shí)現(xiàn)Navier-Stokes 方程與EDLVO的耦合：

式（11）、（12）中： ? 是相場(chǎng)變量， γ 是遷移率，ω_mix 是混合能量密度， τ_pf 是界面厚度控制參數(shù)， ψ 是相場(chǎng)輔助函數(shù)， f 是自由能.詳細(xì)的模型見(jiàn)我們前期發(fā)表的論文[8.35].

1.3 邊界和初始條件

微通道壁面為無(wú)滑移潤(rùn)濕性壁面，通道兩側(cè)為連續(xù)相人口和出口，并設(shè)置為周期性流動(dòng)條件，通道內(nèi)流動(dòng)由入口和出口之間的壓差驅(qū)動(dòng).通過(guò)改變壁面潤(rùn)濕性模擬油藏中典型的中性和疏油性壁面，將油滴在壁面上的靜態(tài)接觸角設(shè)置為 和135^° .本文采用毛細(xì)數(shù) Ca 衡量驅(qū)動(dòng)力的大小：

的變化，如圖2所示. t^* 和 U 分別由公式（15）、（16）計(jì)算，其中 χ_t 代表時(shí)間， u₂ 表示油滴移動(dòng)速度.

式（13）中： u₁ 是單相流中連續(xù)流體的平均 速度.

本文毛細(xì)數(shù)范圍為 Ca=2.40×10^-4～2.20 ×10^-1 ，進(jìn)出口壓差范圍為 ΔP= 10～8 000Pa 原油的物性采用長(zhǎng)慶原油[38表征，其粘度與密度分別是 與 ρ₀=812.60kg/m³. 水的粘度與密度分別為 μ₁=1.0046mPa 與 ρ₁= 997.92kg/m³ .油水界面張力 σ=42.95mN/m 在兩相流中，為了量化連續(xù)相水和液滴相油之間的粘度差異，本文引人無(wú)量綱粘度比 λ ，其表達(dá)式為：

1.4 無(wú)關(guān)性分析

選取黏度比 λ=9.2 ，接觸角 θ=90^° ，毛細(xì)數(shù)Ca=0.35×10^-1 的工況進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立驗(yàn)證.選取43666、68028、120066、173378、274868網(wǎng)格數(shù)規(guī)格分別進(jìn)行模擬，計(jì)算了不同網(wǎng)格數(shù)下，油滴形變參數(shù) D 和無(wú)量綱移動(dòng)瞬時(shí)速度 U 隨著無(wú)量綱時(shí)間 t^*

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于形變參數(shù) D ，網(wǎng)格數(shù)從68028到274868誤差均不超過(guò) 2.9% ；但是對(duì)于油滴滑動(dòng)速度 U，120 066 網(wǎng)格數(shù)對(duì)于274868網(wǎng)格數(shù)誤差達(dá)到了 6.4% ，而173378網(wǎng)格數(shù)誤差僅有 2.8% .因此，在保證誤差不超過(guò) 5% 的前提下，為了節(jié)約計(jì)算機(jī)資源，本模型最終選擇了173378的網(wǎng)格數(shù)量.

1.5模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

我們之前進(jìn)行了關(guān)于Seevaratnam等人液滴分離過(guò)程實(shí)驗(yàn)的模型驗(yàn)證.實(shí)驗(yàn)和模型模擬結(jié)果表明，隨著時(shí)間推移，液滴會(huì)受到連續(xù)相驅(qū)動(dòng)力作用，導(dǎo)致液滴有向流動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，并且逐漸靠近通道中心，液滴底部與壁面接觸面積減少，最終脫附.實(shí)驗(yàn)中觀(guān)察到的液滴瞬時(shí)狀態(tài)和結(jié)果與模擬結(jié)果一致，并且定量比較了實(shí)驗(yàn)和模擬中液滴的形變參數(shù) D ，結(jié)果顯示兩者之間的差異不超過(guò) 17% .詳細(xì)的驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)我們之前的論文[8].

2 結(jié)果與討論

本文研究發(fā)現(xiàn)，近壁懸浮油滴的捕獲脫附主要有五種典型動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，如圖3所示.選取的五種典型工況的 Ca.θ 和 EDLVO力分別為：（1）捕獲：Ca=2.50×10^-4，θ=90^°，F(xiàn)_EDLVO=0mN/m （2）滑動(dòng)： 。， F_EDLVO= 0mN/m ;（3）夾斷： Ca=1.59×10^-1，θ=90^° ，F(xiàn)_EDLVO=5mN/m ；（4）滑動(dòng)脫附： Ca=4.63× （20 10^-2，θ=135^° ， F_EDLVO=0mN/m ；（5）直接脫附：Ca=2.37×10^-2 θ=135^° F_EDLVO=10mN/m. 在圖3（a）、（b）、（c）、（d）中，油滴受到壁面作用力和壁面潤(rùn)濕性質(zhì)影響，由近壁懸浮狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楸槐诿嫖綘顟B(tài).連續(xù)相驅(qū)動(dòng)力較弱時(shí)，油滴形狀時(shí)間推移逐漸穩(wěn)定且與壁面無(wú)相對(duì)位移，表現(xiàn)為捕獲狀態(tài)，如圖3（a）所示.隨著驅(qū)動(dòng)力的增加，此時(shí)驅(qū)動(dòng)力大小不足以支持油滴脫離壁面，同樣被壁面約束，油滴被壁面吸附后出現(xiàn)前傾，達(dá)到接觸角滯后的臨界點(diǎn)后使得其與壁面發(fā)生相對(duì)位移，表現(xiàn)為滑動(dòng)狀態(tài)，如圖3（b）所示.繼續(xù)增大驅(qū)動(dòng)力，油滴前傾角度繼續(xù)增加，如果油滴形變變化速率顯著快于接觸線(xiàn)移動(dòng)的速度時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)夾斷現(xiàn)象，導(dǎo)致部分油滴滯留在壁面上，如圖3（c）所示.如果油滴形變的速度和接觸線(xiàn)移動(dòng)的速度相匹配時(shí)，油滴受到升力作用，與壁面的接觸面積減小，直至出現(xiàn)脫附現(xiàn)象，表現(xiàn)為滑動(dòng)脫附，如圖3（d）所示.在圖3（e）中出現(xiàn)了直接脫附狀態(tài)，這是由于受到較強(qiáng)的油壁相互作用力影響，油滴被壓向壁面，此時(shí)處于油滴和壁面間的水被兩者擠壓形成薄液膜，油滴難以突破薄液膜與壁面形成接觸，因此油滴的下部始終與壁面保持距離，不與之產(chǎn)生接觸，而是整個(gè)油滴開(kāi)始隨連續(xù)相運(yùn)動(dòng)，

為了全面探究近壁懸浮油滴捕獲和脫附動(dòng)力學(xué)的動(dòng)力學(xué)行為，定量分析了包括靜止、滑動(dòng)、夾斷、滑動(dòng)脫附和直接脫附五種典型動(dòng)力學(xué)狀態(tài)下的關(guān)鍵參數(shù)瞬態(tài)變化，即變形參數(shù) D 和移動(dòng)速度 U .如圖4所示.液滴在捕獲和滑動(dòng)動(dòng)力學(xué)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中均一直與壁面接觸，未曾出現(xiàn)與壁面分離情況，隨著時(shí)間的推移，液滴的運(yùn)動(dòng)趨于穩(wěn)定，測(cè)量的數(shù)值為穩(wěn)定值，液滴的 D 和 U 在穩(wěn)定狀態(tài)取值；液滴在夾斷和滑動(dòng)脫附狀態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，隨著時(shí)間的推移，液滴在通道壁面上運(yùn)動(dòng)后會(huì)出現(xiàn)與壁面分離的現(xiàn)象，出現(xiàn)此現(xiàn)象的瞬時(shí)時(shí)刻，就定義為臨界狀態(tài)，此時(shí)測(cè)量的值為臨界數(shù)值，此時(shí)液滴的 D 和 U 在臨界狀態(tài)取值.

在捕獲狀態(tài)中，油滴 a 增大，使得變形參數(shù) D 增大，隨時(shí)間推移，油滴形狀逐漸穩(wěn)定， D 趨于平穩(wěn)， U 始終為0.在滑動(dòng)狀態(tài)中，油滴發(fā)生前傾，導(dǎo)致產(chǎn)生一個(gè)由形變引起的油滴質(zhì)心移動(dòng)速度， U 突增，被壁面吸附后因油壁相互作用影響下 U 有所減小，被壁面吸附后，由于連續(xù)相驅(qū)動(dòng)作用，油滴前傾， D 增大，油滴與壁面發(fā)生相對(duì)位移后， U 逐漸增加，當(dāng)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后， D 和 U 都趨于恒定.在夾斷狀態(tài)中，油滴由于被連續(xù)相過(guò)度拉長(zhǎng)， D 明顯增加，其所受到的油壁相互作用更大，故 U 更小，在出現(xiàn)夾斷現(xiàn)象后， D 變化不明顯，這種趨勢(shì)是由于在計(jì)算油滴的 U 和 D 時(shí)，僅考慮了油滴仍然附著在壁面上的部分.在滑動(dòng)脫附狀態(tài)中，由于 增加，導(dǎo)致 D 值不會(huì)發(fā)生劇烈變化， U 不斷增加.完全脫附后，油滴由于表面張力作用， D 迅速減小，而 U 因更接近于通道中部受到更強(qiáng)剪切力而增加.油滴發(fā)生直接脫附行為時(shí)，由于受到薄液膜的影響，油滴的下部開(kāi)始收縮， D 增加，由于沒(méi)有與壁面直接接觸， U 開(kāi)始就有一個(gè)較高的值.隨時(shí)間推移，油滴與壁面的距離增加，油滴回彈并受到更大的連續(xù)相剪切作用力， D 減小， U 持續(xù)增加

為了統(tǒng)一探究EDLVO力對(duì)五種典型油滴動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的影響，建立了EDLVO力、 Ca.θ 下的油滴捕獲脫附動(dòng)力學(xué)行為相圖，如圖5所示.在沒(méi)有EDLVO力的情況下，隨著 Ca 的增加，油滴在中性壁面（ θ=90^° 和疏油壁面 （θ=135^°） 都會(huì)從被壁面捕獲轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒?dòng)， θ=90^° 時(shí)滑動(dòng)及脫附行為發(fā)生得更早， θ=90^° 和 135^° 時(shí)發(fā)生滑動(dòng)行為的臨界Ca 值分別為 和 0.10×10^-2 ： Ca 繼續(xù)增加，如果油滴處于中性壁面，油滴不易全部脫附，會(huì)出現(xiàn)夾斷情況，而油滴處于疏油壁面時(shí)，油滴更易整個(gè)脫離壁面，發(fā)生夾斷與脫附行為的臨界 Ca 值分別為 16.65×10^-2 和 3.62×10^-2 ，其原因是由于較小的 θ 導(dǎo)致油滴接觸線(xiàn)運(yùn)動(dòng)滯后于油滴變形速率，導(dǎo)致低 θ 時(shí)難以發(fā)生分離.當(dāng)對(duì)近壁懸浮油滴施加較低的 EDLVO力，即 F_EDLVO=5mN/m 時(shí)，觀(guān)察到兩個(gè)主要現(xiàn)象.油滴受到EDLVO力的影響后，中性壁面上，油壁相互作用會(huì)抑制油滴從捕獲態(tài)到滑動(dòng)態(tài)，所需的毛細(xì)數(shù) Ca 增加，臨界 Ca 變?yōu)?.10×10^-2 ，而對(duì)于疏油壁面的影響不大.對(duì)于油滴發(fā)生夾斷與脫附行為的臨界 Ca 值，中性壁面和疏油壁面分別為 15.78×10^-2 和 3.39×10^-2 .對(duì)近壁懸浮油滴施加較高的 EDLVO力，即 F_EDLVO=10mN/ m 時(shí)，對(duì)于 θ⁼90^° ，滑動(dòng)和夾斷臨界 Ca 對(duì)比于較低EDLVO力的情況均沒(méi)有發(fā)生變化.但是對(duì)于 θ= 135^° ，最初觀(guān)察到的捕獲、滑動(dòng)、滑動(dòng)脫附狀態(tài)沒(méi)有出現(xiàn)，而是出現(xiàn)了直接脫附動(dòng)力學(xué)狀態(tài).

為了進(jìn)一步探究不同 EDLVO力、 Ca.θ 對(duì)近壁懸浮油滴捕獲脫附動(dòng)力學(xué)行為的影響，本文分析了油滴穩(wěn)態(tài)或臨界態(tài)下形變參數(shù) D 和無(wú)量綱特征速度 U^* ，如圖6、圖7所示.當(dāng)油滴處于捕獲和滑動(dòng)狀態(tài)時(shí)， D 和 U^* 選取穩(wěn)態(tài)情況，當(dāng)油滴處于夾斷、滑動(dòng)脫附和直接脫附狀態(tài)時(shí)， D 和 U^* 選取臨界態(tài)情況.從圖6可以觀(guān)察到，在中性壁面（ ?θ=90^° ）處，施加EDLVO力會(huì)使捕獲態(tài)油滴形變參數(shù) D 增加.在滑動(dòng)狀態(tài)，無(wú)論是否施加EDLVO力，油滴在Ca=4.63×10^-2 左右都會(huì)出現(xiàn)形態(tài)上的轉(zhuǎn)變.這是因?yàn)殡S著 Ca 的增大，出現(xiàn)轉(zhuǎn)變前，油滴逐步受到更大的驅(qū)動(dòng)力作用，油滴朝前進(jìn)方向變形，導(dǎo)致D 減小，轉(zhuǎn)變后液滴形變變化速率顯著快于接觸線(xiàn)移動(dòng)的速度，導(dǎo)致油滴被拉長(zhǎng)， D 增加，如圖6（a）所示.在油滴出現(xiàn)夾斷現(xiàn)象的瞬間，油滴附著在壁面上的部分受到連續(xù)相剪切作用大幅度減小，此時(shí)油滴受到的EDLVO力和表面張力占據(jù)主導(dǎo)地位，使得油滴收縮， D 減小.在疏水壁面（ θ= 135^° ）處，EDLVO力會(huì)明顯使油滴拉長(zhǎng)，形變 D 增加.油滴處于滑動(dòng)態(tài)時(shí)，隨著 Ca 的增加，由于表面張力作用，在油滴出現(xiàn)脫附行為之前 D 達(dá)到最小值.繼續(xù)增大 Ca ，在滑動(dòng)脫附前瞬時(shí)時(shí)刻，由于油滴受到升力，使得其靠近管道中心，油滴在垂直方向上被拉長(zhǎng)， a 值增加， D 值變大，EDLVO力會(huì)增加這一趨勢(shì).油滴出現(xiàn)直接脫附行為時(shí)，其 D 也有相似的變化狀態(tài).總之：（1）增加 EDLVO力，會(huì)使油滴的 D 增加；（2）無(wú)論是中性壁面還是疏油壁面，油滴的 D 都存在先減小后增大的現(xiàn)象.

從圖7可以觀(guān)察到，在中性壁面 （θ=90^° ）處，油滴處于滑動(dòng)態(tài)時(shí)，無(wú)論是否施加EDLVO力，油滴在毛細(xì)數(shù) Ca=4.63×10^-2 左右都會(huì)出現(xiàn)特征速度 U^? 變化趨勢(shì)上的轉(zhuǎn)變，這與圖6中所得到形變參數(shù) D 出現(xiàn)轉(zhuǎn)變的 Ca 吻合.這是由于油滴被拉長(zhǎng)，其更貼近于壁面，所受到連續(xù)相剪切作用減小，導(dǎo)致 U^* 減小，EDLVO力會(huì)明顯抑制在轉(zhuǎn)折處的 U^* ，越大的EDLVO力抑制作用越明顯.在油滴出現(xiàn)夾斷現(xiàn)象時(shí)， U^? 僅有微弱減小，這是因?yàn)闇y(cè)量油滴僅為壁面上的部分，油滴瞬時(shí)形態(tài)變化對(duì)U^* 瞬時(shí)影響較小.在疏水壁面 （θ=135^°） 處，油滴處于滑動(dòng)態(tài)時(shí)，隨著 Ca 的增加，油滴逐步靠近通道中心，所受的連續(xù)相剪切作用增大， U^* 有增大趨勢(shì).當(dāng) Ca 達(dá)到滑動(dòng)脫附條件時(shí)，油滴遠(yuǎn)離壁面，U^? 突增.然而繼續(xù)增加 Ca ，由于 D 增大，油滴在連續(xù)相中所受阻力也增加，故 U^* 有下降趨勢(shì).油滴出現(xiàn)直接脫附行為時(shí)，沒(méi)有脫附臨界速度，即沒(méi)有特征速度.油滴的動(dòng)力學(xué)參數(shù) D 與 U^* 有相關(guān)性.油滴 D 值變小時(shí)， U^* 值變大； D 值變大時(shí)， U^* 值變小.同樣的，除了直接脫附狀態(tài)， U^* 都存在先增大后減小的現(xiàn)象.

總結(jié)EDLVO力對(duì)油滴捕獲脫附動(dòng)力學(xué)的影響，最有趣的現(xiàn)象是在疏油壁面上，增加EDLVO力會(huì)使油滴發(fā)生直接脫附.為了解釋直接脫附動(dòng)力學(xué)狀態(tài)發(fā)生的原因，本文分析了油滴在 θ= 135^° 時(shí)，同一毛細(xì)數(shù) Ca 和不同EDLVO力下的壓力分布，如圖8所示.由于直接脫附是在油滴處于近壁懸浮狀態(tài)就開(kāi)始發(fā)生，所以選取油滴剛開(kāi)始發(fā)生運(yùn)動(dòng)的時(shí)間點(diǎn)，即 t^*=0，027 .近壁懸浮油滴與壁面間存在一層薄液膜，該液膜中的壓力顯著高于周?chē)?在沒(méi)有EDLVO力或EDLVO力較小時(shí)，油滴變形產(chǎn)生的表面能釋放可以克服薄液膜中的高壓，從而突破這層薄液膜，使其與壁面接觸，進(jìn)一步釋放表面能形成液膜排液現(xiàn)象.而在EDLVO力較大時(shí)，薄液膜中的高壓更高，表面能釋放不足以克服其高壓，導(dǎo)致油滴不能與壁面接觸，進(jìn)而出現(xiàn)直接脫附現(xiàn)象.

3結(jié)論

本文研究了油壁相互作用對(duì)近壁懸浮油滴捕獲脫附動(dòng)力學(xué)行為的影響，采用了油壁相互作用力與CFD耦合的方法，分析了EDLVO力影響下近壁懸浮油滴的動(dòng)力學(xué)特性，得到以下主要結(jié)論：

（1）通過(guò)改變壁面潤(rùn)濕性、毛細(xì)數(shù)和EDLVO力，近壁懸浮油滴共呈現(xiàn)了五種典型的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，即捕獲、滑動(dòng)、夾斷、滑動(dòng)脫附和直接脫附.

（2）在中性壁面處，EDLVO力抑制了油滴由捕獲向滑動(dòng)轉(zhuǎn)變；在疏油壁面處，EDLVO力使油滴形變?cè)黾樱壮霈F(xiàn)脫附行為，更大的EDLVO力反而促進(jìn)了油滴的脫附.

（3）在EDLVO力的影響下，幾乎所有油滴的形變都增加，并且降低了油滴的速度；EDLVO力對(duì)油滴從滑動(dòng)狀態(tài)到夾斷或脫附狀態(tài)的速度影響較小；越大的EDLVO力對(duì)油滴形變和速度影響都越大.

參考文獻(xiàn)

[1］孫煥泉，楊勇，王海濤，等.特高含水油藏剩余油分布特 征與提高采收率新技術(shù)[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué) 版），2023，47（5）：90-102.

[2] Gao Y J，Xie X Q，Wang SL，et al. Pore-scale experimental investigation of the remaining oil formation in water-wet， mixed-wet and oil-wet sandstone samples[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering，2022，216：110 790.

[3] He L，Luo Z Y，Bai BF.Breakup of pancake droplets flowing through a microfluidic constriction[J].Chemical Engineering Science，2020，220：115 649.

[4]He L，Wang S，Han S，et al. Shear-thinning stimulative fluid breakup in 3D pore-throat[J]. Chemical Engineering Research and Design，2024，201：362-371.

[5] He L，Han S M，Yuan Y J，et al. Discrepancy of simulating snap-off processes in 2D and 3D pore-throats[J].Colloids and Surfaces：A Physicochemical and Engineering Aspects，2022，653：129978.

[6] Perazzo A，Tomaiuolo G，Preziosi V，et al. Emulsions in porous media：From single droplet behavior to applications for oil recovery[J].Advances in Colloid and Interface Science，2018，256：305-325.

[7]Madani S，Amirfazli A.Oil drop shedding from solid substrates by a shearing liquid[J].Colloids and Surfaces A： Physicochemical and Engineering Aspects，2ol4，441： 796-806.

[8]HeL，Zhao F，ShangX，etal.Detachmentdynamics of ses sile droplets triggered by interaction forces between oil and wall in a microchannel[J].Physics of Fluids，2024，36 （5）：052107.

[9]ShangX，Luo Z，Bai B，et al.Front tracking simulation of droplet displacement on solid surfaces by soluble surfactant-driven flows[J].Physical Review Fluids，2o24，9（1）： 014 002.

[10]Han X，WangL，Xia H，et al.Mechanism underlyinginitiation of migration of film-like residual oil[J].Journal of Dispersion Science and Technology，2021，43（13）：1 927- 1 947.

[11]HeL，Luo ZY，Bai BF.Release of a trapped droplet in a single micro pore throat[J]. Journal of Colloid and Interface Science，2019，554：1-8.

[12]Huang FL，Chen Z，Li ZP，et al.Numerical study of drop behavior in a pore space[J]. Chemical Engineering Science，2021，233：116 351.

[13] Yan Y，He L，Li Y，et al. Unidirectional liquid transportation and selective permeation for oil/water separation on a gradient nanowire structured surface[J]. Journal of Membrane Science，2019，582：246-253.

[14]LiJ，QinQ H，Shah A，et al. Oil droplet self-transportation on oleophobic surfaces[J]. Science Advances，2016，2 （6）：el 600 148.

[15]Randive P，Dalal A.Influence of viscosity ratio and wettability on droplet displacement behavior：A mesoscale analysis[J].Computers amp;. Fluids，2014，102：15-31.

[16]Ding H，Gilani M N H，Spelt P D M. Sliding，pinch-off and detachment of a droplet on a wall in shear flow[J]. Journal of Fluid Mechanics，2010，644：217-244.

[17] Liu J，Xu Z，Masliyah J. Interaction forces in bitumen extraction from oil sands[J].Journal of Colloid and Interface Science，2005，287（2）：507-520.

[18] Israelachvili J N. Intermolecular and surface forces[M]. San Diego： Academic Press， 2011.

[19] Tian H H，Wang M R. Electrokinetic mechanism of wettability alternation at oil-water-rock interface[J].Surface Science Reports，2017，72（6）：369-391.

[20]Masliyah J，Zhou Z J，Xu Z，et al. Understanding waterbased bitumen extraction from athabasca oil sands[J]. The Canadian Journal of Chemical Engineering，2008，82 （4）：628-654.

[21]He L，Lin F，Li X，et al. Interfacial sciences in unconventional petroleum production ：From fundamentals to applications[J].Chem Soc Rev，2015，44（15）：5 446-5 594.

[22] Wang D，Yang D，Huang C，et al. Stabilization mechanism and chemical demulsification of water-in-oil and oilin-water emulsions in petroleum industry：A review[J]. Fuel，2021，286：119 390.

[23] Ma J， Yao M，Yang Y，et al. Comprehensive review on stability and demulsification of unconventional heavy oilwater emulsions[J].Journal of Molecular Liquids，2022， 350：118 510.

[24]Sun C，TangK，Zhu S.A regulation method of the wettability of solid surfaces： Oil-water wettability alteration by replacing adsorbed polar molecules via salt ions[J]. Industrial amp;. Engineering Chemistry Research，2023，62 （42）：16 958-16 967.

[25] Vo Q，Tran T. Critical conditions for jumping droplets [J].Physical Review Letters，2019，123 （2）：024 502.

[26] Li L，Chen J，Jin X，et al. Novel polyhydroxy anionic surfactants with excellent water-solid interfacial wettability control capability for enhanced oil recovery[J]. Journal of Molecular Liquids，2021，343：116 973.

[27]Keller A A，Broje V，Setty K.Effect of advancing velocity and fluid viscosity on the dynamic contact angle of petro leum hydrocarbons[J].Journal of Petroleum Science and Engineering，2007，58（1-2）：201-206.

[28] Furmidge CG L. Studies at phase interfaces.I： The sliding of liquid drops on solid surfaces and a theory for spray retention[J].Journal of Colloid Science，1962，17 （4）：309-324.

[29]ZangC，WangL，ZhouK，etal.Automaticmeasurement of three-phase contact angles in pore throats based on digital images[J].Petroleum Exploration and Develop ment，2023，50（2）：442-449.

[30]IvanovaNO，XuZH，Liu QX，etal.Surface forcesin unconventional oil processing[J].Current Opinion in Colloid amp;. Interface Science，2017，27：63-73.

[31] Dai Q，ChungK H.Bitumen-sand interaction in oil sand processing[J].Fuel，1995，74（12）：1 858-1 864.

[32]KilpatrickJI，Loh SH，JarvisSP.Directly probing the effects of ions on hydration forcesat interfaces[J].J Am Chem Soc，2013，135（7）：2628-2634.

[33]WangS，Liu J，ZhangL，etal.Interaction forcesbetween asphaltene surfaces in organic solvents[J].Langmuir， 2009，26（1）：183-190.

[34]WangS，LiuJ，ZhangL，etal.Colloidal interactions between asphaltene surfaces in toluene[J].Energy amp;Fuels，2008，23（2）：862-869.

[35]He L，Zhao F.Oil-wall interaction induced droplet deformation dynamics in a capillary tube[J].Physics of Fluids，2023，35（8）：082102.

[36]和龍，任少坤，張宏.考慮傳質(zhì)的 CO₂ 非混相驅(qū)流動(dòng) 模式及其提采機(jī)理［J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2023，41 （1）：96-102.

[37]和龍，何文靜，牛澤豪.結(jié)構(gòu)無(wú)序性對(duì)多孔介質(zhì)中 CO₂ 驅(qū)指進(jìn)及提采的影響[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2024，42 （4）：94-100.

[38]ZhangT，Shao T，ZhangY，etal.Effect of interface deformation on hydrodynamics of liquid-liquid two-phase flow in a confined microchannel[J].Chemical EngineeringJournal，2022，427：131 956.

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