Comment la charge de surface modifie les angles de contact de l'huile dans les systèmes eau-décane-dioxyde de silicium

Résumé

La mouillabilité de l'huile dans les systèmes eau-huile-roche est très sensible à l'évolution des charges de surface sur les surfaces rocheuses induite par l'adsorption d'ions et d'autres agents chimiques lors de l'injection d'eau. À travers des simulations de dynamique moléculaire à grande échelle, nous révélons les effets de la charge de surface sur les angles de contact de l'huile dans un système idéal eau-décane-dioxyde de silicium. Les résultats montrent que les angles de contact des nano-gouttes d'huile dépendent fortement des charges de surface. Lorsque la densité de charge de surface dépasse une valeur critique de 0,992 e/nm², l'angle de contact atteint 78,8° et l'état mouillant par l'eau devient très apparent. La variation des angles de contact se confirme par les distributions de densité numérique des molécules d'huile. Avec l'augmentation de la densité de charge, l'adsorption des molécules d'huile s'affaiblit et les zones de contact entre nano-gouttes et surface de dioxyde de silicium diminuent. De plus, les distributions de densité numérique, les fonctions de distribution radiale (RDF) et les orientations moléculaires indiquent que les molécules d'huile s'adsorbent sur la surface de dioxyde de silicium couche par couche avec une orientation parallèle à la surface. Cependant, la structure en couches des molécules d'huile près de la surface devient de plus en plus floue à des densités de charge plus élevées.

Contexte

La récupération assistée du pétrole (EOR) devient cruciale face aux difficultés croissantes d'extraction du brut. Parmi les techniques EOR, l'injection d'eau domine par son faible coût et son efficacité. L'injection d'eau est un processus multi-échelle, incluant les processus de doigt visqueux dans les réservoirs poreux ou les processus d'écoulement diphasique où le brut est déplacé par l'eau injectée dans des canaux microfluidiques. Par conséquent, l'injection d'eau est contrôlée par divers facteurs de l'échelle des pores à l'échelle du réservoir. En raison des grands rapports surface/volume des réservoirs et des faibles nombres capillaires du processus de déplacement d'huile, la mouillabilité de l'huile et de l'eau sur les surfaces rocheuses poreuses a un impact majeur sur les écoulements diphasiques huile-eau. Ainsi, la mouillabilité des surfaces rocheuses est cruciale pour l'efficacité de la récupération pétrolière.

Généralement, une surface rocheuse mouillable par l'eau favorise le déplacement d'huile ; cependant, la surface rocheuse apparaît initialement comme mouillable par l'huile en raison de l'adsorption de molécules polaires du brut. Ainsi, l'altération de la mouillabilité des surfaces rocheuses de mouillable par l'huile à mouillable par l'eau est très importante pour les techniques EOR. Lors de l'injection d'eau, on ajoute artificiellement des agents chimiques (surfactants, polymères, ions, nanoparticules) dans l'eau injectée pour réaliser cette altération. Par exemple, les surfactants dissous peuvent rendre les roches plus mouillables par l'eau ; on admet généralement que la formation de paires ioniques et l'adsorption de molécules de surfactant par interaction avec les composants du brut adsorbés sur la roche sont les deux mécanismes principaux. Pour l'injection d'eau à basse salinité, l'expansion de la double couche lors de la réduction de la salinité et l'échange multi-ion sont deux mécanismes concurrents spécifiques pour l'altération de la mouillabilité des réservoirs gréseux. Pour l'injection d'eau à base de nanoparticules, l'auto-stratification et la structuration de faible dimensionnalité des nanoparticules dans la région de la ligne de contact triphasique exercent une pression de désjonction structurale sur la phase huile et favorisent le passage de surfaces mouillables par l'huile à mouillables par l'eau.

Quelle que soit la variété des techniques d'injection d'eau, le mécanisme essentiel de l'altération de la mouillabilité est le changement des interactions triphasiques eau-huile-roche induit par les agents chimiques injectés. Pour les interactions eau-huile-roche, les interactions électrostatiques jouent un rôle profond dans l'altération de la mouillabilité, car les agents chimiques peuvent s'adsorber sur les surfaces rocheuses et modifier ensuite les charges de surface. Par exemple, les cations divalents peuvent favoriser la liaison de composants acides du brut à des surfaces rocheuses chargées négativement et modifier ainsi le potentiel électrique de la roche de négatif à positif. Par ailleurs, la chimie de l'eau elle-même peut affecter les charges sur les surfaces rocheuses. Ainsi, la charge de surface est définitivement l'un des facteurs les plus importants affectant la mouillabilité des surfaces rocheuses. Puah et al. ont montré que la charge de surface affectait à la fois la mouillabilité statique et la cinétique de mouillage des surfaces solides. Ils ont confirmé que l'angle de contact statique diminuait au-dessus et au-dessous du point de charge nulle de surface de manière類似 à Lippman, tandis que les données d'angle de contact dynamique peuvent être bien décrites par la théorie cinétique moléculaire.

Puisque la mouillabilité triphasique est directement liée aux interactions moléculaires entre eau-huile-roche, une étude à l'échelle moléculaire est nécessaire pour révéler les effets de la charge de surface sur la mouillabilité des surfaces rocheuses. Dans cet article, nous construisons une surface de dioxyde de silicium pour modéliser les surfaces de roches silicatées et étudions sa mouillabilité triphasique en tenant compte des charges de surface par la méthode de simulation de dynamique moléculaire (MD). Les effets de la charge de surface et leurs mécanismes sous-jacents sont révélés sous les aspects des distributions de densité numérique moléculaire, de la structure moléculaire sur les surfaces rocheuses, etc.

Méthodes

Système de simulation

Nous étudions la mouillabilité triphasique dans un système modèle où l'huile est modélisée par du décane, tandis que la roche est modélisée par du dioxyde de silicium. En particulier, la surface de dioxyde de silicium peut bien représenter les réservoirs gréseux. Pour calculer l'angle de contact de l'huile, cette dernière est enfermée dans l'eau sous forme de goutte cylindrique (voir Fig. 1). Pour la goutte cylindrique, les effets de la tension de ligne sur le calcul de l'angle de contact sont éliminés. Pour construire le substrat de dioxyde de silicium, un ensemble de cellules unitaires trigonales d'α-quartz est assemblé dans les directions [100], [010] et [001] respectivement. Ensuite, le cristal d'α-quartz est transformé d'un rhomboèdre en un cube de taille 15 × 15 × 1 nm³. Une grande attention est portée pour obtenir une structure de surface réaliste ; suivant la procédure de Puibasset et al., le cristal est d'abord coupé le long de la face cristallographique (111) et les atomes de silicium dans les tétraèdres incomplets sont retirés. Ensuite, les atomes d'oxygène non pontants, liés à un seul atome de silicium, sont saturés avec des atomes d'hydrogène. Ainsi, les faces supérieure et inférieure du substrat de dioxyde de silicium sont toutes deux saturées en hydrogène. Par conséquent, nous modifions simplement la charge de surface en ajoutant des charges partielles aux atomes d'hydrogène du haut sur la surface de dioxyde de silicium, tandis que le système entier reste neutre en ajoutant des charges partielles de valeurs inverses aux atomes d'hydrogène du bas. Les structures des molécules de décane et d'eau sont également montrées en Fig. 1.

Schéma du système de simulation. Vue latérale du système avec un cube d'huile entouré d'eau sur le substrat de dioxyde de silicium (gauche) et vues atomiques des molécules de décane et d'eau (droite)

Comme montré en Fig. 1, l'eau et l'huile sont initialement disposées sur le substrat de dioxyde de silicium et le cube d'huile est entouré de trois cubes d'eau de tailles différentes. Le cube d'huile a une dimension de 5 × 15 × 5 nm³ et est situé au centre du substrat. Les dimensions des cubes d'eau gauche et droit sont identiques à celle du cube d'huile, tandis que celle du cube d'eau supérieur est 15 × 15 × 5 nm³. Le nombre de molécules d'eau et de décane est déterminé par les tailles des cubes et les densités d'eau et d'huile à 300 K et 1 bar. Les densités de l'eau et de l'huile sont 1,000 et 0,725 g/cm³ respectivement ; le nombre de molécules d'eau et de décane est donc 58 319 et 1150 respectivement. L'arrangement des molécules est implémenté dans le logiciel Material Studio ; initialement, elles sont distribuées aléatoirement dans les boîtes spéciales. Ensuite, un calcul de minimisation d'énergie est effectué pour optimiser la géométrie moléculaire. Lorsque la simulation atteint l'équilibre, le cube d'huile évolue en une goutte cylindrique, tandis que les trois cubes d'eau fusionnent pour former une phase continue entourant la goutte d'huile.

Modèle MD

Nos simulations MD sont effectuées sur la plateforme LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator). Les simulations sont conduites dans un ensemble NVT à 300 K. Elles s'exécutent sur 5 millions de pas de temps avec un pas de 1 fs. Les coordonnées atomiques sont enregistrées toutes les 10 000 étapes pour observer l'évolution des gouttes d'huile et calculer les angles de contact. Le système atteint l'équilibre vers 2 millions de pas, comme montré en Fig. 2. Ainsi, les coordonnées atomiques pendant le dernier million de pas sont utilisées pour moyenniser les distributions de densité numérique moléculaire. Des conditions aux limites périodiques sont appliquées dans les directions x et y, tandis qu'une condition de réflexion est appliquée dans la direction z. Pendant les simulations, les atomes du SiO₂ massique sont fixés, mais les atomes O et H de surface sont flexibles sous le contrôle du thermostat Nose-Hoover.

Procédures de calcul des angles de contact des gouttes d'huile cylindriques

Les interactions atomiques entre eau-décane-dioxyde de silicium sont toutes modélisées par un potentiel Lennard-Jones 12-6 couplé à un terme polaire pour considérer à la fois les forces de Van der Waals et coulombiennes [30,31,32] :

$$ \phi \left({r}_{ij}\right)=\left\{\begin{array}{ll}4\varepsilon \left[{\left(\frac{\sigma }{r_{ij}}\right)}^{12}-{\left(\frac{\sigma }{r_{ij}}\right)}^6\right]+\frac{Cq_i{q}_j}{\chi {r}_{ij}}& \left({r}_{ij}<{r}_{\mathrm{cut}}\right)\\ {}0& \left({r}_{ij}\ge {r}_{\mathrm{cut}}\right)\end{array}\right. $$ (1)

où ε est le paramètre d'énergie, σ le paramètre de longueur, qᵢ et qⱼ les charges sur les atomes i et j, C la constante électrostatique, et χ la constante diélectrique. R_cut est la distance de coupure pour les forces de Van der Waals et électrostatiques à courte portée. La distance de coupure est fixée à 10 Å. Dans les simulations, les forces électrostatiques à longue portée sont considérées par la méthode particule-particule maillage-particule. Pour obtenir les paramètres de potentiel dans l'Éq. (1), le modèle TIP3P est adopté pour les molécules H₂O [33] ; pour les molécules de décane, le champ de force OPLS-AA est adopté [34] ; pour le substrat de dioxyde de silicium, le champ de force CVFF est adopté [35]. Les paramètres de potentiel non liants utilisés dans le système de simulation sont listés dans le Tableau 1. La règle de Lorentz-Berthelot est utilisée pour obtenir les paramètres de potentiel entre atomes croisés. Les interactions de liaison et les interactions diédrales entre quadruplets d'atomes dans une même molécule sont aussi correctement considérées. Pour les interactions de liaison, le modèle harmonique est appliqué, tandis que pour les interactions diédrales, le modèle de potentiel OPLS est appliqué [36].

Calcul de l'angle de contact

La mouillabilité de la surface de dioxyde de silicium est caractérisée par l'angle de contact de l'huile, obtenu à partir des distributions de densité des molécules d'huile dans les nano-gouttes. Au stade initial des simulations, la goutte d'huile évolue d'un cube à un demi-cylindre et atteint l'équilibre ; ce processus d'équilibration prend généralement 2 millions de pas, ce qui peut être confirmé par la variation temporelle du centre de masse des gouttes d'huile. À l'équilibre, la coordonnée du centre de masse reste constante dans la direction z. Comme la distribution de densité des molécules d'huile doit être moyennée pour les configurations huile-eau à l'équilibre, pour être doublement sûr, nous ne collectons les coordonnées atomiques que dans le dernier million de pas pour obtenir les distributions de densité. Pour moyenniser les densités numériques moléculaires, la zone huile/eau est divisée en nombreuses cellules cubiques régulières de taille 2 × 2 × 2 ų. En moyennant temporellement le nombre d'atomes apparus dans chaque cellule, on obtient le contour 3D et le contour 2D dans le plan x-z des distributions de densité des nano-gouttes d'huile. Il est noté que le contour 2D dans le plan x-z est obtenu en moyennant davantage le contour 3D dans la direction y. Avec le contour 2D, l'interface huile-eau est identifiée selon la règle suivante : à l'interface, la densité numérique des atomes d'huile dans les cellules d'interface est la moitié de la densité dans les cellules de phase bulk des gouttes d'huile (ρ_b). En tenant compte de l'épaisseur d'interface, les emplacements de telles cellules sont définis comme interface si les densités dans les cellules sont dans l'intervalle de 0,2ρ_b à 0,8ρ_b. En utilisant cette méthode, les points discrets sur l'interface peuvent être identifiés. Finalement, nous obtenons le profil d'interface en ajustant ces points discrets par un cercle et calculons l'angle de contact des gouttes d'huile. Dans l'ajustement, la position du centre (x₀, z₀) et le rayon r du cercle sont nécessairement obtenus. L'angle de contact θ peut être calculé comme θ = arccos(d/r), où d est la distance entre le centre du cercle et la ligne de base de la surface rocheuse dans la direction z (d = z_b − z₀, z_b est la position z de la ligne de base, z_b = 12,16 Å). Si la distance est négative, le centre du cercle est au-dessus de la surface rocheuse et l'angle de contact dépasse définitivement 90°. Les procédures de calcul complètes de l'angle de contact sont explicitement décrites en Fig. 2. Pour obtenir l'angle de contact de cette manière, il suffit d'analyser la goutte d'huile cylindrique dans le système de coordonnées cartésiennes.

Faute de données efficaces sur les angles de contact de gouttes d'huile entourées d'eau sur substrats de dioxyde de silicium, nous validons notre modèle de simulation en comparant les angles de contact de gouttes d'eau sphériques sur substrats de dioxyde de silicium. Nous menons une simulation individuelle pour obtenir l'angle de contact d'une nano-goutte d'eau avec 4179 molécules. Il est noté que dans la simulation de validation, les groupes hydroxyles sur la surface des substrats de dioxyde de silicium sont fixés comme dans d'autres travaux représentatifs. L'angle de contact mesuré est 7,8°, en bon accord avec celui du travail de Pafong et al. [37]. Ils ont rapporté un angle de contact d'eau de 7,0°, ce qui présente un écart relatif de seulement 10,3 %. Cet accord indique que notre modèle et méthode de simulation sont fiables.

Résultats et discussion

Angle de contact

En calculant les angles de contact des gouttes d'huile cylindriques, les variations de l'angle de contact avec la densité de charge de surface sont obtenues, comme montré en Fig. 3. On voit clairement que l'angle de contact dépend fortement de la densité de charge de surface ; de la surface chargée négativement à la surface chargée positivement, l'angle de contact des gouttes d'huile augmente significativement. Cela signifie que la surface rocheuse passe d'un état mouillable par l'huile à un état mouillable par l'eau à mesure que la charge de surface augmente de valeurs négatives à positives. Les contours de densité moyenne dans le plan x-z à diverses densités de charge de surface sont également insérés dans cette figure pour une compréhension intuitive de la variation de la mouillabilité de surface.

Variation des angles de contact avec la densité de charge de surface. Les images de contours des gouttes d'huile à différentes densités de charge sont également insérées

On peut aussi trouver dans la Fig. 3 que la surface rocheuse présente un état mouillable par l'eau très évident lorsque la densité de charge de surface atteint 0,992 e/nm². En dessous de cette valeur critique, la variation de l'angle de contact avec la densité de charge n'est pas évidente ; au-delà, l'angle de contact atteint 78,8° et l'état mouillable par l'eau est très apparent. On pense que la variation de l'angle de contact avec la charge de surface est causée par le changement des intentions eau-dioxyde de silicium et huile-dioxyde de silicium, car la charge de surface affecte les interactions entre eau-dioxyde de silicium et entre huile-dioxyde de silicium. Il doit être particulièrement noté que les résultats de simulation basés sur ce système idéal ne peuvent pas être directement comparés aux études expérimentales pour révéler la mouillabilité dépendante de la salinité dans les systèmes huile-eau-roche. Dans les études expérimentales, les cations dans la phase aqueuse peuvent avoir l'effet de modifier le potentiel électrique des surfaces rocheuses de négatif à positif, mais ce n'est définitivement pas leur seul effet. Les autres effets potentiels des cations peuvent inclure l'échange multi-ion et l'expansion de la double couche etc. [21, 38,39,40]. Par conséquent, c'est totalement différent pour les cas de changement de la charge de surface et de changement de la concentration des cations dans l'eau. En conséquence, les tendances de variation des angles de contact avec la densité de charge de surface et la concentration de cations peuvent différer. Dans cette étude de simulation, nous ne discutons que de l'effet des charges partielles sur la surface de dioxyde de silicium sur la mouillabilité triphasique dans un système huile-eau-roche très idéal. Ces résultats ne peuvent pas révéler directement les mécanismes de l'injection d'eau à basse salinité et guider ses applications en récupération assistée du pétrole, mais ils peuvent fournir des compréhensions de base sur la façon dont les charges de surface affectent la mouillabilité triphasique. Cette étude reste significative car elle révèle les rôles profonds des charges de surface sur la mouillabilité triphasique dans un système eau-décane-dioxyde de silicium.

Distribution de densité

Pour révéler les mécanismes de l'angle de contact dépendant de la densité de charge, nous analysons les distributions de densité des molécules d'huile le long de la direction de hauteur (direction z). La Figure 4a donne la densité moyenne des molécules d'huile dans chaque couche de largeur 0,2 nm le long de la direction de hauteur. Comme vu sur cette figure, au bas de la goutte cylindrique (c.-à-d. près de la surface du substrat), la densité d'huile est élevée et présente des distributions fluctuantes ; ce phénomène signifie que les molécules d'huile sont adsorbées sur les surfaces du substrat en structure en couches. Au sommet de la goutte cylindrique, la densité moyenne chute vers une valeur proche de zéro, car le sommet en forme d'arc de la goutte fait que le nombre de molécules d'huile dans les couches parallèles diminue à mesure que les couches approchent du sommet. Parallèlement, on constate qu'à mesure que les charges de surface passent de valeurs négatives à positives, la densité numérique dans les couches d'adsorption diminue progressivement ; cela indique que l'intensité d'adsorption des molécules d'huile s'affaiblit avec l'augmentation des charges de surface. L'affaiblissement de l'adsorption des molécules d'huile implique une zone de contact plus petite entre la surface du substrat et la goutte d'huile et par conséquent un angle de contact plus grand. L'augmentation des angles de contact des gouttes d'huile peut aussi se refléter dans la variation des hauteurs des gouttes d'huile avec les charges de surface. Comme vu en Fig. 4a, la hauteur de la goutte d'huile augmente avec l'augmentation des charges de surface ; cela signifie qu'à des charges de surface plus élevées, les gouttes d'huile sont plus élancées et les angles de contact sont plus grands. L'affaiblissement de l'adsorption des molécules d'huile aux charges de surface positives peut être confirmé par l'énergie du système des systèmes eau-décane-dioxyde de silicium. Comme montré en Fig. 4b, l'énergie du système moyennée dans le temps augmente avec l'augmentation des charges de surface. Plus l'énergie du système positive est élevée, plus les attractions entre molécules d'huile et dioxyde de silicium sont faibles. La figure insérée montre les variations temporelles de l'énergie du système pour la surface de dioxyde de silicium neutre.

a Distributions de densité des molécules d'huile le long de la direction z ; b Énergie du système moyennée dans le temps à différentes densités de charge de surface

La variation de l'angle de contact avec la charge de surface peut aussi se refléter dans les distributions de densité numérique moléculaire le long de la direction x. Comme montré en Fig. 5, les distributions de densité numérique le long de la direction x dans le plan x-y à une hauteur de 1,9 nm dans la direction z présentent un plateau dans la partie centrale. La largeur du plateau est liée à la section transversale de la goutte dans le plan x-y, tandis que la hauteur du plateau est liée à la densité numérique moléculaire dans les gouttes. La largeur et la hauteur du plateau varient distinctement à différentes charges de surface, ce qui correspond aux différentes formes des gouttes cylindriques et bien sûr aux différents angles de contact. Pour les angles de contact plus faibles, le plateau est plus large ; pour les angles de contact plus élevés, le plateau est plus étroit. Il est noté que la hauteur du plateau pour la densité de charge 7,936 e/nm² est particulièrement basse, car près de la surface de dioxyde de silicium les distributions de densité ont une grande fluctuation (voir Fig. 4a) et, dans certains cas, les densités moléculaires à la hauteur de 1,9 nm sont juste situées aux creux des distributions de densité.

Distributions de densité des molécules d'huile le long de la direction x dans le plan x-y avec une hauteur de 1,9 nm dans la direction z

Nous obtenons également les distributions de densité des charges négatives des atomes à l'intérieur des gouttes cylindriques, comme montré en Fig. 6. Fondamentalement, les charges négatives présentent une distribution très non uniforme. Dans les zones adjacentes à la surface de dioxyde de silicium, la densité de charges négatives est extrêmement élevée, tandis que dans les zones éloignées de la surface, les charges négatives se distribuent uniformément. Par ailleurs, dans les zones de haute densité adjacentes à la surface, les charges négatives se distribuent couche par couche. La distribution en couches des charges négatives est directement liée à la structure en couches des molécules d'huile près de la surface de dioxyde de silicium, car les charges négatives sont directement associées aux atomes de carbone dans les molécules d'huile. De plus, on constate que les distributions de densité des charges négatives ont une légère diversité à différentes densités de charge de surface. À mesure que la densité de charge de surface augmente, la distribution en couches des charges négatives devient de plus en plus floue. Cela est lié aux zones de contact réduites des nano-gouttes avec les surfaces de dioxyde de silicium ; à des densités de charge élevées, les zones de contact sont réduites et la structure en couches des molécules d'huile devient inapparente en raison des interactions de solvatation affaiblies.

Distributions de densité de charges négatives à l'intérieur des gouttes d'huile cylindriques dans le plan x-z. a −1,984 e/nm². b −0,992 e/nm². c −0,1984 e/nm². d 0,0 e/nm². e 0,1984 e/nm². f 0,992 e/nm². g 1,984 e/nm². h 3,968 e/nm². i 5,952 e/nm². j 7,936 e/nm²

Structure moléculaire

Les structures moléculaires dans le système eau-décane-dioxyde de silicium sont également très importantes pour la compréhension de la mouillabilité triphasique. Nous essayons d'analyser les structures moléculaires de l'huile et de l'eau à partir de la fonction de distribution radiale (RDF, g(r)) et des orientations moléculaires. La Figure 7 donne les distributions RDF des molécules d'huile et d'eau et les orientations des molécules d'huile sur la surface de dioxyde de silicium neutre. Les distributions RDF des paires atomiques O–O et C–C sont totalement différentes (voir Fig. 7a), à savoir, les distributions RDF des atomes C–C ont plus d'ondulations que celles des atomes O–O et les valeurs des pics pour les atomes C–C sont plus élevées. En couplant avec les significations physiques des fonctions RDF, on peut conclure aisément que les molécules d'huile sont fortement adsorbées sur les surfaces de dioxyde de silicium avec plusieurs couches, tandis que les molécules d'eau sont faiblement adsorbées et une seule couche d'adsorption apparaît. Le phénomène d'adsorption peut aussi être vu dans les cartes insérées en Fig. 7a, où les instantanés d'équilibre des molécules d'huile et d'eau sur la surface de dioxyde de silicium neutre sont affichés. Les couches d'adsorption évidentes des molécules d'huile peuvent être confirmées par les distributions de densité numérique en Fig. 4a. En général, la structure en couches des molécules liquides sur une surface solide est liée aux interactions liquide-solide. Pour des interactions liquide-solide fortes, les molécules liquides près de la surface solide se distribuent couche par couche le long de la direction normale à la surface, tandis que pour des interactions faibles, la structure en couches n'est pas très apparente [42]. Dans cette étude, les interactions entre l'eau et le dioxyde de silicium sont relativement plus faibles comparées à celles entre l'huile et le dioxyde de silicium. Ainsi, la structure en couches des molécules d'huile près de la surface solide est plus évidente que celle des molécules d'eau.

Structures moléculaires sur la surface de dioxyde de silicium neutre. a Distributions RDF des molécules d'huile et d'eau. b Orientations des molécules d'huile situées à différentes hauteurs dans la direction z

Pour refléter davantage les orientations des molécules d'huile à chaîne longue sur les surfaces de dioxyde de silicium, nous obtenons les angles entre les molécules d'huile et les surfaces de dioxyde de silicium pour les molécules situées à différentes hauteurs dans la direction z, comme montré en Fig. 7b. L'angle θ est défini comme l'angle de croisement entre la ligne de base de la surface de dioxyde de silicium et la ligne centrale d'une molécule d'huile, où la ligne centrale est définie comme la ligne moyenne de la ligne de connexion entre C1 et C6 et la ligne de connexion entre C1 et C10. Le numéro de séquence des atomes de carbone dans une molécule d'huile commence par l'extrémité de la molécule qui est plus adjacente à la surface de dioxyde de silicium. La définition de l'angle θ est également insérée en Fig. 7b. Comme vu sur cette figure, les angles pour la majorité des molécules d'huile sont très petits, surtout pour les molécules d'huile près de la surface de dioxyde de silicium. Cela signifie que les molécules d'huile sont adsorbées sur la surface de dioxyde de silicium avec une orientation parallèle à la surface. Ce phénomène peut aussi être confirmé par les cartes insérées en Fig. 7a.

Conclusions

En utilisant des simulations MD, nous étudions les effets de la densité de charge de surface sur les angles de contact de l'huile dans un système eau-décane-dioxyde de silicium. Les résultats montrent que l'angle de contact des nano-gouttes d'huile augmente significativement à mesure que la charge de surface augmente de valeurs négatives à positives. Lorsque la densité de charge de surface dépasse une valeur critique de 0,992 e/nm², l'angle de contact atteint 78,8° et l'état mouillable par l'eau est très apparent. La variation des angles de contact peut être confirmée par les distributions de densité des molécules d'huile le long des directions x et z. La diminution de la densité numérique des molécules d'huile dans les couches d'adsorption et l'augmentation de la hauteur de la goutte d'huile signifient toutes deux un angle de contact plus grand aux densités de charge plus élevées. En raison de la structure en couches des molécules d'huile près de la surface de dioxyde de silicium, les charges négatives adjacentes à la surface à l'intérieur des gouttes d'huile se distribuent également couche par couche. À mesure que la densité de charge de surface augmente, la distribution en couches des charges négatives (molécules d'huile) devient de plus en plus floue en raison des interactions huile-dioxyde de silicium affaiblies. Les distributions RDF des molécules d'huile et d'eau et les distributions d'orientation moléculaire montrent également que les molécules d'huile sont adsorbées sur les surfaces de dioxyde de silicium couche par couche avec une orientation parallèle aux surfaces. Ces résultats ont des implications significatives pour la compréhension de l'altération de la mouillabilité induite par les ions et autres agents chimiques dans la phase aqueuse, en particulier pour la compréhension des rôles profonds des charges de surface sur la mouillabilité triphasique dans un système eau-décane-dioxyde de silicium.

Abréviations

CVFF:

Champ de force à valence consistante

EOR:

Récupération assistée du pétrole

LAMMPS:

Simulateur massivement parallèle atomique/moléculaire à grande échelle

MD:

Dynamique moléculaire

OPLS-AA:

Potentiels optimisés pour simulations liquides tout-atome

RDF:

Fonction de distribution radiale