一种在纳米尺度下测定液滴润湿角的方法、系统及介质与流程

1.本发明涉及石油开发技术领域，尤其涉及一种在纳米尺度下测定液滴润湿角的方法、系统及介质。


背景技术：

2.润湿性在石油开发领域有着非常重要的意义，在微观尺度下，润湿性决定油水两相在孔隙中的分布，反之，微观尺度下的油水分布在宏观上又会影响流动方程和毛管压力曲线，这对流体在孔隙中流动表现、特征起着关键作用。纳米尺度下，润湿性表现为液相与固体表面、液体与液体间相互作用的结果，即取决分子间范德华力和库仑力共同作用。
3.由于尺度上的限制，常规的实验方法难以开展纳米尺度下的润湿性研究和进行定量的特征描述，再者，实验研究方法具有环境条件受限的缺点，比如在一些需要极高温、极高压的研究环境情况下，实验手段则无法达到研究目的。为此，考虑到现有实验研究手段的不足和研究尺度(纳米)的特殊性，分子动力学模拟的方法常常被应用到相关研究中，以解决上述问题。在分子模拟中，液相以分子形式聚集在固体界面上，在液—固、液—液分子作用力下，液滴逐渐在固体表面铺展，直到处于热平衡状态。平衡状态下，测定液相与固相的接触点处液固界面和液态表面切线的夹角，即为润湿角，润湿角是定量表征润湿性的指标。但是，在热力学平衡态下，系统中的分子并不是静止不动，而是在做高速的热运动，并且相互碰撞，因此，在此状态下准确快速地测定液滴的润湿角是非常困难的。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于：针对上述现有技术中存在的不足，提供一种在纳米尺度下测定液滴润湿角的方法、系统及介质，其能够准确计算在纳米尺度下准确计算液滴的润湿角，从而为后续开展润湿性机理研究、认识润湿性对提高采收率影响提供理论支持。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.第一方面，本发明提供一种在纳米尺度下测定液滴润湿角的方法，包括以下步骤：
7.在分子模拟中，待纳米液滴处于平衡态后，记录每一个纳米液滴分子在每一时间步的坐标信息；
8.待所述纳米液滴处于平衡态后，沿所述纳米液滴主体边缘向外进行空间划分以在所述纳米液滴主体外形成多个区间；
9.计算每一所述区间内原子的数密度；
10.绘制原子数密度云图，确定所述纳米液滴的液滴界面；
11.拟合所述液滴界面，测定出润湿角。
12.进一步的，所述的沿所述纳米液滴边缘向外进行空间划分的方法为：
13.以所述纳米液滴主体底面中心为中心自所述纳米液滴主体边缘沿所述纳米液滴径向向外划分多个圆环体区间，并沿所述纳米液滴高度方向将每一所述圆环体区间划分为多个小圆环体区间。
14.进一步的，每一小圆环区间的高度δh为每一个圆柱体环的厚度δr为
15.进一步的，所述的计算每一所述区间内原子的数密度包括以下步骤：
16.统计出平衡态后每一时间步落于每一小圆环体区间中的纳米液滴分子数目；
17.计算系综平均后每一所述小圆环体区间内的平均原子数目；
18.计算系综平均后每一所述小圆环体区间内原子的数密度。
19.进一步的，所述的计算系综平均后每一所述小圆环体区间内的平均原子数目通过以下公式计算：
[0020][0021]
式中：为平均原子数；ni为当前时间步下落在第i个圆柱体区间中的原子数；n
t
为求系综平均时的总时间步数；te为液滴处于平衡态的时间，t为模拟总时间。
[0022]
进一步的，所述的计算系综平均后每一所述小圆环体区间内原子的数密度通过以下公式计算：
[0023][0024]
式中：ρn为所求的原子的数密度；vi为第i个小圆环体区间的体积。
[0025]
进一步的，所述的绘制原子数密度云图，确定所述纳米液滴的液滴界面的方法为：以所述纳米液滴径向半径为横坐标，以所述纳米液滴高度为纵坐标绘制原子数密度云图，确定出原子的数密度为所述纳米液滴主体密度一半的点为液滴界面。
[0026]
进一步的，所述的拟合所述液滴界面通过最小二乘法圆弧拟合。
[0027]
第二方面，本发明提供一种在纳米尺度下测定液滴润湿角的系统，包括：
[0028]
第一单元，用于在分子模拟中，记录每一个纳米液滴分子在纳米液滴处于平衡态后在每一时间步的坐标信息；
[0029]
第二单元，用于在纳米液滴处于平衡态后，沿纳米液滴主体边缘向外进行空间划分以在纳米液滴外形成多个区间；
[0030]
第三单元，用于计算纳米液滴外每一区间内原子的数密度；
[0031]
第四单元，用于绘制原子数密度云图，确定纳米液滴的液滴界面；
[0032]
第五单元，用于拟合液滴界面，测定出润湿角。
[0033]
第三方面，本发明提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述第一方面中所述的在纳米尺度下测定液滴润湿角的方法的步骤。
[0034]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0035]
(1)本发明提供的在纳米尺度下测定液滴润湿角的方法，可实现快速测定润湿角，不仅操作简单可行，并且显著降低了成本；
[0036]
(2)本发明提供的在纳米尺度下测定液滴润湿角的方法无需进行任何实验测试，降低了研究成本，减少了作业周期，进而达到降本增效的目的。
附图说明
[0037]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。需要说明的是，在所有附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
[0038]
图1为本发明实施例中所述在纳米尺度下测定液滴润湿角的方法的流程图；
[0039]
图2为本发明实施例中处于平衡态下的纳米液滴的形状
[0040]
图3为本发明一实施例中的空间划分俯视示意图；
[0041]
图4为本发明一实施例中的空间划分侧视示意图；
[0042]
图5为本发明一实施例中所绘制的原子的数密度云图。
具体实施方式
[0043]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，使用术语“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对上述零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0045]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0046]
现有技术中，分子动力学模拟的方法经常被应用到纳米尺度下的润湿性研究中。在分子动力学模拟中，液相以分子形式聚集在固体界面上，在液—固、液—液分子作用力下，液滴逐渐在固体表面铺展，直到处于热平衡状态。在热平衡状态下，测定液相与固相的接触点处液固界面和液态表面切线的夹角，即为润湿角，润湿角是定量表征润湿性的指标。但是，在热力学平衡态下，系统中的分子并不是静止不动，而是在做高速的热运动，并且相互碰撞，在此状态下准确快速地测定液滴的润湿角是非常困难的。因此，本发明提供了一种在纳米尺度下测定液滴润湿角的方法、系统及介质，用以准确快速地测定润湿角，为后续开展润湿性机理研究和认识润湿性对提高采收率影响提供理论支持。
[0047]
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0048]
实施例一
[0049]
如图1所示，本发明实施例提供了一种在纳米尺度下测定液滴润湿角的方法，包括以下步骤：
[0050]
s100.在分子模拟中，待纳米液滴处于平衡态后，记录每一个纳米液滴分子在每一时间步的坐标信息；图2中示出了处于平衡态下的纳米液滴的形状。
[0051]
s200.待纳米液滴处于平衡态后，沿纳米液滴主体边缘向外进行空间划分以在纳米液滴主体外形成多个区间；
[0052]
具体的，如图3和图4所示，以纳米液滴主体底面中心or为中心自纳米液滴主体边缘沿纳米液滴径向向外划分多个圆环体区间，沿纳米液滴高度方向将每一圆环体区间划分为多个小圆环体区间；
[0053]
优选的，每一小圆环区间的高度δh为每一个圆柱体环的厚度δr为
[0054]
可以理解的是，在本发明的其它一些实施例中，每一小圆环区间的高度δh和厚度δr可以根据实际需要进行相应设置。
[0055]
s300.计算每一小圆环体区间内原子的数密度；
[0056]
具体的，计算每一小圆环体区间内原子的数密度包括以下步骤：
[0057]
s301.统计出平衡态后每一时间步落于每一小圆环体区间中的纳米液滴分子数目；
[0058]
s302.计算系综平均后每一小圆环体区间内的平均原子数目，计算公式如下：
[0059][0060]
式中：为平均原子数；ni为当前时间步下落在第i个圆柱体区间中的原子数；n
t
为求系综平均时的总时间步数；te为液滴处于平衡态的时间，t为模拟总时间。
[0061]
s303.计算系综平均后每一小圆环体区间内原子的数密度，计算公式如下：
[0062][0063]
式中：ρn为所求的原子的数密度；vi为第i个小圆环体区间的体积。
[0064]
s400.绘制原子数密度云图，确定纳米液滴的界面；
[0065]
具体的，本步骤中在已知每一小圆环体区间内原子的数密度基础上，以液滴径向半径为横坐标，液滴高度为纵坐标绘制原子的数密度云图，确定出原子的数密度为液滴主体密度一半的点为液滴界面。
[0066]
s500.拟合液滴界面，计算测定出润湿角；
[0067]
具体的，本步骤中应用最小二乘法圆弧拟合液滴界面，最小二乘法圆弧与固体界面的切点夹角为所求的润湿角。
[0068]
图5中示出了本发明一实施中的原子的数密度云图，图中圆弧曲线为拟合液滴界面(数密度为的结果，rb为拟合圆弧的底面半径，白色横线为固体界面，圆弧曲
线与固体界面的接触点处液固界面和液相表面切线的夹角即为润湿角θ。
[0069]
实施例二
[0070]
实施例一中提供了在纳米尺度下测定液滴润湿角的方法，与之相对应地，本实施例提供一种在纳米尺度下测定液滴润湿角的系统。本实施例提供的系统可以实施实施例一中在纳米尺度下测定液滴润湿角的方法，该系统可以通过软件、硬件或软硬结合的方式来实现。为了描述的方便，描述本实施例时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。例如，该系统可以包括集成的或分开的功能模块或功能单元来执行实施例一各方法中的对应步骤。由于本实施例的系统基本相似于方法实施例，所以本实施例描述过程比较简单，相关之处可以参见实施例一的部分说明即可，本发明提供的在纳米尺度下测定液滴润湿角的系统的实施例仅仅是示意性的。
[0071]
具体的，本实施例提供的在纳米尺度下测定润湿角的系统，包括：
[0072]
第一单元，用于在分子模拟中，记录每一个纳米液滴分子在纳米液滴处于平衡态后在每一时间步的坐标信息；
[0073]
第二单元，用于在纳米液滴处于平衡态后，沿纳米液滴主体边缘向外进行空间划分以在纳米液滴外形成多个区间；
[0074]
第三单元，用于计算纳米液滴外每一区间内原子的数密度；
[0075]
第四单元，用于绘制原子数密度云图，确定纳米液滴的液滴界面；
[0076]
第五单元，用于拟合液滴界面，测定出润湿角。
[0077]
实施例三
[0078]
本发明实施例一提供的在纳米尺度下测定液滴润湿角的方法可被具体实现为一种计算机程序产品，计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于执行本发明实施例一中提供的在纳米尺度下测定液滴润湿角的方法的计算机可读程序指令。
[0079]
计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意组合。
[0080]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种在纳米尺度下测定液滴润湿角的方法，其特征在于，包括以下步骤：在分子模拟中，待纳米液滴处于平衡态后，记录每一个纳米液滴分子在每一时间步的坐标信息；待所述纳米液滴处于平衡态后，沿所述纳米液滴主体边缘向外进行空间划分以在所述纳米液滴主体外形成多个区间；计算每一所述区间内原子的数密度；绘制原子数密度云图，确定所述纳米液滴的液滴界面；拟合所述液滴界面，测定出润湿角。2.如权利要求1所述的在纳米尺度下测定液滴润湿角的方法，其特征在于，所述的沿所述纳米液滴边缘向外进行空间划分的方法为：以所述纳米液滴主体底面中心为中心自所述纳米液滴主体边缘沿所述纳米液滴径向向外划分多个圆环体区间，并沿所述纳米液滴高度方向将每一所述圆环体区间划分为多个小圆环体区间。3.如权利要求2所述的在纳米尺度下测定液滴润湿角的方法，其特征在于，每一小圆环区间的高度δh为每一个圆柱体环的厚度δr为4.如权利要求3所述的在纳米尺度下测定液滴润湿角的方法，其特征在于，所述的计算每一所述区间内原子的数密度包括以下步骤：统计出平衡态后每一时间步落于每一小圆环体区间中的纳米液滴分子数目；计算系综平均后每一所述小圆环体区间内的平均原子数目；计算系综平均后每一所述小圆环体区间内原子的数密度。5.如权利要求4所述的在纳米尺度下测定液滴润湿角的方法，其特征在于，所述的计算系综平均后每一所述小圆环体区间内的平均原子数目通过以下公式计算：式中：为平均原子数；n
i
为当前时间步下落在第i个圆柱体区间中的原子数；n
t
为求系综平均时的总时间步数；t
e
为液滴处于平衡态的时间，t为模拟总时间。6.如权利要求5所述的在纳米尺度下测定液滴润湿角的方法，其特征在于，所述的计算系综平均后每一所述小圆环体区间内原子的数密度通过以下公式计算：式中：ρ
n
为所求的原子的数密度；v
i
为第i个小圆环体区间的体积。7.如权利要求1所述的在纳米尺度下测定液滴润湿角的方法，其特征在于，所述的绘制原子数密度云图，确定所述纳米液滴的液滴界面的方法为：以所述纳米液滴径向半径为横坐标，以所述纳米液滴高度为纵坐标绘制原子数密度云图，确定出原子的数密度为所述纳米液滴主体密度一半的点为液滴界面。
8.如权利要求1所述的在纳米尺度下测定液滴润湿角的方法，其特征在于，所述的拟合所述液滴界面通过最小二乘法圆弧拟合。9.一种在纳米尺度下测定液滴润湿角的系统，其特征在于，包括：第一单元，用于在分子模拟中，记录每一个纳米液滴分子在纳米液滴处于平衡态后在每一时间步的坐标信息；第二单元，用于在纳米液滴处于平衡态后，沿纳米液滴主体边缘向外进行空间划分以在纳米液滴外形成多个区间；第三单元，用于计算纳米液滴外每一区间内原子的数密度；第四单元，用于绘制原子数密度云图，确定纳米液滴的液滴界面；第五单元，用于拟合液滴界面，测定出润湿角。10.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-8中任一项所述的在纳米尺度下测定液滴润湿角的方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种在纳米尺度下测定液滴湿润角的方法，包括以下步骤：(1)在分子模拟中，待纳米液滴处于平衡态后，记录每一个纳米液滴分子在每一时间步的坐标信息；(2)待所述纳米液滴处于平衡态后，沿所述纳米液滴主体边缘向外进行空间划分以在所述纳米液滴主体外形成多个区间；(3)计算每一所述区间内原子的数密度；(4)绘制原子数密度云图，确定所述纳米液滴的液滴界面；(5)拟合所述液滴界面，测定出润湿角。与现有技术相比，本发明能够准确计算在纳米尺度下准确计算液滴的润湿角，从而为后续开展润湿性机理研究、认识润湿性对提高采收率影响提供理论支持。率影响提供理论支持。率影响提供理论支持。


技术研发人员：雍唯 未志杰 周文胜 刘玉洋 李鹏 崔永正
受保护的技术使用者：中海石油（中国）有限公司北京研究中心
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/14