DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-01127-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40360554
تاريخ النشر: 2025-05-13
المؤلف: Mehdi Razavifar وآخرون
الموضوع الرئيسي: الالتصاق والاحتكاك والتفاعلات السطحية
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تأثير خشونة السطح على قابلية البلل للأسطح الصلبة عند الاتصال مع سوائل مختلفة، بما في ذلك الن-هبتان، النفط الخام (CO)، المياه المالحة، والمياه المنزوعة الأيونات (DW). استخدمت الدراسة ورق الصنفرة بمستويات خشونة متفاوتة لتقييم زوايا الاتصال في أنظمة السائل-الصلب المختلفة. تشير النتائج إلى أن زيادة خشونة السطح تقلل عمومًا من ميل الأسطح للسوائل، مع ملاحظات ملحوظة بين الأنظمة المائية وأنظمة الهيدروكربونات. على سبيل المثال، بينما تعزز الخشونة من خاصية الكارهية للماء في أنظمة DW والمياه المالحة، فإنها تقلل بشكل كبير من زاوية الاتصال للنفط الخام، مما يشير إلى تفاعل معقد بين خصائص السطح وكيمياء السائل.
تؤكد الاستنتاجات على أن قابلية البلل لا تحدد فقط من خلال خشونة السطح، ولكن تتأثر بالتفاعلات السائلة المحددة والتأثيرات الأيونية للمياه المالحة. تتحدى الدراسة النماذج التقليدية لقابلية البلل، مما يبرز الحاجة إلى أطر متقدمة تأخذ في الاعتبار العلاقات الديناميكية بين خصائص السوائل وتضاريس السطح. هذه الرؤى حاسمة لتحسين استرداد النفط وإدارة التدفق، حيث تكشف كيف يمكن أن تعزز خشونة السطح من إزاحة النفط وتقلل من الاحتجاز الشعري. تدعو الدراسة إلى مزيد من الاستكشاف للتفاعلات على المستوى الجزيئي عند الواجهات الخشنة لتحسين التحكم التنبؤي في قابلية البلل في بيئات النفط المعقدة.
الطرق
في هذه الدراسة، تم استخدام خمسة أنواع من ورق الصنفرة من كربيد السيليكون بمستويات خشونة متفاوتة لإنشاء أسطح ذات خشونة مضبوطة بدقة. تم تحليل معلمات الخشونة، بما في ذلك خشونة الجذر التربيعي المتوسط (RMS) ($S_q$)، والانحراف ( skewness) ($S_{sk}$)، والكورتوز (kurtosis) ($S_{ku}$)، عبر أحجام حبيبات مختلفة. انخفضت خشونة RMS مع الحبيبات الأكثر دقة، حيث أظهرت الحبيبات الخشنة (40-80) قيمًا تتراوح بين 20 إلى 50 ميكرومتر، والحبيبات المتوسطة (100-220) تتراوح من 5 إلى 20 ميكرومتر، والحبيبات الدقيقة (400-2000) تظهر قيمًا من 1 إلى 5 ميكرومتر. تحول الانحراف من إيجابي قليلاً للحبيبات الخشنة إلى شبه متماثل للحبيبات الأكثر دقة، مما يعكس توزيع انحرافات ارتفاع السطح.
لقياسات زاوية الاتصال، تم استخدام محلل على شكل قطرة (DSA100 Krüss) لتقييم التفاعل بين الأسطح المعدة والسوائل المختلفة، بما في ذلك المياه المنزوعة الأيونات (DW)، والمياه المالحة، والن-هبتان، وثاني أكسيد الكربون (CO). أفادت الدراسة بزوايا الاتصال الثابتة، والمتقدمة، والمتراجعة، مع نتائج تستند إلى متوسط نسختين والانحراف المعياري المشار إليه بواسطة أشرطة الخطأ. تم إجراء جميع القياسات عند درجة حرارة وضغط محيطين، مع مخططات مرفقة توضح طرق القياس لزوايا الاتصال وتفاعلات النفط والماء.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات المنفذة. يسلط الضوء على اتجاهات البيانات المهمة، والنتائج الإحصائية، وأي علاقات أو أنماط ملحوظة تتعلق بفرضيات الدراسة. عادةً ما يتم توضيح النتائج من خلال الأشكال والجداول، التي توفر تمثيلًا بصريًا للبيانات، مما يعزز الوضوح والفهم.
قد يناقش القسم أيضًا تداعيات النتائج، مقارنًا إياها بالأدبيات الموجودة لوضع النتائج في سياق أوسع لمجال الدراسة. يتم الاعتراف بأي قيود واجهت خلال عملية البحث، وقد يتم اقتراح اقتراحات لاتجاهات البحث المستقبلية بناءً على النتائج الملاحظة. بشكل عام، يخدم هذا القسم لتأكيد أهداف البحث والمساهمة في النقاش المستمر في المجال الأكاديمي ذي الصلة.
المناقشة
يقيم قسم المناقشة في ورقة البحث التفاعل المعقد بين خشونة السطح، وتركيب السائل، وقابلية البلل، متحديًا النماذج التقليدية مثل معادلات وينزل وكاسي-باكستر. تشير النتائج إلى أن خشونة السطح غير المتجانسة تؤثر بشكل كبير على زوايا الاتصال عبر أنظمة السوائل المختلفة، حيث تلعب طبيعة السائل وتفاعلاته مع السطح أدوارًا حاسمة. على سبيل المثال، بينما تعزز زيادة الخشونة عمومًا من قابلية البلل لبعض السوائل، يمكن أن تؤدي بشكل متناقض إلى زوايا اتصال أعلى للبعض الآخر، خاصةً عندما يتم احتجاز الهواء تحت القطرات على الأسطح الخشنة. يشير هذا إلى أن الافتراضات الأساسية لنماذج وينزل وكاسي-باكستر قد لا تكون صحيحة في حالات الخشونة غير المتجانسة، حيث تعقد التفاعلات بين الهواء المحتجز والقطرة النتائج المتوقعة.
علاوة على ذلك، تسلط الدراسة الضوء على أن الخصائص الكيميائية للسوائل، مثل الملوحة واللزوجة، تعدل سلوكيات قابلية البلل. على سبيل المثال، أظهرت المياه المالحة زوايا اتصال أعلى مقارنة بالمياه المنزوعة الأيونات بسبب تركيبها الأيوني، الذي يقلل من ميل السطح. النموذج التجريبي الذي تم تطويره في هذا البحث يظهر ارتباطًا قويًا مع البيانات التجريبية، مما يبرز ضرورة أخذ التفاعلات الخاصة بالسائل وخصائص السطح في الاعتبار عند توقع قابلية البلل. في النهاية، تؤكد النتائج على قيود الأطر النظرية الحالية في التقاط ديناميات قابلية البلل بدقة على الأسطح الخشنة، داعيةً إلى نماذج أكثر دقة تأخذ في الاعتبار تعقيدات التطبيقات الواقعية.
القيود
تسلط الدراسة الضوء على قيود كبيرة في تطبيق نظريات قابلية البلل الكلاسيكية، مثل نماذج وينزل وكاسي-باكستر، عند معالجة تعقيدات تفاعلات السوائل مع تضاريس السطح غير المتجانسة. من خلال التحقيق في أنظمة السائل-الهواء-الصلب والسائل-السائل-الصلب، تكشف الدراسة أن خشونة السطح غير المتجانسة تؤثر بشكل كبير على قابلية البلل عبر أنواع السوائل المختلفة، بما في ذلك النفط الخام، والمياه المنزوعة الأيونات، والمياه المالحة، والن-هبتان. تستخدم التحليل التجريبي حبيبات ورق صنفرة مختلفة (P80-P2000) لتأسيس اتجاهات تعتمد على الخشونة في زوايا الاتصال الثابتة والديناميكية.
تؤكد النتائج على ضرورة وجود أطر نظرية متقدمة تأخذ في الاعتبار التفاعل بين طاقة السطح، قطبية السائل، والديناميات الأيونية، حيث أن النماذج الحالية لا تلتقط هذه الديناميات بشكل كافٍ. فهم تأثير خشونة السطح على زوايا اتصال النفط الخام أمر حاسم لتحسين تقنيات استرداد النفط، وتحسين إدارة التدفق، وزيادة دقة نمذجة الخزانات. يمكن أن تؤدي الرؤى المستفادة من هذا البحث إلى حلول هندسية مصممة خصيصًا تعزز الكفاءة التشغيلية في أنظمة النفط، خاصةً في إنتاج الصخر الزيتي ومنع انسداد الأنابيب.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-01127-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40360554
Publication Date: 2025-05-13
Author(s): Mehdi Razavifar et al.
Primary Topic: Adhesion, Friction, and Surface Interactions
Overview
This research investigates the influence of surface roughness on the wettability of solid surfaces in contact with various fluids, including n-heptane, crude oil (CO), brine, and deionized water (DW). The study utilized sandpaper with varying roughness levels to assess contact angles in different fluid-solid systems. Findings indicate that increased surface roughness generally reduces the affinity of surfaces for fluids, with notable differences observed between aqueous and hydrocarbon systems. For instance, while roughness enhances hydrophobicity in DW and brine systems, it significantly decreases the contact angle for crude oil, suggesting a complex interplay between surface characteristics and fluid chemistry.
The conclusions emphasize that wettability is not solely determined by surface roughness but is influenced by the specific fluid interactions and the ionic effects of brine. The study challenges traditional wettability models, highlighting the need for advanced frameworks that consider the dynamic relationships between fluid properties and surface topography. These insights are crucial for optimizing oil recovery and flow management, as they reveal how surface roughness can enhance oil displacement and reduce capillary trapping. The research advocates for further exploration of molecular-scale interactions at rough interfaces to improve predictive control of wettability in complex petroleum environments.
Methods
In this study, five types of silicon carbide sandpapers with varying roughness levels were employed to create surfaces with precisely controlled roughness. The roughness parameters, including root mean square (RMS) roughness ($S_q$), skewness ($S_{sk}$), and kurtosis ($S_{ku}$), were analyzed across different grit sizes. The RMS roughness decreased with finer grits, with coarse grit (40-80) exhibiting values between 20 to 50 μm, medium grit (100-220) ranging from 5 to 20 μm, and fine grit (400-2000) showing values from 1 to 5 μm. The skewness shifted from slightly positive for coarse grits to near-symmetric for finer grits, reflecting the distribution of surface height deviations.
For the contact angle measurements, a drop-shaped analyzer (DSA100 Krüss) was utilized to assess the interaction between the prepared surfaces and various fluids, including deionized water (DW), brine, n-heptane, and carbon dioxide (CO). The study reported static, advancing, and receding contact angles, with results based on the mean of two replicates and standard deviation indicated by error bars. All measurements were conducted at ambient temperature and pressure, with accompanying schematics illustrating the measurement methods for contact angles and oil-water interactions.
Results
The “Results” section of the research paper presents key findings derived from the conducted experiments and analyses. It highlights significant data trends, statistical outcomes, and any observed correlations or patterns relevant to the study’s hypotheses. The results are typically illustrated through figures and tables, which provide a visual representation of the data, enhancing clarity and comprehension.
The section may also discuss the implications of the findings, comparing them with existing literature to contextualize the results within the broader field of study. Any limitations encountered during the research process are acknowledged, and suggestions for future research directions may be proposed based on the outcomes observed. Overall, this section serves to validate the research objectives and contribute to the ongoing discourse in the relevant academic domain.
Discussion
The discussion section of the research paper evaluates the complex interplay between surface roughness, fluid composition, and wettability, challenging traditional models like Wenzel’s and Cassie-Baxter’s equations. The findings indicate that heterogeneous surface roughness significantly influences contact angles across various fluid systems, with the nature of the fluid and its interactions with the surface playing crucial roles. For instance, while increasing roughness generally enhances wettability for some fluids, it can paradoxically lead to higher contact angles for others, particularly when air is trapped beneath droplets on rough surfaces. This suggests that the assumptions underlying the Wenzel and Cassie-Baxter models may not hold true in cases of non-uniform roughness, where the interactions between trapped air and the droplet complicate the expected outcomes.
Moreover, the study highlights that the chemical properties of the fluids, such as salinity and viscosity, further modulate wettability behaviors. For example, brine exhibited higher contact angles compared to deionized water due to its ionic composition, which reduces surface affinity. The empirical model developed in this research demonstrates a strong correlation with experimental data, underscoring the necessity of considering fluid-specific interactions and surface characteristics when predicting wettability. Ultimately, the results emphasize the limitations of existing theoretical frameworks in accurately capturing the dynamics of wettability on rough surfaces, advocating for more nuanced models that account for the complexities of real-world applications.
Limitations
The research highlights significant limitations in the application of classical wettability theories, such as the Wenzel and Cassie-Baxter models, when addressing the complexities of fluid interactions with heterogeneous surface topographies. By investigating both liquid-air-solid and liquid-liquid-solid systems, the study reveals that non-uniform surface roughness significantly influences wettability across various fluid types, including crude oil, deionized water, brine, and n-heptane. The experimental analysis employs different sandpaper grits (P80-P2000) to establish roughness-dependent trends in static and dynamic contact angles.
The findings underscore the necessity for advanced theoretical frameworks that incorporate the interplay between surface energetics, fluid polarity, and ionic dynamics, as current models inadequately capture these dynamics. Understanding the impact of surface roughness on crude oil contact angles is crucial for enhancing oil recovery techniques, optimizing flow management, and improving reservoir modeling accuracy. The insights gained from this research can lead to tailored engineering solutions that enhance operational efficiency in petroleum systems, particularly in shale production and pipeline fouling prevention.