×
20.05.2023
223.018.6752

Результат интеллектуальной деятельности: Способ определения краевого угла смачивания сидячей капли на поверхности материала по измерениям высоты и объема цифровой модели капли, полученной на основе микротомографии

Вид РИД

Изобретение

№ охранного документа
0002794415
Дата охранного документа
17.04.2023
Аннотация: Изобретение относится к области изучения поверхностных явлений, а именно к способам определения смачиваемости и измерения краевого угла, и может быть использовано в нефтяной, нефтехимической, химической промышленности. Способ определения краевого угла смачивания сидячей капли на поверхности материала по измерениям высоты и объема цифровой модели капли, полученной на основе микротомографии, заключающийся в том, что каплю формируют на плоской горизонтальной поверхности материала, проводят ее микротомографию, реконструкцию 3D цифровой модели, производят сегментацию капли, определяют объем и 3D-высоту капли ; далее краевой угол смачивания определяют по формуле: ; в случае если получаемое значение > 90°, истинный краевой угол является тупым и для его вычисления необходимо от 180° отнять полученное значение: . Техническим результатом является улучшение точности измерения краевого угла смачивания и повышения стабильности отдельных результатов измерения. 3 ил.

Изобретение относится к нефтяной, нефтехимической, химической и материаловедческой областям, а именно к способам определения смачиваемости и измерения краевого угла. Оно может применяться для установления свойств смачиваемости материалов и специальных исследований керна.

Далее в тексте заявителем приведены термины, которые необходимы для облегчения однозначного понимания сущности заявленных материалов и исключения противоречий и/или спорных трактовок при выполнении экспертизы по существу.

Краевой (контактный) угол смачивания - угол, который образуется между касательной, проведенной к поверхности раздела подвижных фаз (жидкость-газ, жидкость-жидкость, газ-газ) и твердой поверхностью с вершиной, располагающейся в точке контакта трех фаз, и условно измеряемый всегда внутрь более плотной подвижной фазы.

3D-высота - самый большой отрезок, который касается объекта своими конечными точками и лежит в плоскости, ортогональной максимальному 3D-диаметру Ферета (длине) ортогональному минимальному 3D-диаметру Ферета (ширине). Представляет собой высоту объемного тела.

Процесс смачивания представляет собой самопроизвольное явление, которое наблюдается при контакте твердой и подвижных фаз и вызывает уменьшение свободной поверхностной энергии всей системы. Под действием натяжения и смачивающего эффекта жидкая вода в воздушной среде образует на плоской твердой поверхности каплю определенного объема. Смачиваемость представляет собой важный аспект лабораторных измерений, который влияет на тесты, связанные с характеристиками материала и процессами в углеводородном коллекторе, где она регулирует положение флюидов в пористой структуре и последующую транспортировку через поровые каналы во время динамического процесса добычи.

Известен метод прямого измерения краевого угла смачивания с помощью непосредственного проведения касательной к поверхности капли в точке трехфазного контакта [А.Д. Зимон. Адгезия жидкостей и смачивание. М.: Химия, 1974, с.52-81].

Недостатками известного метода являются высокая погрешность измерения (3-5%), а также ограничения приближенных формул для расчета малых диапазонов значений краевых углов смачивания на изображении.

Известно изобретение по патенту RU 2460987 «Способ определения коэффициента поверхностного натяжения и угла смачивания», включающего измерение геометрических характеристик капли жидкости и сравнение их с численным решением дифференциальных уравнений равновесия, отличающийся тем, что каплю формируют на горизонтальной твердой поверхности, в качестве измеряемых геометрических характеристик используют высоту вершины капли z0 и радиус rk пятна ее контакта с твердой поверхностью, коэффициент поверхностного натяжения σ и угол смачивания θ рассчитывают по формулам

,

где параметр Во находят из условия при , а значение получают решением уравнения равновесия в координатах z и r:

, с начальными условиями , , , где , , , , , ; t - длина дуги, отсчитываемая от оси z вдоль поверхности капли; R - радиус шара с объемом, равным объему измеряемой капли; ρ - разность плотностей жидкой и газовой фаз; С - константа, значение которой подбирают из условия, что объем фигуры вращения интегральной кривой равен 4π/3.

Недостатками известного метода являются погрешности в измерении радиуса пятна контакта капли с твердой поверхностью, т.к. из-за наличия доменов смачивания на поверхности материала контакт может принимать форму, отличную от круга; необходимость определения и погрешности измерения массы и плотности капли; необходимость решения сложных дифференциальных уравнений для поиска точного решения.

Наиболее близким по существу заявляемого изобретения прототипом, является способ определения коэффициента поверхностного натяжения и угла смачивания методом сидячей (лежащей) капли [McPhee C., Reed J., Zubizarreta I. Core Analysis: A Best Practice Guide (Developments in Petroleum Science): Volume 64. 1st Editio. Elsevier Science Ltd, 2015. 852 p.]. Капля наносится на поверхность образца с помощью шприца-дозатора, направленного вертикально вниз, и оптическая подсистема высокого разрешения используется для захвата профиля капли жидкости на твердой поверхности. В специальном программном обеспечении для анализа изображений контур капли с помощью одного из математических методов аппроксимируется в виде кривой. Краевой угол смачивания измеряется по принципу гониометра в точке контакта трех фаз, который образуется касательной к полученной кривой и горизонтальной линией поверхности материала через более плотную фазу.

Основным недостатком прототипа является невысокая точность (погрешность измерения 4-6°), возникающая из-за недостаточного разрешения двумерного изображения и искажений при применении различных методов аппроксимации для описания кривизны формы на основе специальных математических функций. Кроме того, при измерениях часто наблюдаются разные краевые углы с разных сторон одной и той же капли, что объясняется наличием на поверхности доменов с разными характеристиками смачивания. Анизотропия формы реальной капли также приводят к искажениям, из-за чего краевые углы, измеренные в разных проекциях одной и той же капли, могут иметь достаточно значимые отклонения.

Техническим результатом заявленного технического решения является улучшение точности измерения краевого угла смачивания и повышения стабильности отдельных результатов измерения. При этом устраняются следующие недостатки прототипа:

1 - уменьшается среднеквадратичная погрешность измерения за счет прямого высокоточного определения всего двух геометрических характеристик - объема и 3D-высоты цифровой модели капли, которая обеспечивается высокой разрешающей способностью микротомографии;

2 - поскольку измерения угла происходят не напрямую в точке трехфазного контакта, а аппроксимируются через сегмент шара это нивелирует влияние доменов смачивания на поверхности материала и анизотропию формы капли, что повышает надежность измерений.

Сущностью заявленного технического решения является способ определения краевого угла смачивания сидячей капли на поверхности материала по измерениям высоты и объема цифровой модели капли, полученной на основе микротомографии, заключающийся в том, что каплю формируют на плоской горизонтальной поверхности материала, проводят ее микротомографию, реконструкцию 3D цифровой модели, производят сегментацию капли, определяют объем Vs и 3D-высоту капли h; далее краевой угол смачивания θ определяют по формуле ; в случае если получаемое значение θ > 90°, истинный краевой угол является тупым и для его вычисления необходимо от 180° отнять полученное значение, т.е. .

Заявленное техническое решение иллюстрируется Фиг.1 - Фиг.3.

На Фиг. 1 представлены этапы сегментации капли на 3D-модели:

1 - ортогональный слайс с каплей деионизированной воды на стекле, демонстрирующий исходные данные микротомографии,

2 - ортогональный слайс с отсегментированной каплей деионизированной воды на стекле,

3 - 3D-модель отсегментированной капли деионизированной воды на стекле.

На Фиг. 2 представлена таблица с результатами измерений объема (Vs) и 3D-высоты (h), а также вычисленными значениями краевых углов смачивания θ для капли деионизированной воды на поверхности стекла.

На Фиг. 3 представлена таблица с результатами измерений объема (Vs) и 3D-высоты (h), а также вычисленными значениями краевых углов смачивания θ для капли деионизированной воды на поверхности политетрафторэтилена (тефлона).

Далее заявителем приведено описание заявленного технического решения.

Заявленный технический результат достигают путем применения заявленного способа определения краевого угла смачивания сидячей капли на поверхности материала по измерениям высоты и объема цифровой модели капли полученной на основе микротомографии.

Заявленный способ состоит из 3-х этапов:

На 1-м этапе исследуемый материал устанавливают в компьютерный рентгеновский микротомограф плоской поверхностью к верху, ориентируют эту поверхность в горизонтальной плоскости и производят формирование капли жидкости на ней;

На 2-м этапе проводят рентгеновскую компьютерную микротомографию капли на поверхности материала, реконструируют 3D цифровую модель, проводят сегментацию капли, и измеряют объем и 3D-высоту капли;

На 3-м этапе вычисляют краевой угол смачивания по формуле:

где Vs - объем отсегментированной капли, h - 3D-высота капли; в случае, если получаемое значение θ > 90°, истинный краевой угол является тупым и для его вычисления необходимо от 180° отнять полученное значение, т.е.

Заявленный способ определения краевого угла смачивания сидячей капли на поверхности материала по измерениям высоты и объема цифровой модели капли полученной на основе микротомографии иллюстрируется следующими примерами, который не ограничивает область его применения.

Пример 1. Реализация способа определения краевого угла смачивания сидячей капли деионизированной воды на поверхности стекла по измерениям высоты и объема цифровой модели капли полученной на основе микротомографии.

На первом этапе капля деионизированной воды формировалась на плоской горизонтальной поверхности стекла внутри камеры рентгеновского компьютерного микротомографа в атмосфере воздуха при нормальных условиях.

На втором этапе проводилась рентгеновская компьютерная микротомография капли деионизированной воды на поверхности материала, реконструировалась 3D цифровая модель, проводилась сегментация капли (Фиг. 1), и измерялся объем Vs и 3D-высота капли h.

На третьем этапе по формуле 1 определялось значение краевого угла смачивания θ. Процедура эксперимента повторялась 15 раз. Результаты представлены на Фиг. 2. Среднеквадратичная погрешность составила 2,14°, что ниже, чем для полученных измерений прототипа с применением различных методов аппроксимации (3,64 - 4,42°).

Пример 2. Реализация способа определения краевого угла смачивания сидячей капли деионизированной воды на поверхности политетрафторэтилена (тефлона) по измерениям высоты и объема цифровой модели капли полученной на основе микротомографии.

На первом этапе капля деионизированной воды формировалась на плоской горизонтальной поверхности политетрафторэтилена (тефлона) внутри камеры рентгеновского компьютерного микротомографа в атмосфере воздуха при нормальных условиях.

На втором этапе проводилась рентгеновская компьютерная микротомография капли деионизированной воды на поверхности материала, реконструировалась 3D цифровая модель, проводилась сегментация капли, и измерялся объем Vs и 3D-высота капли h.

На третьем этапе по формуле 1 определялось значение краевого угла смачивания θ. Поскольку полученный угол превышал 90°, для вычисления истинного краевого угла смачивания θ использовалась формула 2. Процедура эксперимента повторялась 15 раз. Результаты представлены на Фиг. 3. Среднеквадратичная погрешность составила 2,67°, что ниже чем для полученных измерений прототипа с применением различных методов аппроксимации (5,28-5,82°).

Таким образом, из описанного выше можно сделать вывод, что заявителем достигнут заявленный технический результат, а именно:

1 - продемонстрировано уменьшение среднеквадратичной погрешности измерений за счет прямого высокоточного определения всего двух геометрических характеристик - объема и 3D-высоты цифровой модели капли, которая обеспечивается высокой разрешающей способностью микротомографии;

2 - показана высокая надежность измерений, поскольку измерения угла происходят не напрямую в точке трехфазного контакта, а аппроксимируются через сегмент шара, что нивелирует влияние доменов смачивания на поверхности материала и анизотропию формы капли.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «новизна», предъявляемому к изобретениям, так как из исследованного уровня техники не выявлены технические решения, обладающие заявленной совокупностью признаков, обеспечивающих достижение заявленных результатов.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», предъявляемому к изобретениям, так как не является очевидным для специалиста в данной области науки и техники.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «промышленная применимость», так как может быть реализовано на любом специализированном предприятии с использованием стандартного оборудования и технологий.

Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 10.
27.11.2013
№216.012.8552

1-(2-алкилимидазолинил-1)-2-[(2-алкилимидазолинил-1)поли(этилен-n-алканоиламидо)]этан, обладающий способностью повышать адгезию битумов к минеральным материалам, и вяжущее для дорожных покрытий на его основе

Изобретение относится к органической химии, а именно к синтезу 1-(2-aлкилимидaзoлинил-1)-2-[(2-aлкилимидaзoлинил-1)пoли(этилeн-N-алканоиламидо)]этана, обладающего способностью повышать адгезию битумов к минеральным материалам, которые могут быть использованы в промышленном и дорожном...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002499808
Дата охранного документа: 27.11.2013
19.01.2018
№218.016.0949

Стабилизирующая добавка для щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси

Изобретение относится к области производства и применения стабилизирующих добавок для щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей, используемых для дорожных покрытий. Стабилизирующая добавка в виде гранул включает, мас.%: 85-90 целлюлозное волокно и 10-15 продукт взаимодействия высших...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002631819
Дата охранного документа: 26.09.2017
09.06.2018
№218.016.5ad3

Способ получения наноразмерного катализатора на основе смешанного оксида железа для интенсификации добычи тяжелого углеводородного сырья и катализатор, полученный этим способом

Способ получения наноразмерного катализатора на основе смешанного оксида железа FeOдля интенсификации добычи тяжелого углеводородного сырья, который ведут при комнатной температуре и атмосферном давлении посредством смешения двух предварительно приготовленных водных растворов. Первый водный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002655391
Дата охранного документа: 28.05.2018
01.07.2018
№218.016.69b0

Катализатор деструктивного гидрирования тяжелого углеводородного сырья и способ его применения

Изобретение относится к области технологических процессов и может быть использовано в горном деле для интенсификации добычи тяжелого углеводородного сырья, в частности высоковязких нефтей и природных битумов, а также в области нефтепереработки тяжелых нефтей и остаточных нефтяных фракций....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002659223
Дата охранного документа: 29.06.2018
28.09.2018
№218.016.8c53

Способ стимуляции активности грибов-биодеструкторов полимерных отходов

Изобретение относится к биотехнологии. Предложен способ стимуляции активности грибов-биодеструкторов полимерных отходов. Способ предусматривает использование добавки природного происхождения - автолизата пивных дрожжей (АПД) при следующем соотношении АПД к грибам-биодеструкторам, г:млн спор,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002668152
Дата охранного документа: 26.09.2018
25.07.2019
№219.017.b84c

Композиция для подземного облагораживания тяжелой нефти и интенсификации нефтеотдачи при закачке пара

Изобретение относится к области технологических процессов. Описана композиция для подземного облагораживания тяжелой нефти и интенсификации нефтеотдачи при закачке пара c температурой воздействия 100-400 °С, включающая наноразмерный катализатор с размером частиц 60-155 нм на основе смешанного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002695353
Дата охранного документа: 23.07.2019
28.03.2020
№220.018.1132

Способ разработки битуминозных карбонатных коллекторов с использованием циклической закачки пара и катализатора акватермолиза

Изобретение относится к способам разработки залежей тяжелых нефтей и природных битумов. Технический результат - обеспечение возможности подземного облагораживания нефти с целью повышения эффективности нефтеотдачи карбонатных коллекторов, необратимое снижение вязкости тяжелой нефти и природных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002717849
Дата охранного документа: 26.03.2020
06.07.2020
№220.018.2fa3

Композиция реагентов для химической конверсии тяжелой нефти при закачке пара

Предложена композиция реагентов для химической конверсии тяжелой нефти при закачке пара и интенсификации нефтеотдачи, включающая наноразмерный катализатор на основе смешанного оксида переходных металлов, где металлы выбраны из группы: Сг, Mn, Fe, Со, Ni, Cu, Zn, Mo, водород-донорный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002725624
Дата охранного документа: 03.07.2020
31.07.2020
№220.018.3a70

Способ разработки залежи высоковязкой нефти и природного битума

Изобретение в целом относится к области горного дела. Технический результат - повышение нефтеотдачи, увеличение охвата пласта тепловым воздействием, обеспечение непрерывных геофизических исследований с возможностью осуществления контроля в режиме реального времени за распределением...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002728002
Дата охранного документа: 28.07.2020
12.04.2023
№223.018.495c

Способ отбора и реконструкции структуры шлама для определения коллекторских свойств и моделирования фильтрационных и петрофизических характеристик пород - технология "псевдокерн"

Изобретение относится к области исследований шлама для получения структуры порового пространства коллектора, на основе которого определяются коллекторские свойства - пористость, распределение пор по эквивалентным диаметрам и моделируются фильтрационные и петрофизические характеристики породы....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002784104
Дата охранного документа: 23.11.2022
+ добавить свой РИД