抗鹽表面活性劑和聚合物的分子行為及性能研究.pdf

1、本論文將分子模擬技術結合實驗技術應用于抗鹽表面活性劑及聚合物驅油劑分子行為和性能的研究,以期為建立高抗鹽驅油劑的構效關系和利用高鹽條件調控驅油劑性能提供依據(jù)。采用全原子分子動力學(MD)、耗散顆粒動力學(DPD)、介觀動力學模擬(Mesodyn)多尺度結合的模擬手段,同時與總有機碳分析、流變性質研究等實驗技術相互補充驗證,系統(tǒng)研究了高鹽條件下表面活性劑在固/液界面吸附行為、抗鹽聚合物的體相分子行為及其與抗鹽表面活性劑的相互作用,以指導高

2、鹽油藏EOR配方設計等實際應用。
　　 1.抗鹽表面活性劑在固/液界面的吸附行為研究表面活性劑在固/液界面的吸附是實際驅油過程中選擇表面活性劑時需要考慮的重要因素,因為一方面降低其吸附損失是降本增效的方法之一,另一方面油藏潤濕性改變也與表面活性劑在固液界面的吸附有關。高鹽儲藏條件使表面活性劑在固/液界面的吸附更加復雜,吸附機制尚不清晰。本文主要關注無機鹽離子對表面活性劑溶度性質和其在固/液界面上吸附行為的影響,以表面活性劑在石英

3、砂/水溶液界面的吸附為例:以分子模擬手段從能量角度分析有無多價無機離子存在下表面活性劑溶度性質,以反映抗鹽表面活性劑溶解過程中水合作用和電性作用競爭,采用透光率等實驗方法給出驗證。將分子模擬的能量方法擴展到研究表面活性劑與固體表面基團的相互作用,發(fā)現(xiàn)無論無機離子存在與否電性作用在離子型表面活性劑/水/石英砂體系的吸附中都起著決定性作用。通過考察陽離子濃度及表面活性劑類型對能量變化的影響反應了表面活性劑吸附方式變化及其在固液界面的吸附趨勢

4、。分子動力學模擬分析表面活性劑界面吸附層的微觀結構信息,特別是多價無機陽離子對表面活性劑分子、固體表面基團和界面上水分子中任兩者之間相互作用的影響,最終導致了吸附量的減少。總有機碳分析等實驗方法對表面活性劑吸附量的研究驗證了模擬的結果。通過研究不同分子結構的抗鹽表面活性劑的吸附行為,提出表面活性劑親水基內部具有牽制負電基團的正電性基團或親水型極性基團時對利用高鹽條件降低吸附損失有利。
　　 結合前述表面活性劑在石英砂/水溶液界面

5、的行為,采用自行設計的固液界面接觸角測定裝置,初步探索了表面活性劑溶液的pH、礦化度等條件變化時油滴自固體表面的脫附情況以及油水界面張力超低時油滴在固液界面的狀態(tài)。
　　 采用總有機碳分析和原子力顯微鏡方法對抗鹽表面活性劑在不同親疏水性固體表面的吸附規(guī)律進行了研究,并發(fā)現(xiàn)磺基甜菜堿在云母表面的吸附可誘導氯化鈉晶體有序排列的現(xiàn)象。
　　 2.抗鹽聚合物的分子模擬設計及其和表面活性劑的相互作用抗鹽聚合物的研究是本文的另外一個

6、研究重點。通過對傳統(tǒng)聚合物的疏水及電性改性探究適應高鹽條件的聚合物分子結構特征:一方面以全原子分子動力學模擬分別研究了改性的丙烯酰胺聚合物與多價無機陽、陰離子(鈣離子、鐵離子、硫離子)的相互作用,發(fā)現(xiàn)陽離子與聚合物鏈中的丙烯酸根有較強的電性作用導致分子鏈蜷縮,陰離子與酰胺基團間存在相互作用也可使分子鏈收縮;另一方面結合耗散顆粒動力學模擬和介觀動力學模擬研究聚合物分子結構對分子構象的影響及抗鹽特性,分析分子結構變化對抗鹽性的貢獻,得到優(yōu)化

7、的抗鹽型聚合物分子結構。對于抗鹽聚合物與抗鹽表面活性劑復配體系,分子動力學模擬分析影響溶液性質的各分子間作用類型和方式,主要包括離子-離子、離子-偶極作用和氫鍵、疏水相互作用。流變學性質的實驗研究表明抗鹽聚合物稀溶液體系在高礦化度下可以保留可觀的粘度,與分子模擬結果吻合。抗鹽聚合物與陰離子型抗鹽表面活性劑復配的稀溶液體系無鹽條件下增粘效果明顯,有鹽條件下粘度大幅下降。陰離子型抗鹽表面活性劑與無機陽離子的電性作用使聚合物和表面活性劑電性作

8、用減弱,疏水作用加強,破壞交聯(lián)結構。
　　 本論文主要的創(chuàng)新點有:
　　 1.采用分子模擬方法從能量角度研究表面活性劑在鹽水溶液中的溶解性質及其在高鹽條件下與固體表面的相互作用,建立了一種預測表面活性劑在不同固體表面的吸附趨勢的有效方法。
　　 2.分子動力學模擬和總有機碳實驗分析揭示高鹽條件下多價無機陽離子減少磺基甜菜堿在砂巖表面吸附的作用機制。
　　 3.結合多尺度的分子模擬方法和流變性質的實驗研究,