強(qiáng)化采油用表面活性劑在油-水界面和泡沫液膜吸附行為的研究.pdf

1、本論文將分子模擬技術(shù)有效地應(yīng)用于表面活性劑驅(qū)油體系的性能研究，采用全原子的分子動(dòng)力學(xué)(MD)、介觀的耗散顆粒動(dòng)力學(xué)(DPD)、同時(shí)和宏觀實(shí)驗(yàn)技術(shù)相結(jié)合，分別從不同尺度上系統(tǒng)研究了表面活性劑在驅(qū)油過(guò)程中的關(guān)鍵性能與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系，建立了分子結(jié)構(gòu)、液膜性質(zhì)、表觀性能之間的聯(lián)系。這些結(jié)果為理解、解釋以及預(yù)測(cè)表面活性劑在各界面吸附現(xiàn)象提供了幫助，對(duì)EOR實(shí)驗(yàn)配方設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。 1．表面活性劑在油/水界面行為的研究實(shí)際

2、工業(yè)應(yīng)用中，當(dāng)我們?cè)诒姸嗟谋砻婊钚詣┲羞x擇，或者是設(shè)計(jì)新的表面活性劑時(shí)，都希望其擁有強(qiáng)的降低界面張力的能力，同時(shí)還具有高的界面效率，也就是盡可能減少表面活性劑用量。借助于分子模擬的優(yōu)勢(shì)，把界面與體相區(qū)分開(kāi)來(lái)詳細(xì)的研究，將實(shí)驗(yàn)中的效率分成界面效率和最大吸附界面密度兩個(gè)方面來(lái)討論。 在選用甲苯、飽和烷烴混合油相時(shí)，模擬結(jié)果顯示表面活性劑對(duì)不同油相在界面上的吸附存在誘導(dǎo)作用，其疏水尾基與油分子之間存在著適應(yīng)性，這要求我們對(duì)應(yīng)于不同組分

3、的油藏要選用尾鏈適合的表面活性劑體系。改變表面活性劑親水基分子結(jié)構(gòu)、濃度等因素發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的常規(guī)表面活性劑界面效率和最大吸附界面密度兩方面常常相反，這使得最終實(shí)驗(yàn)總效力不夠好。如何在保證表面活性劑強(qiáng)親水性頭基高效率的前提下，增加其吸附密度?我們接下來(lái)分別研究了鹽度等環(huán)境因素的影響以及表面活性劑復(fù)配體系，并探討了利用復(fù)配協(xié)同效應(yīng)提高界面活性的理論機(jī)制。最后確定了Gemini為目標(biāo)驅(qū)油用表面活性劑構(gòu)型，考察了分子中頭基、連結(jié)基等結(jié)構(gòu)對(duì)其界面行

4、為的影響。 在油/水界面的第二部分采用毛細(xì)管壓差測(cè)定裝置，測(cè)定了油滴變形通過(guò)毛細(xì)管過(guò)程的喉道時(shí)所需要的最大壓力，來(lái)衡量表面活性劑在油/水界面吸附后產(chǎn)生的綜合效果，并與界面張力、界面流變和分子模擬結(jié)果相結(jié)合，討論表面活性劑的致效機(jī)理。 2．表面活性劑穩(wěn)定的泡沫體系結(jié)構(gòu)和性質(zhì)研究不同于以往對(duì)穩(wěn)態(tài)泡沫的研究，本部分重點(diǎn)關(guān)注在動(dòng)態(tài)干擾下的泡沫性質(zhì)。 基于全原子的分子動(dòng)力學(xué)方法，得到了不同分子結(jié)構(gòu)的表面活性劑在泡沫液膜表面

5、詳細(xì)的排列信息。模擬結(jié)果給出，泡沫體系的總能量主要受表面活性劑頭基因素的影響，頭基強(qiáng)的電性作用有利于泡沫體能量的降低；同是十二碳鏈的磺酸鹽型陰離子表面活性劑，頭尾之間不同官能團(tuán)的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了泡沫液膜構(gòu)型的明顯區(qū)別。緊接著我們采用泡沫衰減法、表觀粘度等實(shí)驗(yàn)方法分別測(cè)定了穩(wěn)態(tài)和轉(zhuǎn)動(dòng)干擾下的泡沫表觀性質(zhì)，并同質(zhì)構(gòu)分析、剪切流變等泡沫液膜性質(zhì)以及上述分子模擬研究結(jié)果相結(jié)合，討論分子結(jié)構(gòu)--泡沫液膜性質(zhì)--表觀性能之間的關(guān)系，分析泡沫穩(wěn)定機(jī)理。

6、 泡沫的攜液和析液也是備受關(guān)注的方向之一，盡管前人建立的電導(dǎo)率法能簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)反映泡沫內(nèi)液體含量的多少，然而由于表觀研究手段的限制使得析液過(guò)程不夠清晰，而分子動(dòng)力學(xué)模擬可以直觀的展示水分子在泡沫液膜中的形態(tài)，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)方法的不足，我們將兩者結(jié)合起來(lái)，建立了新的析液模型，幫助我們深入認(rèn)識(shí)泡沫攜、析液過(guò)程，為實(shí)際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。 本論文主要的創(chuàng)新點(diǎn)有： 1．采用界面密度、界面效率等參數(shù)表征表面活性劑在油/水界面的吸附

7、行為，考察多種因素對(duì)表面活性劑到界面的吸附趨勢(shì)以及降低界面張力效率的影響，指導(dǎo)EOR中高性能驅(qū)油體系的篩選。 2．從分子結(jié)構(gòu)出發(fā)，探討陰非離子表面活性劑在油水界面的復(fù)配協(xié)同機(jī)理。模擬結(jié)果形象地展示了在界面層中，SDBS并不是均勻地排布，而是其頭基聚集成小的團(tuán)簇，空腔部分由水分子或油分子填充，而適宜的非離子表面活性劑可填充這些空穴，使油水界面張力大幅度降低。 3．將泡沫的穩(wěn)定性從表觀靜態(tài)泡沫擴(kuò)展到轉(zhuǎn)動(dòng)剪切下的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，首