表面活性劑是一類在較低濃度時(shí)能顯著降低表面活性的物質(zhì),由于其分子結(jié)構(gòu)中同時(shí)含有親水基和疏水基,具有與其他化合物不同的獨(dú)特的雙親性質(zhì),這些性質(zhì)可使表面活性劑在溶液中形成分子有序組合體,也可以在界面吸附從而改變界面張力和表面潤(rùn)濕性能等。

在大慶油田三次采油中,表面活性劑作為添加劑的主要成分起到重要的驅(qū)油作用。為了適應(yīng)當(dāng)前的采油狀況,提高石油采收率,改變石油的供需矛盾,有關(guān)表面活性劑在油水界面的行為和抗鹽性能的研究一直備受關(guān)注。本文采用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法,從微觀角度對(duì)表面活性劑在油/水界面的聚集形態(tài)、吸附情況和相互作用機(jī)理等方面開展了系統(tǒng)的理論研究工作,對(duì)選取的四種類型的驅(qū)油用表面活性劑進(jìn)行了對(duì)比分析,對(duì)研究結(jié)果給出了合理的解釋。

理論研究結(jié)果對(duì)于進(jìn)一步指導(dǎo)驅(qū)油用表面活性劑的篩選和高效驅(qū)油用表面活性劑的分子設(shè)計(jì)具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本論文首先通過分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了陰離子、非離子、兩性離子和雙子四種類型表面活性劑在油/水界面的微觀行為,計(jì)算了四種表面活性劑在油/水界面形成的界面張力、界面厚度和界面形成能,計(jì)算了四種表面活性劑親水基與水分子的徑向分布函數(shù),計(jì)算了不同電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)表面活性劑體系中水?dāng)U散系數(shù)的影響,從微觀角度揭示了驅(qū)油用表面活性劑的驅(qū)油機(jī)理。

其次比較了不同陽離子(Na~+、Mg~(2+)和Ca~(2+))與四種不同類型驅(qū)油用表面活性劑頭基之間的相互作用情況,通過平均力勢(shì)(PMF)分析了陽離子與表面活性劑頭基之間形成的結(jié)合能和解離能,對(duì)表面活性劑抗鹽性能進(jìn)行了評(píng)價(jià),建議了驅(qū)油用表面活性抗鹽作用機(jī)理。最后通過自由能微擾計(jì)算了四種不同類型表面活性劑在水溶液中的熱力學(xué)參數(shù),比較了四種驅(qū)油用表面活性劑膠束形成的能力。

研究結(jié)果表明,油/表面活性劑/水界面張力低有利于驅(qū)油,界面厚度大、界面形成能低有利于降低界面張力。隨著界面張力的降低,表面活性劑在油/水界面穩(wěn)定性增強(qiáng)。四種驅(qū)油用表面活性劑中雙子表面活性劑降低油/水界面張力的能力最強(qiáng),形成的結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定,更適合作為驅(qū)油用表面活性劑。表面活性劑頭基與水分子之間存在著化學(xué)水合層和物理水合層,對(duì)于不同陽離子(Na~+、Mg~(2+)和Ca~(2+))參與的驅(qū)油過程,徑向分布函數(shù)的峰值越高,表面活性劑頭基與陽離子之間的作用力越強(qiáng),三種陽離子對(duì)水合層的影響依次為Mg~(2+)Ca~(2+)Na~+。

三種不同陽離子與四種表面活性劑結(jié)合能的結(jié)果顯示,兩性和非離子表面活性劑的抗鹽性能高于陰離子和雙子表面活性劑,而解離能的結(jié)果顯示,非離子較兩性表面活性劑在高鹽狀態(tài)下更容易失去活性,因而,在高鹽油藏條件下,兩性表面活性劑更適用于驅(qū)油用。計(jì)算的熱力學(xué)數(shù)據(jù)表明,四種表面活性劑在水溶液中可自發(fā)形成膠束,膠束化過程主要是熵驅(qū)動(dòng),隨著溫度的升高,熵驅(qū)動(dòng)的貢獻(xiàn)逐步減小,而焓驅(qū)動(dòng)的貢獻(xiàn)逐步增大,存在著明顯的線性焓-熵補(bǔ)償現(xiàn)象。

四種表面活性劑的吉布斯自由能數(shù)據(jù)表明,兩性和雙子表面活性劑形成膠束化的能力較強(qiáng),穩(wěn)定性好,有較好的驅(qū)油效果。