1、本 科 毕 业 设 计（论文）题 目：高温高盐环境对强化泡沫体系稳定性影响规律的分子模拟研究学生姓名： 学 号： 专业班级：材料物理 指导教师： 20XX 年 6 月 16 日中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）高温高盐环境对强化泡沫体系稳定性影响规律的分子模拟研究摘 要本文采用分子动力学模拟的方法研究不同无机盐种类以及高温对 HPAM-SDS 复合泡沫体系稳定性的影响。对于不同的盐离子（Na +、Ca 2+、Mg 2+）体系，通过考察各个组分的密度曲线、表面活性剂尾链倾角、界面水层厚度、SDS 头基和聚合物周围结合水的数目以及扩散系数等参量，得出如下结果：一价阳离子（Na +）对聚合物强
2、化泡沫体系稳定性的影响较二价盐离子(Ca 2+、Mg 2+)小；而对于两种二价盐离子，Ca 2+体系中 SDS尾链与 z 轴方向的倾角比 Mg2+的小，说明 Ca 2+对泡沫稳定性的破坏比 Mg 2+小。对于温度对聚合物复合泡沫体系稳定性的影响，考察了复合泡沫中表面活性剂吸附构型随温度变化的规律，以及表面活性和聚合物与水的相互作用，其结果表明：随温度升高，Ca 2+与 SDS 表面活性剂头基之间的相互作用增强，从而导致钙离子对复合泡沫体系的破坏增大，导致泡沫稳定性降低；且随着温度的升高，强化泡沫体系的界面水层厚度减小，SDS 头基和聚合物周围的结合水分子数目减少，并且 SDS 头基体系第一水化
3、层的扩散系数增大，加剧了水分子的流失，强化泡沫体系稳定性下降。关键词：分子动力学模拟；聚合物强化泡沫；稳定性；盐离子；温度中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）Molecular Dynamics Simulation of the Influence ofSalt Ions and temperature on Polymer Enhanced FoamStabilityAbstractMolecular dynamic simulations have been used to investigate the influence of salt ions and temperature
4、on HPAM-SDS complex foam system stability in this article.For different salt ions (Na+, Ca2+, Mg2+) system, by examining the individual components of the density curve, the surfactant tails dip, interfacial water layer thickness, the number of bound water around the SDS head group and polymers as we
5、ll as the diffusion coefficient parameters, the following results: monovalent cations (Na+) Intensive foam system on the stability of the polymer compared with a divalent salt ions (Ca2+, Mg2+) small; and for both divalent salt ions, Ca2+ system SDS tails and the z-axis direction of the inclination
6、than the smaller Mg2+, Ca2+ Description damage foam stability smaller than Mg2+. For the effect of temperature on the stability of the polymer composite foam system, examining the syntactic foam surfactant adsorption configuration with temperature changes in the law, as well as surfactants and polym
7、er interaction with water, and the results showed that: with increasing temperature interaction between Ca2+ and SDS surfactant head groups between strong, leading to calcium ions on the composite foam system increases, resulting in reduced foam stability; and as the temperature increases, strengthe
8、n the interface layer of foam water system thickness is reduced, reducing the number of bound water molecules around the polymer and a head group SDS, and SDS diffusion coefficient of the first head group hydration layer system is increased, increasing the loss of water molecules, enhanced foam syst
9、em stability.Keyword: Molecular Dynamics ； polymer enhanced foam ；stability ；Salt ions ； temperature中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）目 录目录 . 错误 !未定义书签。第 1 章 前言 .11.1 聚合物复合泡沫驱简介 .11.2 聚合物强化泡沫的基本概念 . 11.2.1 泡沫的基本性质 . 11.2.2 聚合物复合泡沫驱以及其性能 . 21.3 盐离子对泡沫稳定性的影响 . 21.4 温度对泡沫稳定性的影响 . 3第 2 章 理论计算方法和模拟
10、软件简介 . 52.1 分子力学方法（ MM） . 52.2 分子动力学模拟 (MD) . 52.2 Materials Studio 软件简介 . 5第 3 章 不同盐离子对 PAM-SDS 复合泡沫体系稳定性的影响 . 73.1 引言 . 73.2 模型与方法 .73.3 结果与讨论 .93.3.1 不同种类盐离子对表面活性剂吸附构型的影响 . 93.3.2 SDS 头基、聚合物与水分子的相互作用. 123.3.3 SDS 头基、聚合物与不同种类盐离子之间的相互作用. 173.4 本章小结 .19第 4 章 温度 HPAM-SDS 复合泡沫体系稳定性的影响 . 214.1 引言 . 214
11、.2 模型和方法 .214.3 结果和结论 .214.3.1 温度对表面活性剂吸附构型的影响 .214.3.3 表面活性剂和聚合物与水分子的相互作用 .23中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）4.4 本章小结 .26第 5 章 结论 .28致 谢 .29参考文献 .30第 1 章 前言第 1 章 前言1.1 聚合物复合泡沫驱简介随着石油开采行业步入中后期，仍有大部分原油仍在地层中，因而提高采油率成为了该领域的关键问题，三次采油技术应运而生。而泡沫驱就是一种新型“三采”技术，它的视粘度高、封堵调剖效力强，而且随渗透率的增大，其封堵能力也随之增强，并且对油水的封堵具有选择性 1，因此泡沫驱在未
12、来油田石油开发中将拥有很大的潜力并且会扮演越来越重要的角色。但随着石油开采的进行，矿场条件逐渐恶化，单一泡沫体系已很难满足提高采收率的需求。而且对泡沫驱方法进行的大量室内和矿场试验结果表明，由于泡沫体系的不稳定性，泡沫驱难以大规模的推广引用。而聚合物与表面活性剂形成的复配体系，即聚合物强化泡沫体系，能够显著提升泡沫的稳定性，并且其驱油效果也较单一泡沫体系有明显的提升 2。概括来说，聚合物强化泡沫很好的将聚合物和表面活性剂的多种优点融合起来，获得了比单一泡沫体系及聚合物具有更大的优越性，在实际应用中拥有着更为广阔的发展空间，因此对聚合物强化泡沫展开深入的研究有着重要的实际意义。1.2 聚合物强化
13、泡沫的基本概念1.2.1 泡沫的基本性质泡沫是指互相被液膜隔开的气泡的聚集体，是气体在液体中的分散体系，其中液体以薄膜的形式存在，是连续相，而气相是分散相 3。如果以水或者水溶液作为连续的液相，这时的泡沫便是水基泡沫。研究发现纯的液体不能产生稳定的泡沫，因此在实际应用中为了使泡沫稳定，一般要加入泡沫剂。加入泡沫剂后，气体更容易发泡，并且可以阻止泡沫在短时间内破裂。泡沫的稳定性有狭义和广义两种解释。广义可以解释为，泡沫维持其本身稳定存在的时间，而狭义则是泡沫抵御外部环境影响而保持自身稳定的时间，这是实际应用中所采用的一种解释 4。泡沫破裂的机理有两点：（1）泡沫液膜中液体流失。泡沫相互挤压以及重
14、力都会造成泡沫体系中液体的流失，致使泡沫液膜变薄，弹性减弱，最终的结果是泡沫破裂。（2）气体透过液膜扩散。由 Lapalace 方程可知，泡沫体系内，大泡的压强1第 1 章 前言比小泡大，所以小泡沫内的气体会在压力作用下向大泡沫中扩散，产生的结果是，小泡更小，大泡更大，泡沫之间的压差变大，最终使得泡沫破裂。影响泡沫稳定性的因素很多，但均是直接或间接的通过这两个方面而影响泡沫的稳定性。1.2.2 聚合物复合泡沫驱以及其性能泡沫体系的不稳定性使其一直不能在油田和矿场中推广应用，所以近年来有人提出将聚合物加入到泡沫溶液中，形成聚合物-表面活性剂强化泡沫体系，从而进一步提高泡沫膜的稳定性和强度以及泡沫
15、的封堵调剖能力。在油藏条件下，常规泡沫驱油技术稳定性较差；聚合物泡沫体系同时拥有聚合物及表面活性剂各自的优点,产生了复配强化的效果,能够同时提高洗油效率与波及系数 5。聚合物的加入对泡沫体系的强化效果体现在以下几个方面：（1）聚合物可以提高泡米体系的液体黏度、泡沫液膜厚度和强度，并且能够使泡沫的排液半衰期变长从而使得泡沫体系更加稳定，以达到强化泡沫的效果；（2）加入聚合物形成的复合泡沫体系有着较为稳定的压差比，而不是像单一泡沫体系一样随着水的注入逐渐地下降，表明聚合物复合泡沫稳定性得到增强；（3）残余油状态下，聚合物的加入使得形成的复合泡沫体系的封塞能力显著高于单一泡沫体系，这是因为，单一泡沫
16、体系中泡沫接触到油会使泡沫液膜受到油的影响变得不稳定，容易破灭，而聚合物复合泡沫体系由于加入了聚合物，泡沫的液膜变厚，耐油能力提高并且更加稳定；（4）聚合物复合泡沫驱的选择性调剖能力比单纯的泡沫驱或聚合物驱更强，这主要是由于聚合物复合泡沫体系在多孔岩石中移动时，产生假塑性流体，其拥有非常大的表观粘度及良好的油水区分性。总而言之，聚合物复合泡沫驱比单纯的泡沫体系具有更强的稳定性，比单纯的聚合物体系对油、水具有更优异的选择性，更能提高低渗层的采出程度 6。因此可以看出，聚合物复合泡沫体系无论是发泡能力还是稳定性都较单纯的泡沫体系有所提高。并且在残余油存在的状态下，聚合物复合泡沫体系更加稳定，能够更
17、好地发挥泡沫体系良好的封堵效果。1.3 盐离子对泡沫稳定性的影响油藏地质条件十分不稳定，时刻发生着变化，泡沫驱用以提高采收率需要考虑众多因素的影响，其中矿化度是影响泡沫驱效率的一个重要因素，因此盐离子对泡沫稳定性2第 1 章 前言的影响一直是泡沫驱中的热点问题之一。目前泡沫驱所使用的发泡剂也多为抗盐性能较好的离子型表面活性剂，其主要是通过影响离子型表面活性剂相互作用来影响泡沫的稳定性。盐离子与离子型表面活性剂极性基团之间的相互作用使得表面活性剂的临界胶束浓度及气液界面上发生的吸附等产生变化。泡沫液膜性质受盐离子影响有如下规律：无机盐浓度较低时，泡沫稳定性与盐度呈正相关；而浓度较大时，泡沫稳定性
18、随盐度增大而显著减弱 7。近年，人们对于盐离子对泡沫体系稳定性的影响做了许多研究，分别用到了实验的和分子模拟的手段，并取得了一定的研究成果。实验方面，李春秀 8通过考察泡沫体积、半衰期以及表面活性剂在气液界面上的聚集行为等研究了盐离子对泡沫稳定性的影响。其究结果显示，不同种类的无机盐对泡沫稳定性影响有差异，通常二价金属离子，例如 Ca2+，Mg 2+ ，相比一价金属离子如 Na+ 影响大，而且对于两种二价盐离子，Mg 2+对于泡沫稳定性的破坏比 Ca2+大。实验手段在测定泡沫性能上有着很大的贡献，但其很难解释盐离子对泡沫稳定性的影响的微观机制，而分子动力学模拟可以弥补这个方面的不足。分子动力学
19、模拟（MD）是基于分子水平研究分子动力学的重要工具，能够研究表面活性剂体系的界面性质，从微观的角度解释盐离子对泡沫稳定性。彭铁峰 9等就是用分子动力学模拟的方法，通过分析研究液膜性质和定量分析薄膜破裂，从势能变化、偶极子函数（DAFS）等方面研究了不同浓度盐离子对泡沫稳定性的影响。发现含有盐离子的水溶液，薄膜中水的偶极子相关函数较纯水要大。结果表示，浓度较低的情况下，盐离子会对单层膜的稳定性产生不利影响，而且其对薄膜破坏程度与盐离子和水分子之间的作用及薄膜表面分子的分布有关。1.4 温度对泡沫稳定性的影响不同地区以及不同时期，油田温度是有差别的，并且在开采过程中，泡沫在井下所处环境也不同，温度
20、也自然而然的时刻发生着变化。因此考虑温度对泡沫稳定性的影响在实际工作中有着非常重要的意义。根据吉布斯原理，任何体系总是向着能量最低的状态发展。而温度较高时，分子运动更加剧烈，泡沫体系的能量也相对较高，此时泡沫的稳定性较低，反之泡沫的稳定性较强 10。3第 1 章 前言(1)温度对泡沫衰变过程的影响泡沫的衰变行为温度不同时也是不同的：温度较低时，在泡沫排液使泡沫达到一定厚度后就呈现出亚稳定状态，气体扩散是其主要的衰变过程。温度较高时，泡沫自顶端朝下发生破裂，泡沫体积逐渐减小，并且减小有一定的规律。这是因为处于顶部的泡沫顶端始终是凸出的，由于表面性质下降，这种弯曲的膜很容易发生蒸发，并且蒸发速度与
21、温度呈现正相关关系，泡沫也就随着蒸发的进行而变薄，薄到了一定程度泡沫便自行破裂。因此，多数泡沫的稳定性是随着温度的升高而下降的 11。(2)温度对表面膜性质的影响表面膜性质对温度是十分敏感的。吸附量与温度为反比关系，温度越低，吸附量越大，且分子独占面积减小，表面粘度增强。Maraangoni 效应增强，表面弹性提高，即表面膜性质增强，从而泡沫的稳定性提高 12。(3)温度对表面活性剂溶液的影响表面活性剂溶液受到温度的影响主要可以体现在两个方面。一是溶液表面张力，一般是与温度成反比关系，这是由于温度降低会使液体的饱和蒸汽压减小，气相分子密度减小，所以气相分子对表面分子的吸引力减小；反之，温度降低
22、会使液相的体积收缩，液相分子间距减小，分子间相互作用力增强，这两种效应均使得液体的表面张力增大 13。二是溶液粘度随温度的变化：温度降低，溶液收缩，分子间间距减小，同时分子运动减缓，导致分子间能力增大，水化程度提高；而且表面活性分子排列更加紧密，则溶液粘度提升，排液速率减慢，泡沫稳定性提高 14。目前对于盐离子对泡沫稳定性影响的研究已经取得了一定的成果。但是对于不同种类盐离子种类以及温度对聚合物复合泡沫体系稳定性的影响，还很少有文献做了深入详细的介绍。因此本文采用分子模拟的方法研究了几种不同的阳离子（Na 2+、Ca 2+、Mg 2+）以及温度对 HPAM-SDS 复合泡沫体系稳定性的影响。4
