表面活性劑是一類在較低濃度時能顯著降低表面活性的物質,由于其分子結構中同時含有親水基和疏水基,具有與其他化合物不同的獨特的雙親性質,這些性質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油作用。為了適應當前的采油狀況,提高石油采收率,改變石油的供需矛盾,有關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注。本文采用分子動力學模擬的方法,從微觀角度對表面活性劑在油/水界面的聚集形態、吸附情況和相互作用機理等方面開展了系統的理論研究工作,對選取的四種類型的驅油用表面活性劑進行了對比分析,對研究結果給出了合理的解釋。

理論研究結果對于進一步指導驅油用表面活性劑的篩選和高效驅油用表面活性劑的分子設計具有重要的理論意義和實際應用價值。本論文首先通過分子動力學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,計算了四種表面活性劑親水基與水分子的徑向分布函數,計算了不同電場強度對表面活性劑體系中水擴散系數的影響,從微觀角度揭示了驅油用表面活性劑的驅油機理。

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

研究結果表明,油/表面活性劑/水界面張力低有利于驅油,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/水界面穩定性增強。四種驅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,形成的結構最為穩定,更適合作為驅油用表面活性劑。表面活性劑頭基與水分子之間存在著化學水合層和物理水合層,對于不同陽離子(Na~+、Mg~(2+)和Ca~(2+))參與的驅油過程,徑向分布函數的峰值越高,表面活性劑頭基與陽離子之間的作用力越強,三種陽離子對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合能的結果顯示,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,而解離能的結果顯示,非離子較兩性表面活性劑在高鹽狀態下更容易失去活性,因而,在高鹽油藏條件下,兩性表面活性劑更適用于驅油用。計算的熱力學數據表明,四種表面活性劑在水溶液中可自發形成膠束,膠束化過程主要是熵驅動,隨著溫度的升高,熵驅動的貢獻逐步減小,而焓驅動的貢獻逐步增大,存在著明顯的線性焓-熵補償現象。

四種表面活性劑的吉布斯自由能數據表明,兩性和雙子表面活性劑形成膠束化的能力較強,穩定性好,有較好的驅油效果。