盐离子对阴-非离子型表面活性剂在气液界面聚集行为影响的分子动力学模拟说明书

1、盐离子对阴-非离子表面活性剂在气-液界面聚集行为影响的分子动力学模拟摘要随着我国主要油田进入高含水期，注水稳定生产越来越困难。因此，开发经济有效的三次采油技术，提高原油采收率，已成为我国主要油田亟待解决的问题。化学驱是我国应用最广泛的三次采油技术。在众多化学驱油剂中，表面活性剂可以降低油水界面张力，改变岩石的润湿性，大大提高原油采收率。然而，很少有人研究适合高温高盐的阴离子-非离子表面活性剂。本文通过分子动力学模拟研究了盐离子(钠、钙、镁)对十二烷基聚氧乙烯醚磺酸钠(A12SO 2)在空气/液体界面聚集行为的影响。结果表明，无机盐离子的加入压缩了A12SO 2体系的界面水层，使头基周围的水化层

2、结构更加有序，限制了水分子和钠在头基周围的扩散行为。离子浓度是影响A12SO 2体系头基周围界面水层和水化层的重要因素。不同盐离子对水分子和钠在头基周围扩散行为的影响程度，以及界面双电层由强到弱的压缩影响程度都在Mg2+Ca2+的数量级。关键词：十二烷基聚氧乙烯醚磺酸钠；表面活性剂；盐离子；分子动力学摘要随着我国主要油田进入高含水期，保持水驱油藏的采油速度越来越困难。因此，开发具有成本效益的提高原油采收率(EOR)和提高原油采收率成为一个亟待解决的问题。在我国，化学驱是最普遍的提高采收率技术之一。此外，表面活性剂还能降低界面张力，改变岩石的润湿性，是一种高性能、用途广泛的化学驱油剂。但在高温高

3、盐条件下使用的非离子表面活性剂的研究相对较少。本文用分子动力学方法研究了离子对吸附在气/液界面上的表面活性剂单分子层的影响。结果表明，离子可以压缩界面水层，使表面活性剂的水化壳更加有序，限制水和钠在头部周围的扩散；离子浓度是影响界面水层和表面活性剂水化壳的重要因素；不同离子对水和钠在头部周围扩散的影响程度为Mg2 Ca2 Na，双电层影响程度的结果相同。关键字A12ESO2表面活性剂；离子；分子动力学目录第一章前言11.1表面活性剂简介11.1.1表面活性剂的定义和结构特征1表面活性剂的分类21.1.3表面活性剂在三次采油中的应用1.2聚氧乙烯醚磺酸盐表面活性剂51.2.1聚氧乙烯醚磺酸盐表面

4、活性剂简介51.2.2聚氧乙烯醚磺酸盐表面活性剂的研究现状51.3无机盐对表面活性剂聚集行为的影响71.3.1无机盐对表面活性的影响71.3.2无机盐对胶束大小和形状的影响71.3.3无机盐对溶解度的影响71.4本论文的研究背景和研究内容8第二章理论计算方法和仿真软件介绍92.1理论计算方法介绍92.1.1量子力学方法92.1.2分子力学方法92.1.3分子动力学模拟102.2材料工作室软件介绍10第三章钙离子对A12ESO2在气液界面聚集行为的影响123.1导言123.2模型和方法123.3结果和讨论133.3.1表面活性剂单层膜13的结构和性能3.3.2表面活性剂和水分子之间的相互作用15

5、3.3.3钙对界面双电层18的影响3 . 3 . 4 Ca2对界面层成分扩散行为的影响193.4本章概述22第4章不同盐离子对A12SO 2在气液界面聚集行为的影响234.1模型和方法234.2结果和讨论234.2.1表面活性剂单层膜23的性质4.2.2不同盐离子对单层膜性能的影响254.2.3不同盐离子对界面层组分扩散行为的影响294.3本章概述33第五章结论34谢谢你参考文献36第一章前言随着我国大多数油田的开发逐渐进入高含水或特高含水阶段，注水稳定生产的难度逐渐加大，油田开发形势日益严峻。在目前的水驱条件下，采收率仅为35%45%，约三分之二的储量仍在地下1。因此，如何最大限度地开采地下

6、剩余原油已成为我国油田亟待解决的问题。近年来，化学驱提高采收率技术为油田稳产增产做出了重要贡献，取得了巨大的经济效益，越来越受到人们的重视2-3。表面活性剂作为三次采油中重要的驱油剂，不仅可以降低油水界面张力，改变原油乳化性能，形成稳定的油水乳液；它还可以改变底部表面的润湿性，减少原油对地层表面的粘附，从而大大提高原油采收率。它被认为是最有发展前景的化学试剂。目前，油藏的高矿化度使得驱油用表面活性剂的研究面临新的问题，如高温高盐油藏中的金属离子，特别是钙、镁离子，容易导致一些阴离子表面活性剂盐析而不能使用。虽然非离子表面活性剂具有良好的耐盐性，但难以在地层中稳定存在，且不耐高温，价格昂贵。目前

7、，使用表面活性剂最常用的方法是复配两种表面活性剂4，但这种方法会在产油层中产生严重的“色谱分离”。为了解决实际应用中的“色谱分离”问题，研究者将这两类表面活性剂中的有效基团设计成相同的分子结构，从而得到了具有较好耐温性和耐盐性的阴离子-非离子表面活性剂5-6。脂肪醇聚氧乙烯醚磺酸盐(AESO)是表面活性剂之一。因此，研究无机盐离子对这类表面活性剂性能的影响具有现实的指导意义。1.1表面活性剂简介1.1.1表面活性剂的定义和结构特征表面活性剂是一种物质。当它以非常低的浓度溶解并分散在溶液中时，它优先吸附在表面或界面上，这显著降低了表面或界面张力。当达到特定浓度时，表面活性剂聚集在溶液中形成胶束7

8、。表面活性剂的结构可分为两个性质明显不同的部分，即亲水极性基团和疏水非极性基团，其中非极性基团主要是烃链。由于极性和非极性基团位于表面活性剂分子的两端，表面活性剂分子具有不对称结构，其结构特征是亲油和亲水性两亲分子，如图1-1所示。它可以防止油和水相互排斥，并连接两相。然而，并不是所有的两亲分子都被称为表面活性剂，并且只有满足特定条件的两亲分子才是表面活性剂，例如，烃链长度必须在8和20之间。这是因为长或短的烃链会导致亲水性或亲油性差，这不适合作为表面活性剂的疏水链1。图1-1两亲分子示意图双亲的分子结构使得表面活性剂的一部分倾向于溶解在水中，而另一部分倾向于从水中逸出，这具有双重性质。结果，

9、其水溶液中的表面活性剂分子被吸附在气/液界面或油/水界面上，并形成独特的排列单分子膜7。溶液中的表面活性剂以低浓度的单分子形式存在。随着溶液中表面活性剂浓度的增加，溶液表面吸附达到饱和后，表面活性剂可以通过烃链的疏水作用结合成胶体聚集体，形成胶束，如图1-2所示。形成胶束的表面活性剂具有溶解胶束中不溶性或微溶性有机物的功能。图1-2方向表面活性剂种类繁多，根据亲水亲油基团的化学结构和性质及其适用范围，有多种分类标准。因为最常见的表面活性剂是水溶液体系，所以人们把表面活性剂在水中的行为分类作为标准。当表面活性剂溶解在水溶液中时，它被称为离子型表面活性剂，可以电离形成离子，而非离子型表面活性剂不能

10、电离形成离子8。根据电离后活性位点的不同，离子类型可分为阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂和两性表面活性剂。(1)阴离子表面活性剂阴离子表面活性剂是一种活性位为阴离子的表面活性剂，根据其官能团的特点，可分为磺酸盐、羧酸盐、硫酸盐和磷酸盐。磺酸盐表面活性剂中的磺酸为强酸，具有很强的亲水性，即使在酸性介质中加热也不会分解，影响溶解性，具有优异的润湿性和洗涤性；肥皂，即脂肪羧酸盐(主要是钠盐)，是一种古老的表面活性剂。肥皂除了清洁外，还有润湿、乳化和起泡的功能；硫酸盐具有良好的乳化和发泡性能；磷酸酯盐很少使用和生产，具有很强的抗静电性和抗硬水性能。它是一种低泡沫表面活性剂，常用作乳化剂、抗静电剂和缓

11、蚀剂。(2)阳离子表面活性剂阳离子部分是表面活性剂，这些表面活性剂大多是有机胺的衍生物，如盐酸盐或醋酸盐、季铵盐、吡啶盐等。阳离子表面活性剂的特点是易于在一般固体表面吸附，具有优异的杀菌性能。它有一些特殊的用途，如矿物浮选剂、软化剂、抗静电剂、颜料分散剂等。然而，这些表面活性剂通常价格昂贵，并且洗涤性能差。(3)非离子表面活性剂它在水溶液中不会电离，其亲水基团主要由聚氧乙烯组成。非离子表面活性剂的亲水性通常由所含氧乙烯基团的数量控制。这些表面活性剂可分为脂肪醇聚氧乙烯醚(R-O-(C2H4O)n-H)、脂肪酸聚氧乙烯酯(R-COO-(C2H4O)n-H)、烷基酚聚氧乙烯醚、聚氧乙烯烷基酰基醇胺

12、、多元醇和聚氧化烯整体共聚物等。非离子表面活性剂的结构特征决定了它们在某些方面优于离子表面活性剂。由于非离子表面活性剂在溶液中不易电离，不易受到强电解质、无机盐、酸和碱的影响，所以稳定性高。非离子表面活性剂的主要缺点是随着温度的升高，总溶解度降低。这是因为其水溶液中的氢键随着温度的升高而被破坏，这导致其亲水性差且不溶于水。原来透明的溶液会变得浑浊，变得清澈浑浊时的温度会变成浊点。(4)两性表面活性剂这些表面活性剂的分子结构与氨基酸相似，容易形成“内盐”。因为两性表面活性剂分子中既有酸性基团，也有碱性基团。两性表面活性剂主要有以下几种类型：甜菜碱系列、氨基酸系列、咪唑啉系列和软磷脂系列。两性表面

13、活性剂的酸性基团主要是羧酸基和磺酸基，碱性基团主要是胺基或季铵基。两性表面活性剂通常用作杀菌剂、腐蚀抑制剂、颜料分散剂、柔软剂和抗静电剂等。因为它们易溶于水，具有温和的杀菌效果，刺激性小，毒性小。1.1.3表面活性剂在三次采油中的应用20世纪20年代后期表面活性剂在石油开采中的应用。德格鲁特9首次提出了表面活性剂可以提高原油采收率的理论，实验证明多环磺酸盐和木质素亚硫酸盐废液在25 1000毫克/升的浓度下可以提高原油采收率.在20世纪40年代，布莱尔等人10提出将烷基硫酸盐注入油井可以去除蜡状固体并增加产量。之后，霍尔布鲁克指出脂肪酸皂、聚乙二醇酯、脂肪酸盐和磺酸盐、聚氧乙烯化合物和有机高氟化合物可以降低界面张力和提高采收率。然而，当时由于价格高和实验条件苛刻，表面活性剂的研究进展受到限制。直到20世纪60年代，表面活性剂驱油技术才开始取得重大进展。20世纪70年代石油危机爆发后，石油的大量需求和短缺加速了表面活性剂驱油技术的研究。早期，石油磺酸盐是应用和研究最多的表面活性剂，具有生产工艺简单、价格低廉、与原油相容性好、水溶性强、稳定性好、降低界面张力能力强等诸多优异性能11。20世纪80年代以后，研究人员设计了分子结构中带有两个极性基团的两性表面活性剂8，这种表面活性剂能更好地适应高矿化度油藏条件。后来，为了解决单独使用表面活性剂时存在的波及系数低、驱油效率差、吸附损失严