强化采油用表面活性剂在油/水界面和泡沫液膜吸附行为的研究

论文摘要

本论文将分子模拟技术有效地应用于表面活性剂驱油体系的性能研究，采用全原子的分子动力学(MD)、介观的耗散颗粒动力学(DPD)、同时和宏观实验技术相结合，分别从不同尺度上系统研究了表面活性剂在驱油过程中的关键性能与微观结构的关系，建立了分子结构、液膜性质、表观性能之间的联系。这些结果为理解、解释以及预测表面活性剂在各界面吸附现象提供了帮助，对EOR实验配方设计和实际应用具有重要的指导意义。1.表面活性剂在油／水界面行为的研究实际工业应用中，当我们在众多的表面活性剂中选择，或者是设计新的表面活性剂时，都希望其拥有强的降低界面张力的能力，同时还具有高的界面效率，也就是尽可能减少表面活性剂用量。借助于分子模拟的优势，把界面与体相区分开来详细的研究，将实验中的效率分成界面效率和最大吸附界面密度两个方面来讨论。在选用甲苯、饱和烷烃混合油相时，模拟结果显示表面活性剂对不同油相在界面上的吸附存在诱导作用，其疏水尾基与油分子之间存在着适应性，这要求我们对应于不同组分的油藏要选用尾链适合的表面活性剂体系。改变表面活性剂亲水基分子结构、浓度等因素发现，现有的常规表面活性剂界面效率和最大吸附界面密度两方面常常相反，这使得最终实验总效力不够好。如何在保证表面活性剂强亲水性头基高效率的前提下，增加其吸附密度?我们接下来分别研究了盐度等环境因素的影响以及表面活性剂复配体系，并探讨了利用复配协同效应提高界面活性的理论机制。最后确定了Gemini为目标驱油用表面活性剂构型，考察了分子中头基、连结基等结构对其界面行为的影响。在油／水界面的第二部分采用毛细管压差测定装置，测定了油滴变形通过毛细管过程的喉道时所需要的最大压力，来衡量表面活性剂在油／水界面吸附后产生的综合效果，并与界面张力、界面流变和分子模拟结果相结合，讨论表面活性剂的致效机理。2．表面活性剂稳定的泡沫体系结构和性质研究不同于以往对稳态泡沫的研究，本部分重点关注在动态干扰下的泡沫性质。基于全原子的分子动力学方法，得到了不同分子结构的表面活性剂在泡沫液膜表面详细的排列信息。模拟结果给出，泡沫体系的总能量主要受表面活性剂头基因素的影响，头基强的电性作用有利于泡沫体能量的降低；同是十二碳链的磺酸盐型阴离子表面活性剂，头尾之间不同官能团的结构导致了泡沫液膜构型的明显区别。紧接着我们采用泡沫衰减法、表观粘度等实验方法分别测定了稳态和转动干扰下的泡沫表观性质，并同质构分析、剪切流变等泡沫液膜性质以及上述分子模拟研究结果相结合，讨论分子结构——泡沫液膜性质——表观性能之间的关系，分析泡沫稳定机理。泡沫的携液和析液也是备受关注的方向之一，尽管前人建立的电导率法能简单、准确的实时反映泡沫内液体含量的多少，然而由于表观研究手段的限制使得析液过程不够清晰，而分子动力学模拟可以直观的展示水分子在泡沫液膜中的形态，弥补实验方法的不足，我们将两者结合起来，建立了新的析液模型，帮助我们深入认识泡沫携、析液过程，为实际应用提供理论指导。本论文主要的创新点有：1．采用界面密度、界面效率等参数表征表面活性剂在油／水界面的吸附行为，考察多种因素对表面活性剂到界面的吸附趋势以及降低界面张力效率的影响，指导EOR中高性能驱油体系的筛选。2．从分子结构出发，探讨阴非离子表面活性剂在油水界面的复配协同机理。模拟结果形象地展示了在界面层中，SDBS并不是均匀地排布，而是其头基聚集成小的团簇，空腔部分由水分子或油分子填充，而适宜的非离子表面活性剂可填充这些空穴，使油水界面张力大幅度降低。3．将泡沫的稳定性从表观静态泡沫扩展到转动剪切下的动态稳定性，首次采用质构分析方法研究泡沫液膜的性质，将质构分析、剪切流变等实验技术和分子模拟相结合，从分子结构、液膜行为和泡沫表观性能三个方面分析不同条件下泡沫的稳定机制。4．分子动力学和电导率法相结合，基于对泡沫液膜中水分子存在状态的模拟分析，建立了新的泡沫析液模型。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究方法
• 1.1.1 分子模拟的优点
• 1.1.2 分子模拟技术
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 表面活性剂在液/液界面吸附行为的分子模拟
• 1.2.2 表面活性剂在泡沫液膜吸附行为的分子模拟
• 1.3 本论文的立题思想、研究内容与意义
• 参考文献
• 第二章 计算方法
• 2.1 分子力场
• 2.2 分子力学方法
• 2.3 分子动力学模拟（MOLECULAR DYNAMICS）
• 2.4 耗散颗粒动力学模拟
• 2.5 选用的分子模拟软件
• 参考文献
• 第三章 表面活性剂在油水界面行为的分子模拟
• 3.1 引言
• 3.2 模拟与实验方法的选择
• 3.2.1 模拟方法
• 3.2.2 实验仪器与试剂
• 3.3 描述表面活性剂界面行为的参数
• 3.3.1 界面效率和界面密度
• 3.3.2 表面活性剂在界面的排布形态
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 不同油相对表面活性剂界面行为的影响
• 3.4.2 表面活性剂亲水基结构对界面行为的影响
• 3.4.3 无机盐对表面活性剂界面吸附行为的影响
• 3.4.4 表面活性剂复配协同体系
• 3.4.5 Gemini表面活性剂
• 3.4.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 表面活性剂在油水界面吸附的实验研究
• 4.1 实验仪器和试剂
• 4.1.1 毛细管压差实验装置及数据处理
• 4.1.2 界面活性及界面流变性
• 4.1.3 实验试剂
• 4.2 毛细管压差测量油/水界面性质与模拟结果的对应
• 4.3 毛细管压差、界面张力和界面流变性
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 表面活性剂在泡沫液膜中吸附行为的分子模拟
• 5.1 引言
• 5.2 模拟方法
• 5.2.1 模拟中涉及的表面活性剂
• 5.2.2 模拟方法
• 5.3 模拟结果与讨论
• 5.3.1 分子模拟体系能量分析
• 5.3.2 泡沫液膜分子排布的直观构型图
• 5.3.3 表面活性剂亲水基的位置分布
• 5.3.4 表面活性剂疏水尾链构象
• 5.4 小结
• 参考文献
• 第六章 泡沫剂分子结构与行为对泡沫性能的影响
• 6.1 实验试剂
• 6.2 泡沫稳定性
• 6.2.1 稳态泡沫稳定性
• 6.2.2 泡沫动态稳定性研究
• 6.3 泡沫质构分析
• 6.3.1 质构分析方法
• 6.3.2 测量过程探头受力分析
• 6.3.3 不同浓度SDS稳定的泡沫质构分析
• 6.3.4 不同表面活性剂稳定的泡沫质构分析
• 6.4 泡沫液膜性质
• 6.4.1 实验方法:剪切流变
• 6.4.2 表面活性剂浓度对泡沫液模性质的影响
• 6.4.3 不同表面活性剂稳定的泡沫液膜性质
• 6.5 小结
• 参考文献
• 第七章 泡沫液膜中水分子状态分布及泡沫析液模型
• 7.1 实验试剂和研究方法
• 7.1.1 实验试剂
• 7.1.2 泡沫携、析液研究方法
• 7.2 泡沫析液模型
• 7.2.1 电导测定析液曲线
• 7.2.2 析液模型
• 7.3 分子模拟研究泡沫液膜中水分子的存在状态
• 7.4 小结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文
• 学位论文评阅及答辩情况表