1、 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+、Ca2+、Mg2+）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+）对聚合物强化泡沫体系稳定性的影响较二价盐离子(Ca2+、Mg2+)小；而对于两种二价盐离子，Ca2+体系中 SDS尾链与 z 轴方向的倾角比 Mg2+的小，说明 Ca2+对泡沫稳定性的破坏比 Mg2+小。对于温度对聚合物复合泡沫
2、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，Ca2+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 Molecular Dynamics Simulation of the Influence of
3、Salt Ions and temperature on Polymer Enhanced Foam Stability Abstract Molecular dynamic simulations have been used to investigate the influence of salt ions and temperature on HPAM-SDS complex foam system stability in this article.For different salt ions(Na+,Ca2+,Mg2+)system,by examining the individ
4、ual 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 well as the diffusion coefficient parameters,the following results:monovalent cations(Na+)Intensive foam system on the stability of the p
5、olymer 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 than the smaller Mg2+,Ca2+Description damage foam stability smaller than Mg2+.For the effect of temperature on the stability of the polymer compo
6、site foam system,examining the syntactic foam surfactant adsorption configuration with temperature changes in the law,as well as surfactants and polymer interaction with water,and the results showed that:with increasing temperature interaction between Ca2+and SDS surfactant head groups between stron
7、g,leading to calcium ions on the composite foam system increases,resulting in reduced foam stability;and as the temperature increases,strengthen 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
8、diffusion coefficient of the first head group hydration layer system is increased,increasing the loss of water molecules,enhanced foam system stability.Keyword:Molecular Dynamics；polymer enhanced foam；stability；Salt ions；temperature 目 录第 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
9、 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
10、4 章 温度 HPAM-SDS 复合泡沫体系稳定性的影响.214.1 引言.214.2 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 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 1 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，
11、并且对油水的封堵具有选择性1，因此泡沫驱在未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
12、研究有着重要的实际意义。1.2 聚合物强化泡沫的基本概念 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：（
13、1）泡沫液膜中液体流失。泡沫相互挤压以及重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，大泡的压强第 1 章 前言 2 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
14、体系，从而进一步提高泡沫膜的稳定性和强度以及泡沫的封堵调剖能力。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
15、塞能力显著高于单一泡沫体系，这是因为，单一泡沫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
16、的状态下，聚合物复合泡沫体系更加稳定，能够更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第 1 章 前言 3 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+，Mg2+，相
