表面活性剂是一类在较低浓度时能显著降低表面活性的物质,由于其分子结构中同时含有亲水基和疏水基,具有与其他化合物不同的独特的双亲性质,这些性质可使表面活性剂在溶液中形成分子有序组合体,也可以在界面吸附从而改变界面张力和表面润湿性能等。

在大庆油田三次采油中,表面活性剂作为添加剂的主要成分起到重要的驱油作用。为了适应当前的采油状况,提高石油采收率,改变石油的供需矛盾,有关表面活性剂在油水界面的行为和抗盐性能的研究一直备受关注。本文采用分子动力学模拟的方法,从微观角度对表面活性剂在油/水界面的聚集形态、吸附情况和相互作用机理等方面开展了系统的理论研究工作,对选取的四种类型的驱油用表面活性剂进行了对比分析,对研究结果给出了合理的解释。

理论研究结果对于进一步指导驱油用表面活性剂的筛选和高效驱油用表面活性剂的分子设计具有重要的理论意义和实际应用价值。本论文首先通过分子动力学模拟方法研究了阴离子、非离子、两性离子和双子四种类型表面活性剂在油/水界面的微观行为,计算了四种表面活性剂在油/水界面形成的界面张力、界面厚度和界面形成能,计算了四种表面活性剂亲水基与水分子的径向分布函数,计算了不同电场强度对表面活性剂体系中水扩散系数的影响,从微观角度揭示了驱油用表面活性剂的驱油机理。

其次比较了不同阳离子(Na~+、Mg~(2+)和Ca~(2+))与四种不同类型驱油用表面活性剂头基之间的相互作用情况,通过平均力势(PMF)分析了阳离子与表面活性剂头基之间形成的结合能和解离能,对表面活性剂抗盐性能进行了评价,建议了驱油用表面活性抗盐作用机理。最后通过自由能微扰计算了四种不同类型表面活性剂在水溶液中的热力学参数,比较了四种驱油用表面活性剂胶束形成的能力。

研究结果表明,油/表面活性剂/水界面张力低有利于驱油,界面厚度大、界面形成能低有利于降低界面张力。随着界面张力的降低,表面活性剂在油/水界面稳定性增强。四种驱油用表面活性剂中双子表面活性剂降低油/水界面张力的能力最强,形成的结构最为稳定,更适合作为驱油用表面活性剂。表面活性剂头基与水分子之间存在着化学水合层和物理水合层,对于不同阳离子(Na~+、Mg~(2+)和Ca~(2+))参与的驱油过程,径向分布函数的峰值越高,表面活性剂头基与阳离子之间的作用力越强,三种阳离子对水合层的影响依次为Mg~(2+)Ca~(2+)Na~+。

三种不同阳离子与四种表面活性剂结合能的结果显示,两性和非离子表面活性剂的抗盐性能高于阴离子和双子表面活性剂,而解离能的结果显示,非离子较两性表面活性剂在高盐状态下更容易失去活性,因而,在高盐油藏条件下,两性表面活性剂更适用于驱油用。计算的热力学数据表明,四种表面活性剂在水溶液中可自发形成胶束,胶束化过程主要是熵驱动,随着温度的升高,熵驱动的贡献逐步减小,而焓驱动的贡献逐步增大,存在着明显的线性焓-熵补偿现象。

四种表面活性剂的吉布斯自由能数据表明,两性和双子表面活性剂形成胶束化的能力较强,稳定性好,有较好的驱油效果。