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新型納米材料2-D納米黑卡在油水界面的微觀驅油機理、界面張力測定（一）
來源：油田化學 瀏覽 181 次 發(fā)布時間:2025-07-02
摘要：新型納米材料2-D納米黑卡已被證實可有效提高低滲-致密油藏采收率，展現(xiàn)出優(yōu)異的油水界面特性。但是2-D納米黑卡與油水界面相互作用的微觀機理仍不明確。應用Lammps建立2-D納米黑卡油水界面模型，針對常溫常壓（298 K，1 atm）條件下2-D納米黑卡在油水界面的特性進行分子動力學模擬，分析2-D納米黑卡個數(shù)對不同分子在油水界面的密度分布、油水界面厚度、油水界面覆蓋率、分子間相互作用能和界面張力變化率等5個關鍵參數(shù)的影響規(guī)律。模擬結果表明：當2-D納米黑卡界面覆蓋率近似為1時，界面處油水及納米片分子密度分布基本達到穩(wěn)定，2-D納米黑卡界面密度峰值幾乎不再增長，密度峰變寬；油水界面厚度為24.4?，油水界面相互作用能為-4164 kcal/mol，界面張力比率為0.767，且這3個量達到相對穩(wěn)定狀態(tài)。本研究可對2-D納米黑卡室內(nèi)實驗和礦場應用濃度優(yōu)選提供理論依據(jù)和指導，為納米片驅油機理的研究奠定理論基礎。
低滲透油氣資源在國內(nèi)外油氣資源中占有十分重要的地位，而且隨著石油勘探程度的逐步加深，其所占的比例還將繼續(xù)增大。但是由于低滲透儲層與中高滲透儲層相比，在滲流機理、開發(fā)方式、采收率方法和經(jīng)濟效益等方面都有明顯差異，低滲透油藏存在開發(fā)難度大、采收率低和效益差等特點，同時，由于低滲透儲層的比表面積大，表面活性劑吸附損失大，化學驅開發(fā)低滲油藏具有較大的局限性，因此需研發(fā)新型注劑提高采收率，其中，納米顆粒在提高采收率方面具有較大潛力。
納米顆粒自身的材料、濃度、形狀、尺寸等因素對采收率提高幅度至關重要，同時，當納米顆粒處于不同外界環(huán)境（鹽度、pH值、溫度、壓力等）中時，提高采收率幅度也不相同，其提高采收率作用機理在于降壓增注、降低界面張力、降低乳狀液黏度、改變潤濕性、改善流度比、防止黏度膨脹、延長瀝青沉淀時間等。通常應用納米顆粒制備納米乳液、納米催化劑、納米流體來提高原油采收率。目前，油田化學驅開采中用的納米顆粒主要是球形納米顆粒，其很長一段時間內(nèi)在油田開采中發(fā)揮著重要的作用。二氧化硅球形納米顆粒在降低油水界面張力、改變潤濕性、合成高穩(wěn)定性材料等方面發(fā)揮著巨大的優(yōu)勢。隨著新型納米技術的不斷發(fā)展和應用，越來越多的納米驅油技術被應用于提高原油采收率。
為了提高低滲-致密油藏的原油采收率，中國石油大學（北京）自主研發(fā)了片狀新型納米材料2-D納米黑卡，它不同于球形納米顆粒與油水界面的“點-面”接觸，而是鋪展在油水界面形成“面-面”接觸。實驗表明，2-D納米黑卡在潤濕、乳化、降黏、降低界面張力等方面發(fā)揮了很好的效果，但其微觀性質尤其是分子層面與油水界面的相互作用尚未得到系統(tǒng)描述。本文運用分子動力學模擬方法研究納米黑卡在油水界面的微觀驅油機理，從分子層面優(yōu)選納米黑卡的最優(yōu)濃度，為納米黑卡實驗提供理論指導。
1實驗部分
1.1材料與儀器
2-D納米黑卡，自制；煤油、石油醚、乙醇。
dIFT雙通道動態(tài)界面張力儀，芬蘭Kibron公司。
1.2界面張力的測定
在45℃下，采用旋轉界面張力儀測定不同濃度的2-D納米黑卡溶液與煤油間的界面張力。
1.3 2-D納米黑卡在油水界面的模擬方法
本次模擬運用Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator（LAMMPS）開源軟件執(zhí)行，利用Visual Merchandise Design（VMD）軟件對模型結構進行可視化，建立納米流體模型進行模擬研究納米黑卡在油水界面微觀作用機理。
1.3.1分子模型的構建
2-D納米黑卡具有雙層結構，由大小為30?×40?×12?的二硫化鉬納米片與直鏈烷烴構成。假設理想狀態(tài)下二硫化鉬納米片無晶格缺陷，其活性位點位置確定可參見文獻，且全部被C18H38直鏈烷烴接枝，如圖1所示。
圖1 2-D納米黑卡分子結構圖
同時，為了研究納米片尺寸對界面張力的影響，建立納米片尺寸分別為15?×20?×12?、30?×40?×12?和60?×80?×12?納米片模型。
采用SPC/E模型描述水分子間相互作用，該模型中由于H原子質量小，對水分子間的H—H和H—O相互作用可忽略不計。選取C10H22為油相，原子間的相互作用勢采用CHARMM勢函數(shù)來描述。VA8模型在研究二硫化鉬結構和振動特性時具有較高的準確性，故選取其來描述納米片原子間的相互作用。以直鏈烷烴為改性劑改變納米片的親油親水性，采用CHARMM力場來描述原子間相互作用。采用6/12 Lennard-Jones（LJ）
計算水分子、油相分子和納米黑卡之間的相互作用，截斷半徑分別為10?和12?。所構建的油水界面體系由31 500個油分子和17693個水分子組成，并將納米黑卡置于所構建的油水界面體系中。如圖2所示，油水界面上層部分的碳氫鏈表示油分子，油水界面下層區(qū)域代表水分子。
圖2納米黑卡油水界面分布圖