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研究发现:水解聚丙烯酰胺HPAM降低油水界面张力能力极其有限(一)
来源: 《中国石油大学学报(自然科学版)》 浏览 78 次 发布时间:2024-09-03
摘要:采用分子动力学模拟方法,从原子分子层次考察部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)以及改性HPAM的界面活性。结果表明:HPAM降低油水界面张力能力极其有限,而引入疏水基团后的HPAM具有较好的降低界面张力效果;改性HPAM的疏水基团增强与油相的作用,并在界面处形成致密的聚合物膜,增加油水界面层厚度,隔离油水相接触,从而降低油水接触形成的界面张力;盐离子的存在增加油水界面张力,改性HPAM引入的磺酸基团具有较好的抗盐能力,可以降低界面处盐离子的聚集,从而减弱盐离子对界面张力的影响。
早期的聚合物驱主要采用部分水解聚丙烯酰胺(HPAM),具有界面活性低、耐温/耐盐性差等缺点。通过对HPAM进行改性,不仅能改善驱替液的流变性能,还能提高HPAM的界面活性,促进HPAM在油水界面的吸附,以降低油水界面张力,起到乳化原油的作用。目前主要通过试验手段考察原油乳化行为,使用傅里叶红外光谱、核磁共振等仪器可表征聚合物或表面活性剂的构象;利用电镜可观察乳状液的形貌和尺寸;通过界面张力测量可评价聚合物、表面活性剂等的界面活性。分子动力学(MD)模拟是基于统计物理原理,将原子、分子的运动与体系宏观性质建立关系的一种计算模拟方法。Du等对3种聚合物驱油剂进行MD模拟,比较不同溶液的黏度,揭示盐离子诱导聚合物聚集的机制。Abdel-Azeim等利用MD模拟研究HPAM聚合物和磺化HPAM的缔合行为,发现磺化基团与阳离子的相互作用较弱,盐离子的存在会促进聚合物的缔合。Kshitij等使用MD模拟计算熔融聚甲基丙烯酸甲酯的表面张力,其随温度变化的结果与试验测试结果相符。界面处的张力主要来源于界面处原子受到垂直于界面的应力不均衡,从而引起界面处产生平行于界面的张力。笔者对亲水性的HPAM进行改性,通过接枝疏水基团增强聚合物与油相的相互作用,减弱油水界面处分子受力的不均衡,通过降低油水界面张力从而获得高的界面活性。进一步通过接枝具有耐盐性的磺酸基团,以提升聚合物在高矿化度储层中的性能。
1、模型及模拟方法
1.1、模型构建
为研究聚合物对油水界面张力的影响,模拟体系由油相、水相、聚合物分子3部分组成,模型见图1(a)。其中油相由正十二烷分子来模拟,聚合物选择HPAM以及改性后的聚丙烯酰胺进行对比研究。
模拟中采用聚合物的聚合度为100,在每个界面处放置10条聚合物链。丙烯酰胺单体经水解变为丙烯酸,模型中设置HPAM水解度为20%,水解单体在HPAM中均匀分布。HPAM改性中使用的2种单体见图1(b)。聚合物的改性是在原有分子基础上,两侧各替换5个疏水单体,并将分子上10%(质量分数)的丙烯酰胺单体替换为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)单体,AMPS单体在聚合物链中均匀分布。
实际应用中,聚合物驱油剂相对分子质量非常大。由于模拟尺度的限制,MD模型中聚合物链相对分子质量较小。由于聚合物是由大量重复单元构成的,较小的模型可以体现不同单体的结构及分布特征,因此本研究所采用的模型可以反映宏观聚合物驱过程中的物理本质。
1.2、分子力场与模拟软件
聚合物分子的电荷采用约束静电势(RESP)电荷用于评价聚合物分子所受的静电相互作用。聚合物单体结构优化采用Gaussian09程序,基组选用B3LYP/6-31G**,RESP电荷由Multiwfn软件拟合得到。选用CHARMM36力场描述体系中非键相互作用以及成键相互作用。所有MD模拟通过GROMACS 2019.6程序包实现,构型的可视化通过VMD软件实现。
1.3、模拟参数设置
模拟体系尺寸为80×80×250,在xyz三个方向均采用周期性边界条件。每个模型首先采用最速下降法优化初始构型,对体系能量最小化,然后进行100 ns的MD模拟。在所有的模拟中,压力设定为10 MPa,用于模拟地层压力,温度设定为343 K。模拟中采用NPT系综,通过Parrinello-Rahman方法进行压力耦合,Nosé-Hoover方法进行温度耦合,使用粒子网格Ewald(PME)方法处理静电相互作用,范德华相互作用和静电相互作用的截断半径设置为12,模拟步长设定为1 fs。