二价盐离子对泡沫稳定性影响的分子动力学模拟.pdf

1、二价盐离子对泡沫稳定性影响的分子动力学模拟摘要本文采用分子动力学方法研究了不同的二价盐离子对泡沫稳定性的影响。以二价阳离子（Ca2+和 Mg2+）和二价阴离子（SO42-和 CO32-）为研究对象，通过泡沫液膜的临界厚度考察了十二烷基苯磺酸钠泡沫的稳定性。结果表明：Ca2+体系的泡沫稳定性优于Mg2+体系，而 SO42-体系的泡沫稳定性也略优于 CO32-体系。通过密度分布曲线、SDBS头基与 z 轴的倾角分布以及尾链与 z 轴方向倾角的分布考察了二价盐离子对表面活性剂吸附构型的影响，研究结果发现 Ca2+体系的 SDBS 头基与 z 轴的倾角比小 Mg2+体系的SDBS 头基与 z 轴的倾角

2、小，而 SO42-体系的 SDBS 头基与 z 轴的倾角比小 CO32-体系的SDBS 头基与 z 轴的倾角小。并通过结合能和解离能反映了二价盐离子和极性头基之间的相互作用，结果发现 Mg2+比 Ca2+更容易与极性头基结合，CO32-比 SO42-更容易与极性头基结合.关键词关键词：分子动力学模拟；泡沫稳定性；二价盐离子；临界厚度Molecular Dynamics Simulation of the Influence ofDivalent Ions on Foam StabilityAbstractMolecular dynamic simulations have been perfo

3、rmed with Sodium dodecyl benzenesulfonate(SDBS)to investigate the influence of divalent ions on foam stability.The foamstability was examined by simulating film rupture during which critical thickness wasmeasured.The simulation results showed that Mg2+cause a significant decrease in foamstability th

4、an Ca2+,ane the CO32-lead a slight decrease than SO42-.We have investigated theeffect of divalent ions on the adsorpted configuration of SDBS through density profiles,thetilt angle orientation distributions of headgroup and tail of SDBS respect to the z direction.And the result showed that the tilt

5、angle orientation distributions of headgroup of SDBSrespect to the z direction of Mg2+system is larger than that of Ca2+system,and the tilt angleorientation distributions of headgroup of SDBS respect to the z direction of CO32-system islarger than that of SO42-system.Also,We have studied the interac

6、tion between divalent ionsand headgroups of SDBS through analysing binding energy and dissociation energy.Theresult showed that Mg2+is more easier combine to the SDBS headgroup than Ca2+.Keyword:Molecular Dynamics；foam stability；divalent ions；critical thickness目录第 1 章前言.11.1 泡沫驱.11.2 泡沫基本概念.11.2.1 泡

7、沫的定义及产生.11.2.2 泡沫的稳定性及其影响因素.31.3 无机盐对泡沫稳定性的影响.7第 2 章理论计算方法和模拟软件简介.112.1 分子动力学模拟(MD).112.2 Materials Studio 软件简介.11第 3 章二价阳离子对 SDBS 稳定的泡沫稳定性的影响.133.1 引言.133.2 模型与方法.143.3 结果与讨论.153.3.1 Ca2+和 Mg2+对泡沫临界厚度的影响.153.3.2 Ca2+和 Mg2+对表面活性剂吸附膜结构的影响.173.3.3 表面活性剂头基与水分子的相互作用.213.3.4 表面活性剂头基与 Ca2+和 Mg2+之间的相互作用.24

8、3.4 本章小结.27第 4 章二价阴离子对 SDBS 稳定的泡沫稳定性的影响.284.1 引言.284.2 模型和方法.284.3 结果和结论.284.3.1 CO32-和 SO42-对泡沫临界厚度的影响.284.3.2 CO32-和 SO42-对表面活性剂吸附膜结构的影响.294.3.3 表面活性剂头基与水分子的相互作用.324.3.4 表面活性剂头基与 CO32-和 SO42-之间的相互作用.334.4 本章小结.35第 5 章结论.37致谢.38参考文献.39第 1 章前言1第 1 章前言1.1 泡沫驱我国主力油田，如大庆、胜利油田己经进入开发生产的中后期，但仍有占地质储量2/3 左右

9、的原油留在地层中。因此，必须进一步提高这些油田的原油产量才能满足我国发展的能源需求。目前应用较广泛的提高采收率方法有热力采油、聚合物驱，气驱等，特别是聚合物驱在许多油田取得了成功的应用，在一定程度上实现了我国的各大油田的原油增产。但是，聚合物驱也会给油田带来不利的影响，由于相对质量较大，聚合物驱容易引起严重窜流问题，对油田地质来说是严重的伤害。因此，为了避免这类问题，研究新的化学驱技术显得尤为重要。泡沫驱作为一种新兴的化学驱油技术，因为具备原料价格低廉、实施过程简单并且提高原油采收率的效果明显等优点而成为最具前途的化学驱油方法之一。一般来说泡沫驱的驱油效率比单纯的水驱或气驱效率高，因为泡沫不仅

10、有较高的粘性，并且具有质量轻，体积大的特点，所以在油层中流动时的受到的阻力较大，使泡沫体系以及油相的流动速度变慢，因而能够更好地、更彻底的驱动地质中的残油、剩油，因而可以再一定程度上提高原油的产量。表面活性剂可以降低界面活性，因而表面活性剂稳定的泡沫更容易与油相分离，因而可以提高采油效率。1.2 泡沫基本概念1.2.1 泡沫的定义及产生泡沫是指有一系列由液体薄膜与其所包围的气体组成的气泡所形成的体系，其中液体虽然是以薄膜的形式存在，但一直连续，即泡沫体系中气泡与气泡相连，没有孤立的气泡，而气相则是分散的，每个气泡的大小不一，由气相中气体分子的数量决定。如果连续的液相是水或者水溶液，这时的泡沫叫

11、做水基泡沫。研究发现纯的液体不能产生稳定的泡沫，因此在实际应用中一般加入泡沫剂使泡沫稳定。泡沫剂可以使气体更容易发泡，也可以阻止泡沫在短时间内破裂。在实际生产中泡沫有以下两种形成方式：（1）地面成泡将制备好的泡沫注入油层。要在发泡剂的作用下将氮气、CO2、空气等气体通入液相中才有可能形成泡沫。由于起泡剂具有亲水和疏水两种性质，因此在第 1 章前言2起泡剂达到一定浓度时，其在液相的不同位置会以不同的形式存在。在界面处，吸附形成表面活性剂单分子层结构，在溶液处则会形成胶束聚集体。这时向溶液通入气体，由于表面活性剂的两亲性质，会在液体内部，形成由一层表面活性剂分子围绕的气泡，此时极性头基在液相中，而

12、疏水尾链则是伸入气泡内部。气泡在水的浮力作用下逐渐上升，当到达到气液界面处的表面活性剂层时，由于表面活性剂分子间的相互作用以及其两亲性，会形成一个内外皆有一层吸附膜的泡沫。刚开始形成的泡沫液膜中含水较多，在重力的作用下，泡沫液膜析出一定量的水分达到相对稳定的状态。由于通入气体的量较，因而会在气液界面形成很多的气泡，这些气泡堆积一起，就是泡沫。图 1-1 是地面成泡的示意图。图 1-1 地面泡沫的形成过程Fig.1-1Formation of foams on the ground（2）层内成泡利用工作设施向油层内注入气体和发泡剂溶液，在油层内形成泡沫。液膜滞后和气泡缩颈分离机理:先往油层中注入

13、泡沫液，由于液体的流动性，泡沫液充分分布于油层的各孔隙中；然后通入气体，随着气体的增多，压力增大，气体会排挤泡沫液使其继续流动；由于孔隙壁的吸附作用，泡沫液在两侧的流动较慢，因而会形成一层薄膜，这层薄膜滞后与泡沫液体相，为泡沫的形成提供了条件。随着气体的继续注入，压力继续增加，泡沫液膜的滞后也越来越严重，因此液膜的厚度会越来越小，直至发生断裂，两侧的液膜相互连接并且包围一定量的气体形成单个的气泡。即缩颈分离.图 1-2 和图 1-3 分别为液膜滞后和气泡缩颈分离的示意图。液膜分断机理:在缩颈分离形成气泡之后，此时的气泡如果遇到更小更密集的孔隙，会在压力的作用下分析形成多个较小的气泡。这就是液膜

14、的分段机理，分段导致气泡体积变小，数目增多。随着第 1 章前言3气体注入量的增加以及油层中孔隙的增多，这两种效应不断产生，会形成大量的气泡。随着液相不断被分割开来，最后这些气泡聚集在一起成为泡沫体系。因为液膜的分段会形成两个或多个气泡，大大的增加了比表面积，因此通常认为液膜分段是最主要的泡沫生成机理，可以产生稳定的泡沫。图 1-4 为液膜分段机理的示意图。图 1-2 液膜滞后机理示意图图 1-3 缩颈分离机理示意图Figure 1-2Schematic of leave-behind mechanismFigure 1-3 Schematic of snap-off mechanism图 1-

15、4 液膜分段机理示意图Figure 1-4 Schematic of division mechanism1.2.2 泡沫的稳定性及其影响因素泡沫的稳定性越好即泡沫的“寿命”越长，泡沫驱的效率越高，因此，泡沫的稳定性是有关泡沫驱研究者们最为关注的问题，如何形成稳定性较好的泡沫也是提高原油采收率必须考虑的问题之一。因为气相占整个泡沫体积的绝大部分，而液体被压缩成一层膜只占泡沫体积的不到10%，并且具有较高的自由能，因此泡沫非常容易受环境影响而破裂。随着气泡液膜的自由能自发降低，泡沫逐渐排液变薄直至发生破裂，此时的气相和液相完全分离，气泡成为水滴。目前，常用泡沫发生破裂的半衰期的长短来衡量泡沫的稳

16、定性的好坏，它是第 1 章前言4指泡沫从开始直至发生破裂所用时间的一半。相同的时间内，泡沫液膜厚度的减少量越小，泡沫越不容易发生破裂。泡沫的稳定性非常容易受到各种外部条件的影响，下面从以下几个较为重要方面进行说明：（1）界面张力减小表面张力是泡沫剂的主要功能之一。一方面，界面张力越低意味着泡沫变化越慢，这对泡沫的稳定是有利的。从另一个方面来说，在较低的界面张力下，由于气液界面出的毛细管中压力较小，因而液膜中水失去的速度缓慢，对泡沫的稳定性也是有利的；因此，在一般情况下，低的界面张力所对应的薄膜稳定性较好；但是研究发现，事实并不如此。大量的实验数据表明，泡沫液膜的界面张力并不能决定其稳定性的好坏。因此，考察薄膜的稳定性，不能只根据界面张力来判断。（2）表面弹性与 Marangoni 效应前文提到，界面张力的高低不能说明泡沫稳定性的强弱。事实上，泡沫液膜受到较小的破坏时，会在表面活性剂的作用下自动修复，即 Marangoni 效应。因此泡沫稳定与否也和 Marangoni 效应有关。下面简单介绍一下 GibbsMarangoni 效应，泡沫液膜在受到力的作用时，液膜中的水分向张力较低处移动