鼠李糖脂在气液界面吸附行为的分子动力学模拟.pdf

1、鼠李糖脂在气液界面吸附行为的分子动力学模拟摘要随着国内大多数油田进入三次采油阶段，常规采油方式只能采出地下原油的30%-50%，因此亟须一种高效、经济、环保的提高采收率技术-微生物采油技术。微生物采油技术被认为是一种“最具有发展前景和价值的三次采油技术”。在微生物采油技术中微生物代谢产物作用最为显著，其中微生物产生的生物表面活性剂是很重要的一种代谢产物。在本文中采用研究最多最透彻的一种生物表面活性剂-鼠李糖脂作为研究对象，本论文采用分子动力学模拟的方法研究两种不同结构的鼠李糖脂 R1 和 R2 在气液界面的性质，从分子角度揭示其降低表面张力差异的原因，并进一步考察乙酸浓度的变化对鼠李糖脂界面性

2、质的影响。关键词关键词：微生物采油；鼠李糖脂；分子动力学模拟；界面性质；乙酸The most thorough study of the use of biosurfactants in this article-Rhamnolipid as the research object,this paper applies the method of moleculardynamics simulation study of two different structures Rhamnolipid R1 and R2 to thegas-liquid interface nature,from t

3、he molecular point of view to reveal its reasons forreducing the surface tension differences and to further investigating the effect ofchanges in the concentration of acetic acid rhamnolipid interfacial properties.Keywords：Microbial enhanced oil recovery;Rhamnolipid;molecular dynamicssimulations;int

4、erfacial properties;Acetic acidMolecular Dynamics Study of Rhamnolipid at theVapor/Liquid InterfaceAbstractWith most domestic oilfield joining in EOR phase,conventional oil recoverymethods only produce 30%-50%of crude oil underground,so it is crucial to look foran efficient,economical and environmen

5、tally friendly EOR technology-microbialenhanced oil recovery techniques.Microbial enhanced oil recovery technology isconsidered to be a most promising enhanced oil recovery techniques.Microbialenhanced oil recovery techniques in microbial metabolites most significant role,inwhich microorganisms bios

6、urfactants is a very important one metabolite.第 1 章前言.11.1 微生物采油简介.11.1.1 微生物采油的定义.11.1.2微生物采油国内外发展概况.21.1.3微生物采油机理.31.2 微生物代谢产物中的生物表面活性剂简介.51.2.1 生物表面活性剂的特点及分类.51.2.2 生物表面活性剂的发展现状.61.3 本论文的研究背景及研究内容.8第 2 章理论计算方法.102.1 分子力学方法.102.2 分子动力学方法.10第 3 章不同结构的鼠李糖脂在气液界面吸附行为的分子动力学模拟.123.1 引言.123.2 模型与方法.133.3

7、 结果与讨论.143.3.1 单层膜的结构性质.143.3.2 界面水层的性质.153.3.3 极性基团与水之间的相互作用.183.3.4 单层膜及其附近水的动力学性质.203.4 结论.23第 4 章代谢产物乙酸对 R1 结构在气液界面吸附行为的影响.244.1 引言.244.2 模型与方法.244.3 结果与讨论.244.3.1 乙酸对鼠李糖脂 R1 单层膜结构的影响.24目录目录4.3.2 乙酸对界面水层性质的影响.254.3.3 乙酸对 R1 极性基团与水相互作用的影响.264.3.4 乙酸对单层膜及其周围水动力学性质的影响.284.4 结论.31第 5 章结论.32致谢.33参考文献

8、.34第 1 章前言1第第 1 章章前言前言最近几年来，随着中国工业化程度越来越高，经济发展越来越迅速，石油资源的消耗速度越来越快，中国的石油安全战略和石油使用的可持续性已受到各行各业以及民众的重视和关心。据统计，截止到 2008 年中国石油对外的依赖程度已接近百分之五十，而且新增石油探明储量持续下降，油藏中原油品质越来越差，这将严重制约中国经济的快速发展，这关乎着国家大计和人民生活。目前，经过世界上的常规采油方式（注水开采、注气开采等）对油藏进行处理后，仍有 50%70%的石油留在了地层中。因此将油藏残余油尽可能多的开采出来，进一步提高原油采收率，是全世界的石油工作者为之奋斗的目标。随着人们

9、对原油的过度依赖，地下的石油资源越来越少，三次采油技术（微生物采油技术、聚合物驱、表活剂驱、复合驱、注气混相驱和热采等）越来越多地被应用于全世界的各大油田中，受到石油工作者的青睐。在矿场实践的过程中，石油工作者将以上几种三次采油技术进行综合性比较，得知微生物采油技术对油藏的适应性更好。美国能源部证实，经过微生物处理后的油井可以采出更多的原油，而且油井的可持续开发时间也得到延长1。因此，微生物采油技术是一种很具有发展前景和价值的三次采油技术。1.1 微生物采油简介1.1.1 微生物采油的定义微生物采油技术是通过向油藏内注入接种了石油微生物的发酵液或直接向油藏内注入营养物质来激活油藏内原本已有的微

10、生物的方式，微生物在油藏内迁移扩散，在迁移扩散的过程中微生物自身代谢作用（细胞体的作用和微生物降解作用等）及微生物代谢产物（生物气、小分子量酸、有机溶剂、生物聚合物和生物表面活性剂等）作用于油藏中原油和岩层，改善稠油的黏度高和难流动等特性、封堵高渗透带、提高低渗区渗透率、提高原油采收率的一项生物技术。微生物采油技术具有其他采油技术所不具备的优势：微生物采油技术对油的驱动程度很高，它既可以更加高效地开采出地层中流动性比较高的原油，又可以缓慢地开采出部分附着在低渗透岩层中难以流动的原油，因此与常规采油方式和第 1 章前言2其他三次采油方式相比，微生物采油技术能够采出更多的原油，使产量提高；微生物采

11、油技术对油藏的适应性强，特别是一些矿化度高的油藏或者含蜡量的稠油油藏；利用微生物对油藏进行处理之后，油井的可持续开采时间会变长，而且地下的原油会被更大程度地开采出来；微生物采油技术可以改善稠油黏度高、不易流动的特性，为常温下开采稠油奠定了基础，减少了油田注蒸汽采油对能源的消耗，对环境的污染；微生物采油技术可以降低原油中重金属和硫元素的含量，可以减轻有害物质对环境的污染，提高原油的品质。此外，具备低成本、环保等优点的微生物采油受到油田工作者的青睐，逐步地被应用到油田的现场中。1.1.2微生物采油国内外发展概况从 1926 年 Beckman 提出微生物采油的设想至今，已有 80 年的发展历程。在

12、这 80 年的发展过程中，微生物采油的理论研究与实验研究不断深入，微生物采油的技术手段越来越丰富。不仅如此，它还被应用到油田现场中，取得了不错的成果。1926 年，美国科学家 Beckman2初次提出在微生物及其代谢产物的作用下，油藏中的原油会从岩石表面脱离并运移出来；1946 年 Zobell3在 Beckman 设想的基础上进行了一系列微生物驱油实验，实验结果表明微生物改善了原油黏度高和流动性差的不良特性，从实验的角度证明了利用微生物进行采油的合理性和意义；Beckman 于 1947 年第一次将微生物应用与工业，探索微生物是否能在现场环境中发挥驱油的作用；1953 年，Zobell 又筛

13、选出其他的微生物菌种，并用微生物驱油实验验证了筛选出的菌种能提高原油的采收率，取得了许多有价值的成果。20 世纪50 年代，在前苏联开展了人类史上第一次微生物采油矿场实验；1957年，美国申请了一项关于利用微生物进行采油的专利，专利的内容为将微生物发酵液里的营养物质在微生物的作用下转化成有利于提高采收率的物质，如，小分子酸、生物气等4。20 世纪 80 年代，美国和苏联的微生物采油技术取得了比较大的发展，开始将其应用与现场，而且，在 1991 年美国将微生物采油技术列为重点发展的采油技术之一，并将其应用在很多油田，取得了产出比 1:5 的良好效果5。近几年来，美国和俄罗斯并驾齐驱，共同引领着微

14、生物采油技术的两种潮流。美国主要利用外源微生物采油技术，即利用油藏外的微生物进行培养，发酵第 1 章前言3出具有驱油作用的微生物代谢产物，不仅将微生物注入油藏，而且将微生物的代谢产物和营养物质一同注入，对油藏中的原油和岩石起作用，从而产出更多的原油；俄罗斯主要利用本源微生物采油技术，即利用油藏中的原著微生物，只将营养物质注入油藏，在营养物质的作用下，微生物代谢活动加快。微生物自身代谢作用（细胞体的作用和微生物降解作用等）及微生物代谢产物（生物气、小分子量酸、有机溶剂、生物聚合物和生物表面活性剂等）作用于油藏中的原油和岩石，从而达到采出更多油的目的。我国的微生物采油技术方面的研究起步晚于西方，大

15、约在 20 世纪 60 年代，但是在国内各大油田连同许多大学和科研院所共同攻关下，我国的微生物采油技术获得很大的发展。1965 年，大庆油田开始在室内对微生物采油技术进行初步的模拟研究，而后又在 80 年代与中科院微生物研究所合作，在室内实验取得的成果之后开始在生产现场进行了 2 口井的单井吞吐实验。2001-2006 年这五年内，针对低渗油藏进行了 60 口井的微生物吞吐试验，实现投入产出比 1:8 的良好效果；除此之外，还成功地在特低渗油藏进行了微生物驱油矿场试验，实现了投入产出比 1:4.2。2004 年，在大庆油田开展了利用调剖菌进行油藏调剖的试验，提高了注入水的波及范围，增加了驱油效

16、率。20 世纪 90 年代初期，中石化股份有限公司胜利油田分公司开始涉足微生物采油这一领域。经过 20 余年的发展，胜利油田已建成国内第一家微生物研究中心，已开展过微生物清蜡、微生物驱油、微生物吞吐、内外源微生物驱油等采油技术。1.1.3微生物采油机理一般认为，微生物的采油机理主要有 2 方面，一是微生物本身的代谢作用以及细胞体对原油、岩石和固液界面性质的影响；二是微生物代谢产物可以增大岩石的孔隙度和渗透率，可以使油藏中气体量增多导致压力升高，溶解原油重质组分，提高水的波及范围等，从而实现原油产量的增加。(1)微生物本身的作用微生物细胞相当于小颗粒，微生物随注入水进入孔隙度大的区域，会堵塞较大的孔隙，达到堵水的效果。微生物在油藏中扩散迁移，这与一般的化学堵剂是第 1 章前言4不同的，化学堵剂不会实现油藏深处的堵水。这是一种选择性堵水方式，除此之外，衰亡的微生物细胞还可以起到非选择性封堵的功能。除了能起到堵水的作用，微生物本身还可以起到乳化原油、改善稠油的黏度高、难流动的物理性质、扩大注入水的扫油面积等作用。(2)微生物代谢产物的作用微生物的代谢产物主要包括酸、生物气体和生物表面活性剂，