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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(qū)油機理、界面張力測定（一）
來源：油田化學 瀏覽 20 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(guān)鍵參數(shù)的影響規(guī)律。模擬結(jié)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(qū)油機理的研究奠定理論基礎(chǔ)。
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(qū)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(guān)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(qū)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(shù)的不斷發(fā)展和應用，越來越多的納米驅(qū)油技術(shù)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(zhì)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(qū)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(gòu)建
2-D納米黑卡具有雙層結(jié)構(gòu)，由大小為30?×40?×12?的二硫化鉬納米片與直鏈烷烴構(gòu)成。假設(shè)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(gòu)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