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科学研究

杨硕:天然表面活性剂在二氧化硅表面对原油的剥离机理:分子动力学模拟【SPE Journal,2024】
2024-03-11 阅读:2324

表面活性剂驱油技术是目前提高采收率(EOR)的有效方法之一。然而,根据最近的国际法规定,有毒和不可生物降解的化学品被禁止使用。这导致欧洲和美国逐步淘汰了一些传统的表面活性剂,寻找传统表面活性剂的替代品迫在眉睫。由于天然表面活性剂大多是从植物或动物中提取或分离出,与传统石油行业所使用的表面活性剂相比,天然表面活性剂具有无毒、可生物降解和降低更多的界面张力能力。目前,虽然有对椰油酰丙氨酸钠(SCA)在EOR中的应用进行了研究,但是对其性能的提升尚未挖掘。因此,需要对SCA性能的改进进行深入探讨,明确其对原油(C12)的剥离机理。

针对这一关键科学问题,我校能源学院博士研究生杨硕在导师刘鹏程教授和王焱伟博士后的指导下,与常州大学合作,设计了复合型表面活性剂在二氧化硅表面的模拟方法(图1,并研究了复合型表面活性剂(SOO)对C12的剥离方式、最佳剥离温度、吸附能力和来源。取得了如下主要创新性认识:

1.单一表面活性剂表现出整体吸附剥离的特征。单一表面活性剂分子将C12聚集在孔道中央,导致C12扩散能力降低,其位移最小。复合表面活性剂SOO表现出分散吸附剥离的特征。最初,SOO中的分子吸附至C12表面,随后C12分子在SOO的作用下,从SiO2表面扩散至孔道不同位置。在整个过程中,SOO分子的作用增强了原油的扩散能力(图23

2.表面活性剂分子对C12的吸附能力受到了孔道中矿化度分子的自由移动的阻碍。由于表面活性剂吸附能力的降低,导致C12的扩散能力降低,无法摆脱SiO2的束缚。因此,SOO的最佳使用温度为80-100℃,矿化度较低为宜(图4

3.由于C12分子由一系列相同的烷基单元组,其分子是对称结构,碳碳之间的键不存在极性。而非极性基团本身具有一定惰性,对于接近的极性分子表现出的斥力并不强。所以,SOO对其吸附能力主要为引力为主。SOO在较高矿化度和温度中,仍保持了较强的吸附能力,主要归因于范德华力的影响(5)。



图1 模型所用分子及整体孔喉模型



图2 SCA、OA-12和OP-10在20000 mg/L矿化度和不同温度下的流体赋存变化模拟快照



图3 不同矿化度和温度下SOO驱油体系的流体赋存变化模拟快照



图4 C12在不同矿化度和温度下的扩散系数



图5 不同矿化度和温度下的表面活性剂分子与C12分子间的静电力和范德华力

该研究受到国家自然科学基金(4220229251774256)的资助。成果发表于国际石油工程领域国际权威期刊《SPE Journal》上,Shuo Yang(第一作者); Pengcheng Liu*(通讯作者); Song Deng; Yanwei Wang. Oil detachment mechanism in natural surfactant flooding from silica surface: Molecular dynamics simulation. SPE Journal, 2024. 1-10,SPE-219466-PA, [IF2022=3.6]

全文链接:https://doi.org/10.2118/219466-PA


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