分子動力學在聚合物驅油中的應用研究進展

劉俊峰

摘要：近些年以來，分子動力學模擬（MD）在原子水平研究、流體性質、相互作用、儲層巖石等方面獲取了廣泛關注。在分子動力學中，通過對系統內部所有原子運動在牛頓方程中獲得的數值解，可以觀察到從速度時間演化以及原子位置的分析中能夠獲取到有趣性質。此項技術可以輔助計算機實驗，以及開展一些極其危險、成本高、可能無法進行的實驗。本文主要針對分子動力學在聚合物驅油中的應用進展進行分析，以供參考。

關鍵詞：分子動力學;聚合物;驅油;應用

前言：隨著機動力學的發展以及量子力學效應的結合，計算機模擬獲取了飛速發展，諸多尺度的模擬方法也得到進一步發展，但是由于受到存儲空間以及計算速度的限制，直接針對數目龐大的分子運動進行計算，求解難度極高。總體而言，通過分子動力學模擬，對分子結構進行設計，可以獲取性能不同的聚合物驅油劑，這對于聚合物驅油技術中采油效率的提升而言，具備極其重要的現實意義。

1? 聚合物驅油劑中分子動力學的應用

1.1 聚合物驅油劑中分子動力學的模擬

MD模擬對聚合物溶液構象以及粘度而言，是進行研究的一個主要工具，可以為具備理想溶液性質的聚丙烯酰胺衍生物，在合成方面提供較為有用的數據信息。通過對分子動力學進行應用，對不同質量分數下的氯化鈉，在聚丙烯酰胺以及水解聚丙烯酰胺方面進行研究，觀察其在水溶液中的特性、黏度以及結構，模擬數據結果顯示，隨著氯化鈉質量分數的加大，水解聚丙烯酰胺溶液的特性黏度、回轉半徑、流體力學半徑等都會減小，然而聚丙烯酰胺溶液中這些參數不會出現太大變化。對于微觀結構進行模擬的數據結果顯示，水解聚丙酰胺的水溶液黏度，會伴隨氯化鈉質量分數增加從而減小，而且水解聚丙烯酰胺相比較于聚丙烯酰胺而言，具備較差的抗鹽性能以及較好的增粘效果。通過對分子動力學進行研究，發現多價陽離子、陰離子型的改性聚丙烯酰胺，二者相互之間的庫倫、配位相互作用，針對聚合物溶液中的諸多性質，會起到十分重要的影響

1.2 聚合物驅油劑以及油藏環境條件下，相互作用的分子動力學模擬

運用分子動力學，研究水化蒙脫土針對聚丙烯酰胺的粘度，隨著溫度以及剪切速率產生變化的影響，最終實驗結果顯示，PAM回轉半徑在較高的剪切速率范圍之內，會隨著溫度的升高、減切速率的變大從而變小。經過分析認為，PAM以及粘土層之間存在較弱的H鍵，會導致PAM聚合物鏈出現卷曲情況，導致PAM旋轉半徑值出現降低，粘度變化趨勢的模擬結果，在實驗中得到了合理證實。使用分子動力學針對改性之后的棕櫚酸-瓜爾膠展開分子建模，然后對油層上的吸附情況進行模擬，對吸油性能進行計算，最后再結合砂巖巖心的軀替實驗數據結果，改性之后的瓜爾膠，在經過油水界面張力降低之后，巖石的濕潤性會變得更加親水，從而采收率會得到提高。此項研究主要是計算分子動力學以及化學模擬，對于采收領域應用的提高而言，奠定了一個嶄新的基礎。運用分子動力學以及數值模擬，經過計算合成之后，獲得復合材料在力學方面的性能。實驗結果顯示，加入硅烷偶聯劑之后，二氧化硅-聚丙烯酸酯的共聚物，在材料力學性能方面得到了有效提升，其中包括：泊松比、剪切模量、楊氏模量、彈性模量、體積模量等。在對油藏條件進行模擬時，需要開展軀替實驗，首先就要注入鹽水，分別對天然聚丙烯酸酯、二氧化硅聚丙烯酸酯的聚合物進行分別注入，前者的采收率為74.9%，后者的采收率是82.9%。這是屬于一個非常典型的實驗、理論模型、分子建模，三者相互結合的一個案例，表明分子動力學的模擬，能夠起到極其重要的輔助作用[1]。

2? 聚合物驅油過程中的分子動力學模擬

當前，國內外針對聚合物驅油機理在研究方面都獲得了諸多顯著成果，但是對于聚合物在驅油原子層方面還缺乏一定認識，針對復雜納米環境下，碳氫化合物所進行的需求過程尚不清楚，需要對聚合物的黏彈性機質進行進一步闡述。因此，對于納米孔中的黏彈性聚合物，在提升采收率的分子機理方面進行研究以及分析，對于油田開發而言具備十分重要的現實意義。

根據分子動力學的基本原理，對聚合物驅過程中的驅油分子在作用力方面進行描述，可以證明在相近條件之下聚合物驅的較水驅，不僅能夠擴大波及的體積，還能夠讓去油率得到合理提升。從理論層面針對黏彈性聚合物，在提升采油率的分子機制方面進行分析以及探討。應用分子動力學的模擬，研究納米孔內部截留油滴，從死角進行位移的動態過程。模擬研究表示，聚合物驅在具體采收時有優異表現的關鍵因素，就是聚合物分子自身具備獨特的彈性性能。相比較于單純的水驅而言，聚合物驅能夠提升微觀驅油效果，主要原因就是因為具備驅油拉動機理。此外還發現，聚合物的鏈長如果越長，只需要注入相對較少的p v數，就能夠對殘留油進行更大程度的去除，微觀采油的效率也更高。針對聚合物在黏彈性方面的實驗分析表示，聚合物的鏈長越長，聚合物在存儲方面的模量也就越大，聚合物的馳豫時間如果越長，聚合物彈性的效應也就越強。此種彈性的增強，促使聚合物在孔隙中有更多拉伸，針對死角中的油滴，也可以施加更大強度的拉力，對于驅油效率而言，能夠起到提升作用。國內研究人員，研制出了一種具備調取作用的活性高分子，使用分子動力學和其他模擬方法進行結合，針對活性高分子、原油在相互作用機理方面進行探究以及分析。數據結果表明，活性高分子能夠對巖石表面的原油進行置換，讓其變成可動油，在室內進行的研究，也對這一點進行了充分證實[2]。

結束語：綜上所述，分子動力學模擬，可以對原子、分子在尺度中的復雜流動現象進行合理觀察，并提供性質可靠的精準預測，加深對采油率機制提升的理解，從而強化儲存分析。而且可以對驅油劑進行設計以及優選，讓其符合特殊油藏的地理環境。分子動力學技術在應用之后，將模擬、實驗、理論三者之間進行的兩兩模擬構建了溝通的橋梁，可以進行相互佐證，在宏觀以及微觀角度上建立合理聯系，有利于分析微觀性質，并對宏觀現象進行分析，對新產品進行預測以及開發。

參考文獻：

[1]徐建平， 袁遠達， 謝青，等. 分子動力學在聚合物驅油中的應用研究進展[J]. 油氣藏評價與開發， 11（3）：8.

[2]解增忠， 龍軍， 代振宇，等. 分子動力學模擬在潤滑基礎油黏度研究中的應用進展[J]. 計算機與應用化學， 2018（7）.