分子动力学在聚合物驱油中的应用研究进展

刘俊峰

摘要：近些年以来，分子动力学模拟（MD）在原子水平研究、流体性质、相互作用、储层岩石等方面获取了广泛关注。在分子动力学中，通过对系统内部所有原子运动在牛顿方程中获得的数值解，可以观察到从速度时间演化以及原子位置的分析中能够获取到有趣性质。此项技术可以辅助计算机实验，以及开展一些极其危险、成本高、可能无法进行的实验。本文主要针对分子动力学在聚合物驱油中的应用进展进行分析，以供参考。

关键词：分子动力学;聚合物;驱油;应用

前言：随着机动力学的发展以及量子力学效应的结合，计算机模拟获取了飞速发展，诸多尺度的模拟方法也得到进一步发展，但是由于受到存储空间以及计算速度的限制，直接针对数目庞大的分子运动进行计算，求解难度极高。总体而言，通过分子动力学模拟，对分子结构进行设计，可以获取性能不同的聚合物驱油剂，这对于聚合物驱油技术中采油效率的提升而言，具备极其重要的现实意义。

1  聚合物驱油剂中分子动力学的应用

1.1 聚合物驱油剂中分子动力学的模拟

MD模拟对聚合物溶液构象以及粘度而言，是进行研究的一个主要工具，可以为具备理想溶液性质的聚丙烯酰胺衍生物，在合成方面提供较为有用的数据信息。通过对分子动力学进行应用，对不同质量分数下的氯化钠，在聚丙烯酰胺以及水解聚丙烯酰胺方面进行研究，观察其在水溶液中的特性、黏度以及结构，模拟数据结果显示，随着氯化钠质量分数的加大，水解聚丙烯酰胺溶液的特性黏度、回转半径、流体力学半径等都会减小，然而聚丙烯酰胺溶液中这些参数不会出现太大变化。对于微观结构进行模拟的数据结果显示，水解聚丙酰胺的水溶液黏度，会伴随氯化钠质量分数增加从而减小，而且水解聚丙烯酰胺相比较于聚丙烯酰胺而言，具备较差的抗盐性能以及较好的增粘效果。通过对分子动力学进行研究，发现多价阳离子、阴离子型的改性聚丙烯酰胺，二者相互之间的库伦、配位相互作用，针对聚合物溶液中的诸多性质，会起到十分重要的影响

1.2 聚合物驱油剂以及油藏环境条件下，相互作用的分子动力学模拟

运用分子动力学，研究水化蒙脱土针对聚丙烯酰胺的粘度，随着温度以及剪切速率产生变化的影响，最终实验结果显示，PAM回转半径在较高的剪切速率范围之内，会随着温度的升高、减切速率的变大从而变小。经过分析认为，PAM以及粘土层之间存在较弱的H键，会导致PAM聚合物链出现卷曲情况，导致PAM旋转半径值出现降低，粘度变化趋势的模拟结果，在实验中得到了合理证实。使用分子动力学针对改性之后的棕榈酸-瓜尔胶展开分子建模，然后对油层上的吸附情况进行模拟，对吸油性能进行计算，最后再结合砂岩岩心的躯替实验数据结果，改性之后的瓜尔胶，在经过油水界面张力降低之后，岩石的湿润性会变得更加亲水，从而采收率会得到提高。此项研究主要是计算分子动力学以及化学模拟，对于采收领域应用的提高而言，奠定了一个崭新的基础。运用分子动力学以及数值模拟，经过计算合成之后，获得复合材料在力学方面的性能。实验结果显示，加入硅烷偶联剂之后，二氧化硅-聚丙烯酸酯的共聚物，在材料力学性能方面得到了有效提升，其中包括：泊松比、剪切模量、杨氏模量、弹性模量、体积模量等。在对油藏条件进行模拟时，需要开展躯替实验，首先就要注入盐水，分别对天然聚丙烯酸酯、二氧化硅聚丙烯酸酯的聚合物进行分别注入，前者的采收率为74.9%，后者的采收率是82.9%。这是属于一个非常典型的实验、理论模型、分子建模，三者相互结合的一个案例，表明分子动力学的模拟，能够起到极其重要的辅助作用[1]。

2  聚合物驱油过程中的分子动力学模拟

当前，国内外针对聚合物驱油机理在研究方面都获得了诸多显著成果，但是对于聚合物在驱油原子层方面还缺乏一定认识，针对复杂纳米环境下，碳氢化合物所进行的需求过程尚不清楚，需要对聚合物的黏弹性机质进行进一步阐述。因此，对于纳米孔中的黏弹性聚合物，在提升采收率的分子机理方面进行研究以及分析，对于油田开发而言具备十分重要的现实意义。

根据分子动力学的基本原理，对聚合物驱过程中的驱油分子在作用力方面进行描述，可以证明在相近条件之下聚合物驱的较水驱，不仅能够扩大波及的体积，还能够让去油率得到合理提升。从理论层面针对黏弹性聚合物，在提升采油率的分子机制方面进行分析以及探讨。应用分子动力学的模拟，研究纳米孔内部截留油滴，从死角进行位移的动态过程。模拟研究表示，聚合物驱在具体采收时有优异表现的关键因素，就是聚合物分子自身具备独特的弹性性能。相比较于单纯的水驱而言，聚合物驱能够提升微观驱油效果，主要原因就是因为具备驱油拉动机理。此外还发现，聚合物的链长如果越长，只需要注入相对较少的p v数，就能够对残留油进行更大程度的去除，微观采油的效率也更高。针对聚合物在黏弹性方面的实验分析表示，聚合物的链长越长，聚合物在存储方面的模量也就越大，聚合物的驰豫时间如果越长，聚合物弹性的效应也就越强。此种弹性的增强，促使聚合物在孔隙中有更多拉伸，针对死角中的油滴，也可以施加更大强度的拉力，对于驱油效率而言，能够起到提升作用。国内研究人员，研制出了一种具备调取作用的活性高分子，使用分子动力学和其他模拟方法进行结合，针对活性高分子、原油在相互作用机理方面进行探究以及分析。数据结果表明，活性高分子能够对岩石表面的原油进行置换，让其变成可动油，在室内进行的研究，也对这一点进行了充分证实[2]。

结束语：综上所述，分子动力学模拟，可以对原子、分子在尺度中的复杂流动现象进行合理观察，并提供性質可靠的精准预测，加深对采油率机制提升的理解，从而强化储存分析。而且可以对驱油剂进行设计以及优选，让其符合特殊油藏的地理环境。分子动力学技术在应用之后，将模拟、实验、理论三者之间进行的两两模拟构建了沟通的桥梁，可以进行相互佐证，在宏观以及微观角度上建立合理联系，有利于分析微观性质，并对宏观现象进行分析，对新产品进行预测以及开发。

参考文献：

[1]徐建平， 袁远达， 谢青，等. 分子动力学在聚合物驱油中的应用研究进展[J]. 油气藏评价与开发， 11（3）：8.

[2]解增忠， 龙军， 代振宇，等. 分子动力学模拟在润滑基础油黏度研究中的应用进展[J]. 计算机与应用化学， 2018（7）.