劉俊峰

摘要：近些年以來，分子動力學(xué)模擬（MD）在原子水平研究、流體性質(zhì)、相互作用、儲層巖石等方面獲取了廣泛關(guān)注。在分子動力學(xué)中，通過對系統(tǒng)內(nèi)部所有原子運(yùn)動在牛頓方程中獲得的數(shù)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(zhì)。此項技術(shù)可以輔助計算機(jī)實驗，以及開展一些極其危險、成本高、可能無法進(jìn)行的實驗。本文主要針對分子動力學(xué)在聚合物驅(qū)油中的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：分子動力學(xué);聚合物;驅(qū)油;應(yīng)用

前言：隨著機(jī)動力學(xué)的發(fā)展以及量子力學(xué)效應(yīng)的結(jié)合，計算機(jī)模擬獲取了飛速發(fā)展，諸多尺度的模擬方法也得到進(jìn)一步發(fā)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(shù)目龐大的分子運(yùn)動進(jìn)行計算，求解難度極高?？傮w而言，通過分子動力學(xué)模擬，對分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，可以獲取性能不同的聚合物驅(qū)油劑，這對于聚合物驅(qū)油技術(shù)中采油效率的提升而言，具備極其重要的現(xiàn)實意義。

1? 聚合物驅(qū)油劑中分子動力學(xué)的應(yīng)用

1.1 聚合物驅(qū)油劑中分子動力學(xué)的模擬

MD模擬對聚合物溶液構(gòu)象以及粘度而言，是進(jìn)行研究的一個主要工具，可以為具備理想溶液性質(zhì)的聚丙烯酰胺衍生物，在合成方面提供較為有用的數(shù)據(jù)信息。通過對分子動力學(xué)進(jìn)行應(yīng)用，對不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的氯化鈉，在聚丙烯酰胺以及水解聚丙烯酰胺方面進(jìn)行研究，觀察其在水溶液中的特性、黏度以及結(jié)構(gòu)，模擬數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，隨著氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的加大，水解聚丙烯酰胺溶液的特性黏度、回轉(zhuǎn)半徑、流體力學(xué)半徑等都會減小，然而聚丙烯酰胺溶液中這些參數(shù)不會出現(xiàn)太大變化。對于微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，水解聚丙酰胺的水溶液黏度，會伴隨氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(xué)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)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(zhì)，會起到十分重要的影響

1.2 聚合物驅(qū)油劑以及油藏環(huán)境條件下，相互作用的分子動力學(xué)模擬

運(yùn)用分子動力學(xué)，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(chǎn)生變化的影響，最終實驗結(jié)果顯示，PAM回轉(zhuǎn)半徑在較高的剪切速率范圍之內(nèi)，會隨著溫度的升高、減切速率的變大從而變小。經(jīng)過分析認(rèn)為，PAM以及粘土層之間存在較弱的H鍵，會導(dǎo)致PAM聚合物鏈出現(xiàn)卷曲情況，導(dǎo)致PAM旋轉(zhuǎn)半徑值出現(xiàn)降低，粘度變化趨勢的模擬結(jié)果，在實驗中得到了合理證實。使用分子動力學(xué)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(jìn)行模擬，對吸油性能進(jìn)行計算，最后再結(jié)合砂巖巖心的軀替實驗數(shù)據(jù)結(jié)果，改性之后的瓜爾膠，在經(jīng)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(xué)以及化學(xué)模擬，對于采收領(lǐng)域應(yīng)用的提高而言，奠定了一個嶄新的基礎(chǔ)。運(yùn)用分子動力學(xué)以及數(shù)值模擬，經(jīng)過計算合成之后，獲得復(fù)合材料在力學(xué)方面的性能。實驗結(jié)果顯示，加入硅烷偶聯(lián)劑之后，二氧化硅-聚丙烯酸酯的共聚物，在材料力學(xué)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(jìn)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(jìn)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(jié)合的一個案例，表明分子動力學(xué)的模擬，能夠起到極其重要的輔助作用[1]。

2? 聚合物驅(qū)油過程中的分子動力學(xué)模擬

當(dāng)前，國內(nèi)外針對聚合物驅(qū)油機(jī)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(qū)油原子層方面還缺乏一定認(rèn)識，針對復(fù)雜納米環(huán)境下，碳?xì)浠衔锼M(jìn)行的需求過程尚不清楚，需要對聚合物的黏彈性機(jī)質(zhì)進(jìn)行進(jìn)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(jī)理方面進(jìn)行研究以及分析，對于油田開發(fā)而言具備十分重要的現(xiàn)實意義。

根據(jù)分子動力學(xué)的基本原理，對聚合物驅(qū)過程中的驅(qū)油分子在作用力方面進(jìn)行描述，可以證明在相近條件之下聚合物驅(qū)的較水驅(qū)，不僅能夠擴(kuò)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(jī)制方面進(jìn)行分析以及探討。應(yīng)用分子動力學(xué)的模擬，研究納米孔內(nèi)部截留油滴，從死角進(jìn)行位移的動態(tài)過程。模擬研究表示，聚合物驅(qū)在具體采收時有優(yōu)異表現(xiàn)的關(guān)鍵因素，就是聚合物分子自身具備獨(dú)特的彈性性能。相比較于單純的水驅(qū)而言，聚合物驅(qū)能夠提升微觀驅(qū)油效果，主要原因就是因為具備驅(qū)油拉動機(jī)理。此外還發(fā)現(xiàn)，聚合物的鏈長如果越長，只需要注入相對較少的p v數(shù)，就能夠?qū)埩粲瓦M(jìn)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(yīng)也就越強(qiáng)。此種彈性的增強(qiáng)，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(qiáng)度的拉力，對于驅(qū)油效率而言，能夠起到提升作用。國內(nèi)研究人員，研制出了一種具備調(diào)取作用的活性高分子，使用分子動力學(xué)和其他模擬方法進(jìn)行結(jié)合，針對活性高分子、原油在相互作用機(jī)理方面進(jìn)行探究以及分析。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，活性高分子能夠?qū)r石表面的原油進(jìn)行置換，讓其變成可動油，在室內(nèi)進(jìn)行的研究，也對這一點進(jìn)行了充分證實[2]。

結(jié)束語：綜上所述，分子動力學(xué)模擬，可以對原子、分子在尺度中的復(fù)雜流動現(xiàn)象進(jìn)行合理觀察，并提供性質(zhì)可靠的精準(zhǔn)預(yù)測，加深對采油率機(jī)制提升的理解，從而強(qiáng)化儲存分析。而且可以對驅(qū)油劑進(jìn)行設(shè)計以及優(yōu)選，讓其符合特殊油藏的地理環(huán)境。分子動力學(xué)技術(shù)在應(yīng)用之后，將模擬、實驗、理論三者之間進(jìn)行的兩兩模擬構(gòu)建了溝通的橋梁，可以進(jìn)行相互佐證，在宏觀以及微觀角度上建立合理聯(lián)系，有利于分析微觀性質(zhì)，并對宏觀現(xiàn)象進(jìn)行分析，對新產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)測以及開發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐建平， 袁遠(yuǎn)達(dá)， 謝青，等. 分子動力學(xué)在聚合物驅(qū)油中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 油氣藏評價與開發(fā)， 11（3）：8.

[2]解增忠， 龍軍， 代振宇，等. 分子動力學(xué)模擬在潤滑基礎(chǔ)油黏度研究中的應(yīng)用進(jìn)展[J]. 計算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)， 2018（7）.