HPAM水解度对HPAM-表面活性剂复配体系气液界面性质影响的模拟方法

摘要

本发明公开了一种HPAM水解度对HPAM-表面活性剂复配体系气液界面性质影响的模拟方法，其是利用分子动力学模拟的方法改变HPAM的水解度，用以考察不同水解度的聚丙烯酰胺对表面活性剂气液界面性质的影响。该方法首先通过复配体系平衡构型研究不同水解度的HPAM在气液界面的分布情况，然后利用径向分布函数、密度分布曲线等参数考察HPAM水解度对表面活性剂气液界面性质的影响。本发明模拟方法可以从微观角度解释聚合物和表面活性剂相互作用的机理，为HPAM-表面活性剂复配体系气液界面性质的研究提供一定的理论指导。

说明书

技术领域

本发明涉及水溶性聚合物气液界面和自组装特性研究领域，具体涉及一种聚丙烯酰胺 (HPAM)水解度对HPAM-表面活性剂复配体系气液界面性质影响的模拟方法。

背景技术

三次采油技术主要包括化学驱油、混相驱油、微生物驱油和热力驱油四大技术系列。其 中化学驱油方法在我国应用的较为普遍，它又包括表面活性剂驱、聚合物驱及二元、三元复 合驱等。泡沫驱油是在多元驱基础上发展起来一种比较有前景的三次采油技术，因其可以增 大波及面积和洗油效率，明显提高原油的采收率，并且操作简单，开发成本较低，受到国内 外的普遍关注。泡沫驱油的应用有一定的限制，如稳定性差、有效期短等，而研究发现，在 泡沫流体中加入聚合物，可以明显提高泡沫的稳定性，国内油田常用聚丙烯酰胺作为稳泡剂。 部分水解的聚丙烯酰胺(HPAM)是水溶性聚合物，因其性能优良，稳定性好，所以拥有非 常广阔的发展前景。水溶性是水溶性高分子最重要的性质，由于水分子和它的极性基团之间 能形成氢键，使得高分子溶于水。水溶性聚合物的主要功能是用作增粘剂，增粘性是指把它 添加到另外的水溶液等体系中，能使体系的粘度增大的性质。因此，部分水解的聚丙烯酰胺 被广泛应用于石油勘探开发、水处理等领域，随着我国科技发展，对聚丙烯酰胺的市场需求 不断增加。

聚合物与表面活性剂复配体系中存在相互作用，使得它们相互影响、相互改性，主要表 现为体系的表面活性增强、粘度发生变化、溶液浊点升高等；同时，也使得聚合物分子链发 生折叠、弯曲等变化。影响聚合物-表面活性剂聚集体界面性质的因素有多种，主要是它们的 浓度、电性、极性基团以及表面活性剂的烷基链长度等；关于聚合物对泡沫体系稳定性的研 究，主要集中在实验领域，然而实验方法很难从微观角度解释作用机理，模拟的方法能够补 充实验手段的不足，因此聚合物影响表面活性剂-聚合物复配体系分子模拟研究应运而生。然 而目前现有技术中对于聚合物对泡沫体系稳定性的研究，很少有考察HPAM水解度的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种HPAM水解度对HPAM-表面活性剂复配体系气液界面性质 影响的模拟方法，该方法可以从微观角度解释聚合物和表面活性剂相互作用的机理，为聚合 物-表面活性剂复配体系气液界面性质的研究提供一定的理论指导。

其技术解决方案包括：

HPAM水解度对HPAM-表面活性剂复配体系气液界面性质影响的模拟方法，依次包括以 下步骤：

a构建初始模型，

利用MaterialsStudio软件中的Sketch工具构建HPAM分子、表面活性剂分子、水分子和 抗衡离子，改变HPAM分子链中-COO-与-CO-NH₂的比例用以模拟不同的水解度，并对各个分 子进行电荷分配和初步优化；

利用AmorphousCellConstruction工具和BuildLayers工具构建气液界面模型，并随机向 水盒子中加入与-COO-和表面活性剂头基总数相同的抗衡离子，以保持体系的电中性；将优化 后的聚合物链对称的放于水层界面处，并使两条聚合物之间的距离大于两倍截断半径；

b计算平衡构型，

利用Discover模块对步骤a的模型进行分子力学优化，再对优化后的模型进行分子动力 学模拟，获得平衡构型；

c综合分析，

根据步骤b中得到的平衡构型的轨迹文件，利用Forcite模块中的Analysis工具分析表面 活性剂头基周围水分子和钠离子的径向分布函数、表面活性剂头基的密度分布参数，具体展 开分析聚丙烯酰胺水解度对聚合物-表面活性剂复配体系气液界面性质的影响。

上述技术方案与现有技术相比，带来的直接有益技术效果是：

用模拟的方法考察聚丙烯酰胺水解度聚合物-表面活性剂复配体系气液界面性质的影响， 不需要耗费大量的实验材料和实验设备，降低成本，节省时间，具有高效的优势。

作为本发明的一个优选，所述表面活性剂为阴离子表面活性剂。

作为本发明的另一个优选，所述阴离子表面活性剂为十二烷基硫酸钠。

本发明带来了以下有益技术效果：

本发明提供了一种考察聚丙烯酰胺水解度对聚合物-表面活性剂复配体系气液界面性质 影响的模拟方法，它是利用分子动力学模拟的方法改变HPAM的水解度，用以考察不同水解 度的聚丙烯酰胺对表面活性剂气液界面性质的影响。首先通过复配体系平衡构型研究不同水 解度的HPAM在气液界面的分布情况，其次利用径向分布函数、密度分布曲线等参数考察 HPAM水解度对表面活性剂气液界面性质的影响。

本发明模拟方法计算快速、容易实现，计算结果准确，与实验结果相吻合；可以弥补实 验手段的不足，从微观角度解释聚合物和表面活性剂相互作用的机理，为HPAM-表面活性剂 复配体系气液界面性质的研究提供一定的理论指导。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1-图3为不同水解度的聚丙烯酰胺分子的初始构型；

图4为HPAM-表面活性剂(SDS)复配体系气液界面初始构型图；

图5-图7为不同水解度的HPAM-表面活性剂(SDS)复配体系气液界面平衡构型图；

图8为不同水解度的HPAM-表面活性剂(SDS)复配体系中表面活性剂头基在界面处的 密度分布曲线图；

图9为不同水解度的HPAM-表面活性剂(SDS)复配体系中表面活性剂头基周围水分子 的径向分布曲线图；

图10为不同水解度的HPAM-表面活性剂(SDS)复配体系中表面活性剂头基周围钠离子 的径向分布曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

本发明所选用的主要化学药品聚丙烯酰胺(HPAM)和表面活性剂(SDS)均可通过商业 渠道购买得到。

下面以表面活性剂为阴离子表面活性剂SDS为例对本发明做进一步说明。

实施例1：

HPAM水解度对HPAM-表面活性剂复配体系气液界面性质影响的模拟方法，具体包括以下 步骤：

步骤1、构建分子结构，

根据部分水解的聚丙烯酰胺的相关实验和理论文献，得到部分水解的聚丙烯酰胺的分子 结构，利用MaterialsStudio软件中Sketch工具构建部分水解的聚丙烯酰胺分子、表面活性剂 分子和水分子等，改变聚丙烯酰胺分子中-COO-与-CO-NH₂的比例来模拟不同的水解度，并对 其进行电荷分配和初步优化。

部分水解的聚丙烯酰胺分子初始构型见图1、图2和图3，其中，图1中-COO^-： -CO-NH₂＝1:9，图2中-COO^-：-CO-NH₂＝1:3，图3中-COO-：-CO-NH₂＝1:1；

步骤2、构建初始模型，

利用AmorphousCellConstruction工具和BuildLayers工具构建HPAM-SDS气液界面模 型，构建SDS个数为4×8的表面活性剂单分子层，将表面活性剂头基插入到含有1800个水 分子的水层中，水层厚度为3.3nm，水分子采用SPC势能模型，并随机向水盒子中加入与-COO- 和表面活性剂头基总数相同的抗衡离子，以保持体系的电中性；在体系上下两侧各增加3nm 的真空层，将优化后的HPAM分子链分别放于两个水层界面处，并尽量使两条HPAM分子链 对称分布，且两者之间的距离要大于两倍截断半径；部分水解的聚丙烯酰胺-十二烷基硫酸钠 复配体系(HPAM-SDS)初始构型见图4，表面活性剂SDS头基插入水层中，SDS尾链平行 于Z轴；聚合物链对称的放于水层界面处；

步骤3、计算HPAM-SDS复配体系平衡构型，

利用Discover模块对模型进行分子力学优化(DiscoverMinimizer)，然后再对优化后的模 型进行分子动力学模拟(DiscoverMolecularDynamics)；

HPAM-SDS复配体系分子力学优化参数：力场选用compass，范德华相互作用采用Atom Based方法计算，库伦相互作用采用Ewald方法计算，选择SmartMinimizer方法对体系进行 10000步的优化；

HPAM-SDS复配体系动力学模拟参数：采用NVT系综进行分子动力学模拟的计算，温 度选取298K，截断半径选择0.95nm，模拟时间为2000ps，时间步长为1fs，每1000步输出 一帧。

HPAM-SDS复配体系平衡构型图见图5、图6和图7，图5中-COO-：-CO-NH₂＝1:9，图 6中-COO-：-CO-NH₂＝1:3，图7中-COO-：-CO-NH₂＝1:1；从图中可看出，表面活性剂SDS 的尾链延展于空气中，而头基进入气液界面内；随着水解度的变化，HPAM和SDS头基的 位置发生变化；

步骤4、综合分析，

根据HPAM-SDS复配体系平衡构型的轨迹文件，提取表面活性剂头基在界面的密度分布 曲线，通过密度曲线峰值的变化情况，说明聚合物HPAM水解度对复配体系界面分布的影响； 复配体系中SDS头基在界面处的密度分布曲线见图8；

分析表面活性剂头基周围水分子和钠离子的径向分布曲线等参数，计算SDS头基周围配 位水分子数目和钠离子数目，进一步说明HPAM水解度对复配体系界面性质的影响；

HPAM-SDS复配体系中表面活性剂头基周围水分子的径向分布曲线见图9，表面活性剂 头基周围钠离子的径向分布曲线见图10。

本发明未述及的阴离子表面活性剂在上述实施例的指引下可显而易见的实现。

需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式，或明显变 型方式均应在本发明的保护范围内。