一种预测电解质对表面活性剂分子中聚氧丙烯链油水界面排布影响的模拟方法

本发明涉及胶体界面科学，尤其涉及一种预测电解质对表面活性剂分子中聚氧丙烯链油水界面排布影响的模拟方法。

背景技术：

1、随着原油的进一步开采，油藏条件愈发苛刻。塔里木部分高矿化油田的含盐量高达110～260g/l，其中ca2+、mg2+离子的浓度高于5g/l，甚至可达到10g/l。由于高矿化油田并不少见，研究电解质对表面活性剂分子在油水界面排布特征的影响规律具有重要意义。

2、含聚氧丙烯(po)基团的表面活性剂是一种新型延展型表面活性剂。该类表面活性剂在其疏水烷基和亲水极性基团之间插入了一段非离子聚氧丙烯链段。非离子po链段的嵌入使疏水烷基和亲水极性基团之间的极性过渡较为平缓，这导致该类表面活性剂在油-水界面和空气-水界面表现出独特的界面性能。含聚氧丙烯链的表面活性剂表现出良好的界面活性和吸附增溶能力，在提高原油采收率、织物清洗、化妆品等领域有广阔的应用前景。

3、为了更好地将含聚氧丙烯链表面活性剂应用于提高原油采收率，研究电解质对表面活性剂分子中聚氧丙烯链在油水界面排布特征的影响具有重要意义。而传统的分析表面活性剂界面性质的实验手段(如：界面扩张流变实验、界面剪切流变、界面扭曲流变、界面弛豫实验、界面张力测试等)是通过对界面膜进行外界干扰，通过测试数据分析表面活性剂分子在界面的性质、界面膜的粘弹性质，这些都是宏观的实验，不能直观看到表面活性剂分子在界面的排列组装、分子聚集重排、分子在界面和体相之间扩散交换的快慢、界面层结构的变化等。因此，传统的实验手段不仅繁琐、周期长，而且难以直观地从分子角度得到不同浓度、不同种类的盐离子对含聚氧丙烯链表面活性剂分子在油水界面的吸附行为的影响。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种预测电解质对表面活性剂分子中聚氧丙烯链油水界面排布影响的模拟方法，该方法能从分子层面上研究盐离子对含聚氧丙烯链表面活性剂分子在油水界面的吸附行为、聚氧丙烯链在油水界面排布的影响，为含聚氧丙烯链表面活性剂的研究提供了理论上的指导，同时有利于适用于高盐油藏的含聚氧丙烯链表面活性剂分子的合理设计。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种预测电解质对表面活性剂分子中聚氧丙烯链油水界面排布影响的模拟方法，包括以下步骤：

4、(1)利用高斯软件构建含聚氧丙烯链表面活性剂模型和油分子模型，在b3lyp/6-31+g*水平上分别对所述含聚氧丙烯链表面活性剂模型和油分子模型的初始拓扑结构进行几何结构优化，计算含聚氧丙烯链表面活性剂和油分子中每个原子的resp电荷，从amber分子力场中生成相应的力场参数；

5、(2)利用packmol软件构建含聚氧丙烯链表面活性剂盒子、盐溶液盒子和油盒子；

6、(3)将所述含聚氧丙烯链表面活性剂盒子和盐溶液盒子组装成含聚氧丙烯链表面活性剂/盐溶液两相体系模型后，依次进行能量最小化处理和初步平衡处理，得到初步平衡的含聚氧丙烯链表面活性剂/盐溶液两相体系；

7、(4)将所述初步平衡的含聚氧丙烯链表面活性剂/盐溶液两相体系和油盒子组装成油/含聚氧丙烯链表面活性剂/盐溶液三相体系模型后，依次进行能量最小化处理和初步平衡处理，得到初步平衡的油/含聚氧丙烯链表面活性剂/盐溶液三相体系的结构文件；

8、(5)将所述初步平衡的油/含聚氧丙烯链表面活性剂/盐溶液三相体系的结构文件作为输入文件进行分子动力学模拟，得到稳定状态下的油/含聚氧丙烯链表面活性剂/盐溶液三相体系模型，获取分子轨迹文件和三维坐标文件；

9、(6)对所述分子轨迹文件和三维坐标文件进行分析，计算油相、含聚氧丙烯链表面活性剂层和盐溶液相的质量密度分布和界面厚度；聚氧丙烯链中的氧原子/碳原子与盐溶液离子、盐溶液中氧原子、油相碳原子之间的径向分布函数；表面活性剂分子中聚氧丙烯链的舒展度和倾斜角；聚氧丙烯链中各氧原子在z轴方向的高度；聚氧丙烯链中的氧原子氢键数目，通过改变盐溶液中盐溶液种类和浓度，得到不同电解质对表面活性剂分子中聚氧丙烯链在油水界面排布特征的影响规律。

10、优选的，所述含聚氧丙烯表面活性剂包括含聚氧丙烯链的阴离子表面活性剂、含聚氧丙烯链的阳离子表面活性剂、含聚氧丙烯链的非离子表面活性剂或含聚氧丙烯链的两性离子表面活性剂。

11、优选的，所述含聚氧丙烯链的阴离子表面活性剂包括烷基聚氧丙烯磺酸盐、烷氧基聚氧丙烯磺酸盐、苯基聚氧丙烯磺酸盐、烷基聚氧丙烯羧酸盐、烷氧基聚氧丙烯羧酸盐、苯基聚氧丙烯羧酸盐、烷基聚氧丙烯硫酸盐、烷氧基聚氧丙烯硫酸盐和苯基聚氧丙烯硫酸盐中的一种或几种；

12、所述含聚氧丙烯链的阳离子表面活性剂包括烷基聚氧丙烯三甲基氯化铵、烷氧基聚氧丙烯三甲基氯化铵、苯基聚氧丙烯三甲基氯化铵、烷基聚氧丙烯二甲基苄基氯化铵、烷氧基聚氧丙烯二甲基苄基氯化铵和苯基聚氧丙烯二甲基苄基氯化铵中的一种或几种；

13、所述含聚氧丙烯链的非离子表面活性剂包括含聚氧丙烯脂肪醇、烷基酚聚氧丙烯醚、聚氧丙烯脂肪酸酯和聚氧丙烯烷基胺中的一种或几种；

14、所述含聚氧丙烯链的两性离子表面活性剂包括烷基聚氧丙烯二甲基甜菜碱、烷氧基聚氧丙烯二甲基甜菜碱、烷基聚氧丙烯二甲基磺乙基甜菜碱、烷氧基聚氧丙烯二甲基磺乙基甜菜碱、烷基聚氧丙烯二甲基羟丙基磷酸脂甜菜碱和烷氧基聚氧丙烯二甲基羟丙基磷酸脂甜菜碱中的一种或几种。

15、优选的，所述油分子包括己烷、庚烷、辛烷、壬烷或癸烷。

16、优选的，步骤(2)中，所述含聚氧丙烯链表面活性剂盒子中分子沿xy方向均匀分布，含聚氧丙烯链表面活性剂分子的个数由表面活性剂分子的饱和吸附面积确定；

17、所述盐溶液盒子中包含水分子以及盐，所述盐溶液盒子中水分子个数由模拟温度下纯水的实际密度确定，所述盐溶液盒子中盐浓度根据实际地下水中各种离子浓度确定或根据所需预测的盐离子种类和浓度设置；

18、所述盐包括cacl2、mgcl2、na2so4、na2co3、nahco3和nacl中的至少一种；

19、所述油盒子中油分子个数由模拟温度下油的实际密度确定。

20、优选的，步骤(2)中，所述含聚氧丙烯链表面活性剂盒子、盐溶液盒子和油盒子在xy方向的尺寸相同。

21、优选的，步骤(3)中，所述含聚氧丙烯链表面活性剂/盐溶液两相体系模型的构建包括：在所述盐溶液盒子垂直于z轴方向的上下两个表面分别放置两个相接触的含聚氧丙烯链表面活性剂盒子，盐溶液盒子与两个相接触的含聚氧丙烯链表面活性剂盒子的质心在一条线上，两侧的含聚氧丙烯链的表面活性剂分子的亲水头朝向盐溶液盒子一侧放置。

22、优选的，步骤(4)中，所述油/含聚氧丙烯链表面活性剂/盐溶液三相体系模型的构建包括：在初步平衡的含聚氧丙烯链表面活性剂/盐溶液两相体系垂直于z轴方向的上下两个表面分别放置两个相接触的油盒子，含聚氧丙烯链表面活性剂/盐溶液两相体系与上下两个油盒子的质心在一条线上。

23、优选的，步骤(3)和(4)中，所述能量最小化处理和初步平衡处理独立包括：采用最陡下降法进行能量最小化处理，使体系能量收敛至＜100kj/mol，然后利用gromacs软件进行200ps的nvt模拟进行初步平衡处理。

24、优选的，步骤(5)中，所述分子动力学模拟包括：利用gromacs软件对初步平衡的油/含聚氧丙烯链表面活性剂/盐溶液三相体系在油藏温度下依次进行10～50ps的npt模拟、1～5ns的nvt模拟以及5～10ns的npt模拟，使体系达到平衡后，对所得体系进行1～5ns的npt模拟。

25、本发明借助分子动力学理论和仿真计算软件首先对含聚氧丙烯链表面活性剂、油分子进行几何优化计算，然后分别构建油盒子、含聚氧丙烯链表面活性剂盒子、盐溶液盒子；为了避免不合理结构，先将含聚氧丙烯链表面活性剂和盐溶液盒子组成两相体系进行优化，其中表面活性剂分子的亲水头朝盐溶液相，然后将油盒子加入两相体系构建油/含聚氧丙烯链表面活性剂/盐溶液三相体系模型，进行分子动力学模拟，通过分析平衡体系的分子轨迹文件和三维坐标文件，可以模拟评价不同浓度、不同种类的盐离子对表面活性剂分子中聚氧丙烯链在油水界面排布特征的影响，从而预测盐溶液中含聚氧丙烯链表面活性剂分子在油水界面的吸附行为。该方法从微观分子层面上研究含聚氧丙烯链表面活性剂在油-盐溶液界面的分子排布和作用机理，研究盐离子对含聚氧丙烯链表面活性剂分子在油水界面的吸附行为、聚氧丙烯链在油水界面排布的影响，不仅简便、省时，大大缩短实验周期，还可以为含聚氧丙烯链表面活性剂的研究提供理论上的指导，预测油藏中盐组分对含聚氧丙烯链表面活性剂分子在油水界面的吸附行为的影响，因而有利于适用于高盐油藏的含聚氧丙烯链表面活性剂分子的合理设计。

26、进一步的，本发明中三相体系模型的优化过程依次包括10～50ps的npt模拟、1～5ns的nvt模拟和5～10ns的npt模拟，能够使后期体系更容易平衡。