一种计算油-水-固体系微观界面分离压力的方法

本发明涉及界面物理化学领域，尤其涉及一种计算油-水-固体系微观界面分离压力的方法。

背景技术：

1、随着时代的发展人们对于环境保护的认识逐渐加强，但社会发展对于能源的需求也日益增长，采用经济高效、环境友好的采油方法在能源开采领域迫在眉睫。全球大部分油田在继一次二次开采之后，仍有超过65％的原油存在于地下无法开采，因此三次采油技术(化学驱、气驱、热力采油等)被提出来并且很快进入现场试验与应用。低矿化度水驱(lowsalinity waterflooding，lswf)作为一种经济环保的提高采收率(enhanced oilrecovery,eor)技术也已被人们熟知与应用。一系列现场和实验室实验和模拟表明，二次采油后，lswf能够有效提高原油采油率，但各种作用机制中，如微粒运移和渗透率降低、ph、矿物溶解、渗透效应、极性油组分的解吸、微分散体的形成、粘弹性、双电层(electricdouble-layer,edl)的膨胀、多组分离子交换(multi-component ion exchange,mie)和润湿性改变，各影响占比仍不明确。随着对低矿化度水驱提高采收率中各种机制的研究，双电层膨胀普遍被国内外学者认同是导致润湿性改变的主要机制，即以经典的胶体稳定性dlvo(derjaguin-landau-verwey-overbeek)理论为基础的界面反应，该理论将岩石表面的电动力学与润湿性改变和水膜作用中涉及的热力学相互作用联系起来，通过分离压力描述了电解质溶液中两个带电界面相互接近时所涉及到的力。水膜存在于水润湿的储层孔隙中，导致原油间接吸附在岩石表面，其厚度影响着岩石的润湿条件，这取决于油-水-固界面处力的平衡。作用在两个带电界面上的分子间作用力包括范德华力、双电层力和结构力，这些力的总和即分离压力，分离压力有可能是吸引力也有可能是排斥力。当水膜稳定时，分离压力为正(排斥力)，反之亦然。

2、范德华力与结构力都可以通过实验获得，其中双电层力则需通过表面电势计算，但现有条件无法通过实验测量表面电势，因此通常采用zeta电势来代替，从而也造成了一定的计算误差。所以，有必要通过数值模型预测表面电势，为低矿化度水驱提高采收率机理研究奠定理论基础。

3、继扩展的stern模型后进一步衍生的多位点电荷分布络合模型(cd-music)可以通过地球化学软件phreeqc实现。本发明通过使用phreeqc地球化学软件中内置的电荷分布、多点络合模型(cd-music)实现油-水-固体系的三层表面络合模型对表面电势进行研究。电荷分布(即cd)的概念用于描述由于垂直于表面形成的静电势梯度而导致的界面区域中的表面复合物的电荷分布。通过假设tlm中每个平面的δzi值，对从一个平面转移到下一个平面的净电荷进行建模。这种离子放置提供了与实验zeta电势的最佳匹配。该模型通过泊松-玻尔兹曼方程以及双电层的层间电容将不同静电平面上的电荷与电势联系起来，从而可以直接得出各静电平面上的对应电势。因此利用该模型可以直接得到界面表面电势值，用于双电层力的计算，减小了利用zeta电势计算而带来的误差。同时该模型在利用结果计算分离压力带来了耗时短，成本低，方便快捷的优势，为低矿化度水驱的现场应用提供有效的理论依据。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种计算油-水-固体系微观界面分离压力的方法。

2、本发明采用如下技术方案：

3、使用phreeqc地球化学软件中的cd-music模拟油-水界面与固-液界面的三层表面络合模型。

4、一种计算油-水-固体系微观界面分离压力的方法，具体步骤如下：

5、步骤1.实验分别测量油-水界面与固-液界面zeta电势；

6、步骤2.预设部分体系参数，建立初始cd-music模型；

7、步骤3.使用初始模型进行油-水-固体系的热力学平衡及动力学计算；

8、步骤4.拟合实验与模型计算的zeta电势，建立可靠的cd-music模型，通过模型输出油-水界面与固-液界面的表面电势；

9、步骤5.利用表面电势通过dlvo理论计算油-水与固-液界面间分离压力。

10、进一步的.步骤1包括：

11、将原油或固体粉末与不同离子强度或不同离子组分的溶液通过搅拌及超声充分混合，直至完全溶解成为均一溶液；使用zeta电位仪测量不同溶液体系的界面zeta电势为后续拟合提供对照数据。

12、进一步的.步骤2包括：

13、s201.通过大量查阅相关文献，整理分析实验研究条件，预设部分体系参数(体系相关热力学数据及表面位点密度等)。

14、s202.结合实验与文献数据对体系中溶液与表面其他相关参数进行设定，用以定义各溶液与表面。

15、s203.运用软件中各数据块对体系参数、表面络合反应进行整合编写，设定体系cd-music参数，建立初始模型。

16、其中，步骤s201具体为：运用phreeqc软件中的surface_master_species数据块定义所需表面的结合位点名称。筛选合理的油-水-固体系热力学数据，运用surface_species数据块设定相关的表面络合反应与对应的相对平衡常数，勾选使用cd-music模型，给各反应式的cd-music参数赋值,即假设每个平面的δzi值，对从一个平面转移到下一个平面的净电荷进行建模。

17、步骤s202具体包括：

18、结合实验条件，运用solution数据块设定体系中水相的物理属性来定义反应溶液。参照文献数据，运用surface数据块设定体系中油相与固相的表面参数来定义反应表面。通过文献整理与分析，设定初始表面位点密度，同时通过bet比表面积测试获取固体粉末的比表面积值，原油的比表面积可以通过平均油滴尺寸计算。勾选使用cd-music模型，对模型相关参数层间电容，德拜扩散双电层厚度赋值。

19、电双层模型中0平面是用于吸附h+、oh-的表平面，强结合离子(如二价阳离子mg2+和ca2+)与羧基、羟基或＞sioh在1平面上的电荷形成内球络合物，而钠离子被认为形成外球络合物，其电荷分布在1平面和2平面之间。

20、利用如下公式计算平面间电容：

21、

22、式中，ε0是绝对介电常数8.85×10-12cv-1m-1，εr是相对介电常数，d是两个平面之间的距离。

23、s203.运用phreeqc软件中phases，use，equilibrium_phases等数据块对体系发生的界面物理化学反应与热力学数据进行整合编写，建立初始cd-music模型。

24、步骤s202中，运用solution数据块设定体系中水相的物理属性中的物理性质包括温度、ph值、密度、离子浓度。

25、步骤s202中，反应表面参数包括表面位点密度、比表面积以及质量等。

26、进一步的，步骤3包括：

27、运行软件，进行油-水-固体系的热力学平衡与动力学计算。在输出文件中检索zeta电势，使用excel软件对结果进行整合。

28、进一步的.步骤4还包括：

29、对比实验测得的zeta电势与模型计算的zeta电势，当二者差距小于第一预设阈值即完成参数拟合，否则返回步骤2修改部分体系参数，直至实验测量的zeta电势与模型计算的zeta电势差距小于第一预设阈值。最后，建立可靠的cd-music模型，输出油-水界面与固-液界面表面电势。

30、进一步的，步骤5包括：

31、作用在两个带电界面上的分子间作用力包括范德华力，双电层力和结构力，以上三个力的总和即分离压力，利用dlvo理论计算总分离压力πt(h)，计算公式如下：

32、πt(h)＝πlv(h)+πdl(h)+πs(h)

33、式中，h是水膜厚度；πlv(h)是范德华力；πdl(h)是双电层力；πs(h)是结构力，下面将简要介绍分离压力的每个组成部分。

34、范德华力产生于构成物质的粒子之间存在的极性差异，其大小表示界面间吸附作用的强弱，表达式为：

35、

36、式中，a是油-盐水-岩石系统的hamaker常数，j；λlw是london波长，m。

37、hamaker常数决定范德华力对分离压力的贡献是排斥力或是吸引力，该常数可以通过实验直接获取或者通过相互作用介质的介电常数、折射率和吸收频率计算得到。hamaker常数的取值范围通常为0.3～0.9×10-20j。

38、双电层力产生于界面离子的离解与吸附，其大小取决于表面电荷的正负，该力根据表面电势计算公式如下：

39、

40、式中，ψri是油-水或固-液之间的还原电势，v，其中

41、ζi是油-水或固-液间的zeta电势，本发明中即用模型计算的表面电势代替zeta电势以减少计算误差；nb是单位体积中的离子密度，个/m3；kb是玻尔兹曼常数，1.381×10-23j/k；t是开氏温度，298k；k是德拜长度的倒数，m-1。

42、结构力是一种非dlvo力，它是水溶液的溶剂化或水合作用引起的一种的单调且指数衰减的排斥力。当水膜厚度小于5nm时，结构力在分离压力中占主导地位。该力计算公式如下：

43、

44、式中，as是结构力系数，pa；hs是指数模型的特征衰减长度，m。

45、本发明的有益效果：

46、本发明所述的一种计算油-水-固体系微观界面分离压力的方法，在模拟油-水-固体系表面络合过程之前，大量阅读文献资料，搜集相关热力学数据，建立体系热力学数据库。通过软件可以轻松的获取油-水界面与固-液界面的表面电势，利用真实有效的数据计算分离压力，耗时短，成本低，只需要在对应数据块输入参数，即可得到计算结果，简单方便。

47、本发明利用了数值模拟方法，克服了以往表面电势无法从实验中获得的局限，减小了利用zeta电势代替表面电势而带来的计算误差，对于油-水-固体系界面物理化学领域的研究具有一定的理论指导意义，对于润湿性改变机理的研究具有辅助作用。