关于调控二氧化碳-水界面稳定性的表面活性剂的分子动力学研究

《Results in Engineering》：Molecular Dynamics Study on Surfactants Regulating CO?-Water Interface Stability

CO?泡沫驱油技术中，SDS和DTAOH表面活性剂在高盐（Na?/Mg2?/Ca2?浓度100equiv）、高温（323.15K）及高压（20MPa）条件下的界面张力、分子构象及抗离子干扰能力被系统模拟。结果显示DTAOH因双极性分子结构（氨基正电性+磺酸负电性）形成更厚（2.06nm vs 1.88nm）且稳定（负界面张力-4.43mN/m）的界面膜，其电荷补偿机制有效抑制Ca2?/Mg2?吸附（ΔE?<3.57kJ/mol），而SDS因单极性负电头基易与多价阳离子强吸附（ΔE?>17kJ/mol）导致沉淀。该研究为高盐油藏CO?泡沫驱提供了分子设计新思路。

　　在石油开发领域，二氧化碳泡沫驱油技术正逐渐成为一种核心的提高采收率（EOR）手段。该技术通过其高表观粘度有效抑制气相通道效应，从而控制流体流动性，提升油藏中的原油采收率。同时，二氧化碳泡沫技术还具有地质碳封存的能力，有助于减少大气中的碳排放，为能源开发与碳减排提供了一种综合性的解决方案。然而，该技术在高盐度油藏中的泡沫稳定性仍然是一个亟待解决的关键问题。

本研究聚焦于两种典型表面活性剂——十二烷基硫酸钠（SDS）和十二烷基三甲基氢氧化铵（DTAOH）在高盐度条件下的性能差异。通过分子动力学模拟，系统分析了这两种表面活性剂在二氧化碳-水界面的吸附行为、界面张力（IFT）变化、分子排列特性以及其对盐离子的响应机制。研究发现，在323.15 K、20 MPa和接近饱和浓度的条件下，DTAOH将二氧化碳-水界面张力降低至8.25 mN/m，而SDS仅能将其降至5.28 mN/m。这一结果表明，DTAOH在降低界面张力方面表现出更优的性能。

从分子结构的角度来看，DTAOH的单阴离子头基相较于SDS的单阴离子头基，表现出更强的盐耐受性。SDS由于其单阴离子头基容易与体系中的阳离子发生强烈的静电吸附作用，从而诱导分子聚集和沉淀，最终导致其界面活性的丧失。相反，DTAOH通过其分子内部的电荷补偿效应，有效缓解了离子对其界面吸附行为的干扰，从而维持了其界面活性，并确保了二氧化碳泡沫在复杂油藏条件下的稳定性。

DTAOH的“L”型分子结构是其优越的盐耐受性的重要基础。该结构使得DTAOH分子在高浓度下仍能保持良好的分布和吸附性能，同时避免了由于分子过度聚集而造成的界面不稳定。与SDS相比，DTAOH在高浓度时表现出更均匀的分子分布和更稳定的界面结构。SDS在高浓度时容易发生分子聚集，导致界面形成空隙，从而降低了泡沫的稳定性。而DTAOH由于其分子结构的复杂性和电荷分布的中性化，能够有效抑制离子的强吸附作用，减少界面能量损失，提升泡沫的持久性。

在分子排列方面，DTAOH的双亲性结构使其在界面处表现出独特的排列方式。SDS的分子在高浓度下表现出明显的垂直排列，而DTAOH的分子则由于其“L”型结构和双亲性头基，能够形成更复杂的分子排列模式。这种排列方式不仅有助于提升界面张力的降低效率，还增强了界面的抗干扰能力，从而在高盐度条件下保持泡沫的稳定。通过分析分子的取向角度和结构参数，可以发现DTAOH在界面处的分子排列更加均匀，其取向参数变化趋势也更为复杂，这表明其在界面处具有更强的自组织能力。

此外，DTAOH的界面厚度和孔隙率也优于SDS。DTAOH的界面厚度为2.06 nm，而SDS仅为1.88 nm。这一差异可能与DTAOH分子在界面处的吸附方式和分子排列有关。DTAOH由于其较长的亲水头基，能够形成更厚的界面膜，从而有效减少二氧化碳与水分子的接触机会，延迟泡沫的衰减过程。同时，DTAOH的分子排列方式使其在界面处形成更致密的结构，减少界面的孔隙率，从而提升泡沫的稳定性。

在离子与表面活性剂之间的相互作用方面，研究发现DTAOH的离子结合能力显著弱于SDS。SDS由于其强负电荷的头基，容易与阳离子（如Na?、Mg2?、Ca2?）形成稳定的静电结合，从而导致分子聚集和界面活性的降低。相比之下，DTAOH的中性电荷分布和较大的分子体积，使其能够通过空间位阻效应减少离子的结合能力。此外，DTAOH的界面膜结构能够有效屏蔽离子与头基之间的相互作用，从而降低界面膜的电荷密度，增强其对盐度变化的适应能力。

通过分析不同浓度下的界面张力变化，研究发现DTAOH在较低浓度下仍能保持较高的界面张力，但在达到一定浓度（如3.39 μmol/m2）后，其界面张力会迅速下降，甚至出现负值，表明其在界面处的吸附行为已经接近饱和状态。而SDS在相同浓度下仅表现出有限的界面张力降低。这一现象可能与DTAOH的分子结构有关，其双亲性头基和较长的疏水尾链能够更有效地降低界面张力，同时维持界面膜的稳定性。

从能量分布的角度来看，DTAOH与离子之间的相互作用表现出不同的特征。在与Na?、Mg2?、Ca2?的相互作用中，DTAOH的结合能和解离能均低于SDS，表明其与离子之间的结合较为松散，容易解离。这种弱结合特性使得DTAOH能够在高盐度环境中保持较高的界面活性，避免因离子的结合而引起分子聚集或沉淀。同时，DTAOH的界面膜结构能够有效减少离子对界面膜的干扰，从而提升泡沫的稳定性。

研究还揭示了DTAOH在高盐度环境下的动态行为。当离子浓度增加时，DTAOH的界面膜结构能够通过其分子间的相互作用维持其稳定性，而SDS则容易因离子的结合而发生结构破坏，导致泡沫的不稳定。此外，DTAOH的分子排列方式能够有效减少水分子与二氧化碳分子之间的接触，从而降低界面膜的渗透性和溶解性，提升泡沫的抗干扰能力。

综上所述，DTAOH在高盐度环境下的泡沫稳定性优于SDS，主要得益于其独特的分子结构、电荷补偿机制以及更优的界面膜形成能力。这些特性使得DTAOH能够有效应对高盐度油藏中的复杂环境，维持较高的界面活性，从而提升二氧化碳泡沫的稳定性。相比之下，SDS由于其单阴离子头基容易与阳离子发生强烈的静电吸附作用，导致分子聚集和界面膜结构的破坏，从而降低泡沫的稳定性。因此，在高盐度油藏中，DTAOH作为表面活性剂具有更高的应用潜力。

本研究的发现不仅为二氧化碳泡沫驱油技术在高盐度油藏中的应用提供了理论支持，也为未来设计新型盐耐受性表面活性剂提供了重要的指导。通过分子动力学模拟，研究人员能够深入理解表面活性剂在界面处的行为机制，从而优化其分子结构和配方设计。这种基于分子层面的分析方法，为提高二氧化碳泡沫驱油技术的效率和稳定性提供了新的思路。未来的研究可以进一步探索不同类型的表面活性剂在高盐度条件下的性能差异，以及其与油藏流体的相互作用机制，以期开发出更加高效的驱油剂，推动二氧化碳驱油技术在更广泛的油藏条件下的应用。