SDS驱动的二氧化硅纳米粒子稳定化分子动力学模拟：用于改变碳酸盐储层的润湿性

《Results in Engineering》：Molecular Dynamics Simulation of SDS-Driven Silica Nanoparticle Stabilization for Wettability Alteration in Carbonate Reservoirs

本研究通过分子动力学模拟，揭示了二氧化硅纳米颗粒（SNP）与表面活性剂（SDS）协同作用改变碳酸盐岩石润湿性的机理。实验表明，SDS吸附于SNP表面，显著提升其zeta电位（-2mV），增强纳米流体稳定性。模拟显示，SNP与SDS的协同效应通过三点机制实现：1）SDS在油水界面定向吸附；2）SNP吸附于岩石表面形成双电层；3）离子桥接作用降低界面张力。当浓度低于临界胶束浓度时，SNP+SDS体系使接触角从106°降至62.5°，油相吸附量减少60%。研究验证了协同效应在提高采收率中的关键作用，并指出需进一步研究结构分离压力效应。

　　在当今能源领域，提高原油采收率（EOR）是提升油田经济价值和资源利用率的关键技术之一。特别是在碳酸盐岩储层中，由于其普遍呈现的油湿特性，传统的驱油方法往往难以达到理想效果。为此，研究人员不断探索新的化学剂和纳米材料，以期通过改变岩石的润湿性，提高油水界面的相互作用力，从而促进残余油的流动。本研究通过分子动力学（MD）模拟，深入探讨了十二烷基硫酸钠（SDS）与二氧化硅纳米颗粒（SNP）协同作用对碳酸盐岩（特别是方解石）润湿性改变的分子机制，为实际应用提供了重要的理论依据。

方解石作为碳酸盐岩的主要矿物成分，其表面特性在储层条件下具有显著影响。研究发现，方解石的{101?4}晶面在水环境中具有良好的稳定性，并呈现出交替排列的正负电荷结构，从而保持了表面的电中性。然而，当储层中存在盐度变化或pH波动时，方解石的表面电荷状态会发生改变，进而影响其与油相的相互作用。通过模拟方解石表面在不同条件下的行为，研究揭示了表面电荷变化对润湿性的影响，并探讨了如何通过添加SDS和SNP来优化这种相互作用。

二氧化硅纳米颗粒因其高表面电荷和对油水界面的调节能力，被认为是增强采收率的有效工具。然而，由于其在高盐度环境下的稳定性问题，实际应用受到了一定限制。为此，研究团队尝试通过添加SDS来改善纳米颗粒的分散性，提高其在储层中的有效性。通过实验测量和模拟分析，研究确认了SDS能够吸附在具有相似电荷的纳米颗粒表面，从而提高其zeta电位，增强纳米流体的稳定性。此外，SDS的吸附不仅促进了纳米颗粒的分散，还通过形成与油相极性基团（如辛酸盐）的复合物，进一步改变了油水界面的性质，从而实现更有效的润湿性调整。

在实际操作中，纳米颗粒和SDS的协同作用表现出显著优势。通过模拟不同浓度和盐度条件下的SDS与SNP的相互作用，研究发现，SDS的添加不仅增强了纳米颗粒的稳定性，还加速了润湿性改变的进程。例如，在50纳秒的模拟时间内，SDS+SNP组合将接触角从106°±0.8显著降低至62.5°±0.5，表明其对油水界面的调控能力远高于单独使用SDS或SNP。此外，这种组合还减少了油相极性组分（如辛酸盐）在方解石表面的吸附数量，进一步证明了其在改善润湿性方面的有效性。

在分析SDS在二氧化硅表面的吸附行为时，研究发现其吸附主要受到电荷相互作用的影响。SDS分子的阴离子头部与二氧化硅表面的负电荷区域发生相互吸引，而其非离子尾部则通过与水分子的相互作用被固定在表面上。这种吸附机制在模拟中得到了验证，SDS分子的头部与二氧化硅表面的氢原子或钠离子发生相互作用，导致其尾部朝向油相，从而形成稳定的吸附构型。同时，研究还发现，在高盐度条件下，钠离子能够起到桥梁作用，促进SDS分子与二氧化硅表面之间的吸附，这表明非DLVO（Derjaguin–Landau–Verwey–Overbeek）作用力在润湿性改变中也发挥了重要作用。

此外，研究还探讨了不同浓度的SDS对润湿性改变的影响。在低于临界胶束浓度（CMC）的条件下，SDS分子主要以单体形式存在，并通过与方解石表面的相互作用改变其润湿性。而在高于CMC的条件下，SDS分子则倾向于形成胶束，这可能会影响其在油水界面的分布和吸附行为。研究指出，SDS的吸附行为在低于CMC时表现出更高的扩散性，这有助于其在更广泛的区域内发挥作用，而高于CMC时则可能由于胶束形成而限制其吸附效率。

在分析纳米颗粒的扩散行为时，研究发现，SDS的添加显著提高了纳米颗粒的迁移能力。这可能是由于SDS分子在纳米颗粒表面的吸附作用，使其表面电荷状态发生变化，从而降低了电荷排斥效应，提高了纳米颗粒在油水界面的分散性和活动性。相比之下，单独的纳米颗粒由于表面电荷较高，容易发生聚集，导致其在油水界面的分布不均，影响润湿性改变的效果。因此，SDS与纳米颗粒的协同作用不仅增强了纳米颗粒的稳定性，还提高了其在油水界面的活动性，从而更有效地改变润湿性。

研究还关注了SDS与油相极性组分之间的相互作用。通过模拟发现，SDS能够与油相中的辛酸盐等极性分子形成复合物，从而改变油水界面的结构。这种相互作用不仅有助于油相的分散，还能够减少其在方解石表面的吸附，进一步促进润湿性从油湿向水湿转变。此外，SDS分子的吸附行为在油水界面形成了一个稳定的膜层，这有助于增强油水界面的亲水性，提高水相的润湿能力。

在实际应用中，SDS与纳米颗粒的协同作用具有重要的工程价值。通过模拟不同浓度和盐度条件下的润湿性改变效果，研究发现，SDS的添加能够显著提高纳米颗粒的稳定性，从而延长其在储层中的作用时间。此外，SDS的吸附行为还能够促进纳米颗粒在油水界面的分布，使其能够更有效地与油相发生相互作用，提高润湿性改变的效率。这些发现为实际应用中优化纳米流体的配方提供了理论依据。

研究还探讨了不同水模型对润湿性改变的影响。通过比较TIP3P、TIP4P和SPC/E等水模型在预测油水界面张力（IFT）方面的表现，研究发现SPC/E模型在模拟油水界面张力时具有更高的准确性。这表明，在实际应用中，选择合适的水模型对于准确模拟润湿性改变具有重要意义。此外，研究还发现，不同油模型（如辛烷和癸烷）在模拟中的表现存在差异，这可能与它们的分子结构和极性有关。

在研究过程中，研究人员还关注了盐度对SDS吸附行为的影响。通过模拟不同浓度的NaCl溶液，研究发现，高盐度环境能够促进SDS分子的吸附，这可能是由于钠离子在二氧化硅表面的桥梁作用，减少了SDS分子之间的电荷排斥，从而提高了其在表面的吸附能力。然而，这种效应在低盐度条件下并不明显，表明盐度在SDS吸附过程中起到了关键作用。

总体来看，SDS与纳米颗粒的协同作用在改善碳酸盐岩储层润湿性方面展现出显著优势。通过分子动力学模拟，研究人员不仅揭示了SDS吸附机制的分子层面细节，还分析了其对润湿性改变的贡献。这种协同作用能够有效提高纳米颗粒的稳定性，促进其在油水界面的分布，并通过改变油相极性组分的吸附行为，进一步改善润湿性。这些发现为未来在实际油田中应用纳米流体提供了重要的理论支持和实践指导。