摘要随着油田的不断开发，石蜡结晶和油水乳化作用为含蜡原油的开采、运输和储存带来巨大挑战。本文采用耗散粒子动力学方法研究了石蜡相变结晶对油水界面稳定性的影响。首先，计算了石蜡分子的序参量，揭示了水分子和油分子均会促进石蜡分子形成有序的固态晶体结构。其次，发现随着蜡含量的增加，油-水界面的表面张力逐步提高，石蜡分子会提高油-水界面的稳定性。最后，得到油-水界、蜡-水界面，蜡-油界面表面张力随温度的变化关系(298~348K)。结果表明，当温度低于308K，油-水界面和蜡水界面都能维持其界面的稳定性。对于蜡-油界面，当温度高于308K时，达到石蜡的析蜡温度，石蜡晶体逐步熔化，蜡-油之间的界面张力急剧减小，蜡油界面逐渐消失。

引言

随着油田的深入开发，目前采出原油大多为“三高”即高凝点、高粘度、高含蜡的原油。同时，随着陆上长距离及海上输油管线的进一步发展，保障含蜡原油开采、运输、储存过程中的安全生产运行至关重要。含蜡原油的流变特性主要取决于石蜡分子在油溶剂的溶解特性，当原油温度处于蜡组分的析蜡温度(WAT)以下时，石蜡晶体会逐步从油相中的析出，且析出的石蜡晶体之间相互共晶，形成难溶的“三维”网状结构，影响原油的正常流动，造成管线堵塞及腐蚀的危害。

目前，石油开采的方式由一次采油，二次采油逐步向三次采油甚至四次采油发展，乳化含蜡油多相混合成为主要的原油运输模式。其中油和水间乳化作用所形成稳定的乳状液也进一步提高了含蜡原油的胶凝结构,使得原油流变特性变得更加复杂。同时,由于原油组分的复杂性(包含沥青质、胶质、石蜡等),天然乳化剂聚集吸附在油水界面进一步影响油水乳状液的稳定性。因此,油水界面稳定性的研究对油水分离处理、地层注水进而提高原油采收率方面具有重要意义。

目前,围绕该课题已有大量的理论和实验研究报道。基于悬滴法,利用核磁共振及动态散射光原理研究了沥青质对油水界面的影响机制。采用界面张力仪、表面粘弹仪和Zeta电位仪对含有树脂、石蜡和沥青质的原油-水的界面性质进行了分析,并得出三者对于油水界面的稳定性影响由大到小依次为:沥青质>树脂>石蜡。除了上述实验方法,分子动力学(MD)以及耗散粒子动力学(DPD)的方法也被广发的运用于研究气-液界面、液-液界面性质。采用MD方法研究了水-空气及冰-空气界面的分子结构及表面张力。结合MD模拟和实验相结合的方法,研究了盐离子浓度对于油-水界面表面张力的影响。也将MD方法运用于正构烷烃和水及空气界面行为的研究。采用多体耗散粒子动力学的方法(MDPD)研究了电解质对油-水界面张力的影响。采用DPD探究了沥青质结构、破乳剂环烷酸钠结构、覆盖度等对界面张力的影响。此外,DPD也被广泛应用于研究表面活性剂在油-水界面自组装,纳米颗粒对油-水界面稳定性等问题。大量文献表明DPD方法可以准确模拟复杂流体,如胶体、稠油等。相较于MD方法,DPD具有更大的时间和空间尺度,为微纳尺度研究提供了另一种方式。

综上所述,针对油-水界面的研究大多聚焦在天然表面活性剂(如液沥青质、胶质)、工业破乳剂等。但随着全球开采含蜡原油比例不断增高,石蜡分子对于油-水界面稳定性的影响也愈发突出,目前对该问题的研究相对缺乏。本文采用DPD的方法,研究了不同蜡含量下,蜡质原油的油-水界面表面张力特性。研究结果可对地层油水分离提高原油采收率及管道多相流混输技术发展提供一定理论指导。

1模型及模拟细节

1.1 DPD参数的建立与验证

DPD需要将全原子的分子简化为自由度更高的粗粒化珠子(bead),而不同划分方式对模拟精度影响巨大。但目前关于DPD珠子排列方式对计算结果的影响讨论较少。本部分首先从DPD粗粒化处理方式及珠子的排列方式两个角度,介绍如何得到优化的DPD拓扑分子结构。

分子粗粒化成珠子的过程中,为了定量分子简化的程度引入粗粒度(Nm),Nm表示一个DPD珠子中所代表的水分子个数。不同的粗粒度会直接影响粗粒化珠子的平均体积vb和截断半径rc的大小,rc=∛(3vb)。如表1所示,为不同粗粒化度对应的vb和rc。

表1水珠子平均体积和截断半径

DPD方法的基本原理是利用珠子来代替分子的某一个或几个基团,只考虑珠子与珠子间的相互作用。DPD模拟遵循牛顿力学平衡方程:

dri/dt=vi, mi dvi/dt=fi

其中,ri、mi、vi分别表示第i个珠子的位置向量、质量、速度向量,fi表示第i个珠子受到的总力。

DPD珠子间的相互作用力为软相互作用力,其主要由耗散力FD,随机力FR,保守力FC三种力组成,图1为三种相互作用力示意图。

粗粒化珠子间的相互作用力fi表达式为:

fi=∑j≠i(FijD+FijR+FijC)

三种相互作用的具体表达式如下:

FijD=-γωD(rij)(r̂ij·vij)r̂ij

FijR=δωR(rij)θij(Δt)-1/2 r̂ij

FijC=aijω(rij)r̂ij

其中,rij=ri-rj,r̂ij=rij/rij,vij=vi-vj,aij表示珠子间的相互排斥力,Δt表示时间步长,δ=√(2kBTγ)代表随机振幅系数,kB表示玻尔兹曼常数,γ代表摩擦系数,θij表示耗散系数,ωD和ωR分别表示耗散过程和随机过程的无量纲权函数。

DPD中界面张力的计算方法主要是将模拟盒沿着平行与某一界面的方向分成若干个平板层,最后通过统计压力张量的总体平均值,定义如下:

γDPD=∫[⟨p̄xx⟩-1/2(⟨p̄xx⟩+⟨p̄zz⟩)]dx̄

式中:p̄xx、p̄yy、p̄zz分别表示沿着x、y、z方向的压力张量的平均值,x̄=x/rc,其中x表示有单位的物理距离。

此外,DPD中所采用的单位均为无量纲单位,需要通过转换因子将其转变为实际的物理单位,如式(7)

γ=kBT/rc2 · γDPD

查阅文献发现,烷烃与水的界面张力数据存在缺失,因此为了准确验证DPD力场参数,采用了MD方法和现有文献数据进行对比。