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来源丨Materials Studio公众号
在石油开采中岩石大孔和介孔中的石油比较容易被气体或者溶液驱替；但是小孔与岩石表面还附着部分原油，为了提升原油采收率，需要对岩石空隙和表面的残油进一步驱替；气驱是一种常规的驱油方法，微观层面的研究较少；本文通过分子模拟的方法研究了CO2和N2联合的气体对岩石表面残油驱替过程和溶解机理。从原子、分子层面展现了气体驱油的微观过程，以及原油溶解的机理。文章使用Materials Studio软件中Forcite，Amorphous Cell，COMPASS模块进行以上问题的研究。其中岩石为亲水的石英表面，原油用癸烷表示；气体条件为20 MPa 、 323 K；为了防止气体的进入真空层，在气体最上方放置了石墨烯（隐藏处理）。如图1所示；通过分子动力学模拟过程，可以得到不同CO2含量条件下气体的驱油效果，如图2所示：可以发现CO2含量减小，石英表面原油越难驱替；其中100% CO2体系随着动力学的进行，CO2逐渐渗透到原油体系中，从而使得原油分散与溶解；原油分散后有更多的CO2进入原油内部，从而到达岩石表面，起到剥离岩石表面的原油作用；另外分散的原油脱离原油体系，溶解在CO2体系中；通过分析岩石表面原油和CO2的密度得到图3，（MS2020及以上版本可以直接得到岩石表面原油密度分布）随着时间的进行，岩石表面的原油逐渐减少，CO2逐渐增加，说明CO2最后到达了岩石的表面，并且吸附在岩石表面剥离了表面的原油。图3. 不同时间原油（左）和CO2在岩石表面的分布为了考察驱替的机理，提取了动力学过程中CO2和原油以及CO2和岩石表面的相互作用，如图4所示；从图中可以看出随着动力学的进行，纯CO2体系中CO2与原油相互作用逐渐变强，说明CO2与原油有更多的接触面及原油溶解于CO2中；而含有N2的体系CO2和原油的相互作用变化较弱；并且从CO2和岩石表面的相互作用可以看出动力学过程中CO2与岩石相互作用变强，最后趋于水平，说明最终CO2稳定吸附在岩石的表面。通过动力学过程可以看出，CO2气体驱油的机理一方面为溶解原油的作用，另一方面CO2吸附在岩石表面，剥离附着的原油。为了进一步明确CO2对原油的溶解，进一步研究了不同长度原油分子链组成的油滴在CO2和水中的溶解情况；短链用C7表示，长链用C18表示；
通过提取动力学过程原油和环境之间的相互作用能，如图6所示，可以发现，油滴和水之间的相互作用能基本没有发生变化，说明动力学过程比较稳定，结合动态图可知，油滴没有发生溶解；油滴在CO2中相互作用能逐渐减小，说明油滴和CO7有更多的接触，发生了溶解。C7溶解效果更好。为了进一步从结构角度对比说明溶解的机制，分析了动力学前后状态原油和CO2之间的RDF；如图7所示；可以发现C7和C18动力学末态，RDF峰变高，说明更多的CO2出现在原油周围，及发生溶解；C7和C18体系动力学初态RDF曲线峰基本一致，说明两者之间的状态一致，都没有发生溶解；而溶解后C7体系RDF峰高于C18，说明C7周围CO2聚集的更多，也就是溶解的更加充分。为了研究溶解后原油分子链长度对形态的影响，分析了分子的弯曲度，如图8所示；(l-l0)/l0；l分子链长度、l0分子链初始状态长度；由此可以发现数值越负，分子链约弯曲；若分子链没有发生弯曲，该数值为0；可以发现C18峰值对应横坐标更负；C7更靠近0位置，说明C7分子链更加舒展，主要因为油滴溶解，C7分子链之间的影响更弱；出现两个峰说明C7在体系中有两种形态。即一种完溶解后完全舒展状态；一种是未溶解时分子链缠结的弯曲状态。通过分子动力学方法研究了气体驱替岩石表面残油问题，得到了驱替的过程与机理，CO2能吸附在岩石表面起到剥离残油的作用。
同时，CO2具有溶解原油的作用，通过分子动力学的研究明确了溶解的过程与机理，该成果对驱油微观层面机理的研究有指导意义。
Journal of Petroleum Science and Engineering 218 (2022) 110989
doi: 10.3969/j.issn.1673-5005.2015.02.020