纳米颗粒增强驱油的微尺度力学机理研究

Suspensions of specified nanometer-sized particles are recently used in water flooding for enhanced oil recovery. The micromechanics study of enhanced oil recovery with nanoparticles in water flooding can be of great scientific significance to molecular-scale design of nanofluids and practical applications in oil fields. One well recognized mechanism is that nanoparticles have very high specific surface area and specific surface energy, which can remarkably reduce the interface tension between oil and water. Another possible mechanism is that nanoparticles can enter the wedge-film formed by the oil droplet and the rock surface. The nanoparticles confined in this wedge-film may spontaneously arrange in an ordered structure. To investigate the complex interactions between oil drop, nanoparticles, rock surface and flooding fluid, the well-known traditional continuum-mechanics concepts of wetting, spreading and adhesion of pure liquids on solid surfaces is inadequate. In this project, we will build a coarse-grained molecular dynamics model for the flooding process, including oil droplet, flooding fluid, nanoparticles and rock surface. Molecular dynamics simulation is employed to simulate the complex interactions between above different phases. The moving of contact lines between oil droplets, flooding fluid and rock surface due to the structuring of nanoparticles is to be investigated. The influences of the parameters of nanoparticles on the wetting and spreading of flooding fluid is to be explored. These parameters include physical properties, size, shape and mass ratio. The condition of the detachment of oil droplet from rock surface is to be identified. This understanding of the flooding process from micro scale will guide the molecular-scale design of nanofluids, optimize the flooding process, and achieve the goal of enhanced oil recovery.

特定的纳米颗粒均匀分散在纳米驱替液中可增强驱油效果，其微尺度作用机理研究对纳米驱替液分子尺度设计和油田应用具有重要的科学意义。一个公认的机理是纳米颗粒具有很大的比表面积和表面能，能大大降低油水界面张力。另一个可能的重要机理是纳米颗粒进入油滴和岩石界面区域引起的复杂微尺度力学相互作用。针对后者，连读力学的流体浸润和铺展理论不再适用。本项目拟建立含纳米颗粒驱油剂驱油的粗化分子动力学模型，并用分子动力学模拟方法研究岩石、油滴、驱替液、纳米颗粒多相之间的相互作用，特别是纳米颗粒对多相界面移动的影响。研究得到纳米颗粒参数（物性、尺寸、形状、浓度）对多相界面形态的影响规律，理解含纳米颗粒驱油剂驱油的微关机理，判别油滴从岩石界面剥离的条件，从而为纳米驱替液的分子尺度设计提供理论指导，达到优化驱油效率并提高采收率的目标。

纳米流体内含有的纳米颗粒，一方面可改变油水界面张力，另一方面会改变油滴和岩石界面区域的复杂微尺度力学相互作用，从而增强驱油效果，其微尺度作用机理研究对纳米驱替液分子尺度设计和油田应用具有重要的科学意义。本项目通过建立含纳米颗粒驱油剂驱油的粗化分子动力学模型，并用分子动力学模拟方法研究岩石、油滴、驱替液、纳米颗粒多相之间的相互作用，特别是纳米颗粒对多相界面移动的影响，研究得到了纳米颗粒参数对多相界面形态的影响规律，理解了含纳米颗粒驱油剂驱油的微观机理，提出了判别油滴从岩石界面剥离的条件。本项目取得的重要研究成果有，建立了一整套研究纳米驱油分子机制的新的研究方法，专门开发了针对纳米流体及石油、岩石壁面等复杂体系的分子动力学模拟的前处理建模程序，可以直接生成符合大规模分子动力学并行模拟程序LAMMPS接口规范的构型文件。研究了纳米流体增强驱油效率的分子机制，认清了纳米颗粒表面吸附对驱油过程的影响，研究表明：疏水纳米颗粒更促进油滴从固体壁面的脱附，带电纳米颗粒会使浸没在纳米流体溶液中吸附于固体壁面的油滴发生自脱附现象。带电纳米颗粒改变油滴润湿状态，即使没有出现自发脱附壁面，在驱替液冲刷等外力作用下，也会使得纳米油滴更容易脱附固体壁面。分析了纳米流体动态润湿行为的主动调控机制，解释了纳米颗粒在三相接触线附近的钉扎机制，本项目的研究工作表明，通过改变纳米颗粒的性质，可以实现对纳米流体动态润湿行为的主动调控，这将对后续的纳米颗粒增强驱油机制的分析有着重要的铺垫作用。这些原创性的研究成果将为纳米驱替液的分子尺度设计提供理论指导，从而达到优化驱油效率并提高采收率的目标。本项目完成计划任务书的既定目标，项目执行期间组织管理得当，进展顺利。项目负责人获2015年度国家杰出青年科学基金资助。