岩石壁面亲油性形成及润湿性反转的分子机制

Wettability of rock surfaces dominates the distribution and flow of fluids in porous reservoirs. The adsorption of polar molecules etc. results in an oil-wet surface, which inhibits the displacement of crude oils. Wettability alteration is one of the main mechanisms for the enhanced oil recovery methods adopting nanoparticles and surfactants etc. Understanding of the inter-phase interaction and transport in the rock-oil-brine complex multiphase system at the molecular levels are the key and difficulty to reveal the mechanisms of oil-wet formation and wettability alteration. In this project, the structure and potential parameters of complicated molecules are obtained via first principal calculation to accurately consider the atomic interactions, e.g. Van der Waals’ forces, electrostatic forces and H-bond forces. We study the interaction mechanisms and interface transport between the solid walls with complicated physical & chemical characteristics and the fluids with complicated molecular structure from molecular dynamics insights. Coupling the experimental measurements using spectral analysis, atomic force microscopy etc., at the nanoscale levels we study the adsorption of complicated molecules on rock surfaces and underlying mechanisms; reveal the effects of the molecular adsorption on the wettability; investigate the transport of additives near the contact line and the microscopic motion of the contact line during wettability alteration. The results are the important developments for the multiphase thermophysics and provide basic theories for the wettability of complex systems and the oil displacement. This project facilitates the development of novel and high efficiency enhanced oil recovery methods.

岩石壁面润湿性支配着流体在多孔储层内的分布与流动，极性分子等吸附后形成亲油性壁面不利于原油驱排，发生润湿性反转是纳米颗粒驱、表面活性剂驱等多种提高原油采收率技术的重要机理。在分子层面上查清岩石-油-水复杂多相体系相间作用和相间输运是揭示壁面亲油性形成和润湿性反转微观机制的关键和难点。本项目从第一性原理出发得到复杂分子的结构和势能参数，实现对复杂分子间范德华力、静电力、氢键力等微观作用力的准确描述，从分子动力学角度研究并揭示物理化学性质复杂的壁面与分子结构复杂的流体间相互作用和界面传质机制；结合光谱分析、原子力显微镜等实验测试技术，在纳米尺度水平研究岩石壁面复杂分子的吸附特性与机制、吸附改性对润湿性的影响机理和润湿性反转中添加物在接触线附近的传质与接触线的微观运动。研究成果是多相流热物理学的重要拓展，将丰富复杂系统的润湿性、原油驱排等的理论认识，有利于促进新型高效提高原油采收率技术的发展。

岩石表面润湿性支配着流体在多孔储层内的分布与流动，极性分子等吸附后形成亲油性表面不利于原油驱排，发生润湿性反转是低矿化度水驱、表面活性剂驱等多种提高原油采收率技术的重要机理。在分子层面上查清岩石-油-水复杂多相体系相间作用和相间输运是揭示表面亲油性形成和润湿性反转微观机制的关键和难点。本项目基于精确的原子势能模型实现对复杂分子间微观作用力的准确描述，从分子动力学角度研究并揭示岩石表面的三相润湿性和界面传质特性；结合实验测试技术，研究岩石表面复杂分子的吸附特性、吸附改性对润湿性的影响以及接触线的微观运动。实验研究了极性分子在岩石表面的吸附特性，分析了在偶联剂和离子的桥接作用下极性分子（硬脂酸等）在二氧化硅表面的吸附行为，并通过显微镜、红外光谱等表征了吸附改性后的表面物理化学特征。实验测量了硬脂酸吸附改性表面的油水润湿性，发现硬脂酸使亲水性的二氧化硅表面呈现出明显的亲油状态，油包水接触角大大增加；分子模拟发现表面羟基化对三相润湿性的影响很大，表面更加亲水；水相中加入离子会大大改变吸附极性分子亲油性表面的润湿性，油包水接触角大大减小，表面趋于亲水性。分子模拟揭示了油-水-固体系下液液固三相接触线的微观运动机制，不同润湿性下接触线的运动呈现出三种截然不同的行为，研究了表面活性剂对三相接触线运动的影响；研究了离子在油水界面上的传质过程，发现离子在界面上的吸附扩散对其传质过程非常关键。另外，研究了气体分子在石墨表面的吸附扩散特性，为揭示气驱体系下的润湿性反转机理提供了基础。总之，本项目揭示了岩石表面极性分子吸附后亲油性形成及水相添加物引诱润湿性反转的微观机制，获得了复杂多相体系下三相润湿性的理论认识，为发展新型高效的提高原油采收率技术提供理论指导。研究结果发表SCI论文10篇（2篇ESI高引论文），EI论文3篇，撰写英文书籍章节1篇，参加国际学术会议5次（其中邀请报告1次）、国内学术会议4次。