改性聚丙烯酰胺降低油水界面张力行为的分子动力学模拟

燕友果 郝羽键 伊卓 李雅婧 张军 李振

摘要：采用分子动力学模拟方法，从原子分子层次考察部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）以及改性HPAM的界面活性。结果表明：HPAM降低油水界面张力能力极其有限，而引入疏水基团后的HPAM具有较好的降低界面张力效果；改性HPAM的疏水基团增强与油相的作用，并在界面处形成致密的聚合物膜，增加油水界面层厚度，隔离油水相接触，从而降低油水接触形成的界面张力；盐离子的存在增加油水界面张力，改性HPAM引入的磺酸基团具有较好的抗盐能力，可以降低界面处盐离子的聚集，从而减弱盐离子对界面张力的影响。

关键词：改性聚丙烯酰胺； 界面张力； 分子动力学模拟

中图分类号：TE 39   文献标志码：A

文章编号：1673-5005（2024）03-0215-06   doi：10.3969/j.issn.1673-5005.2024.03.024

Molecular dynamics simulation study on behavior of modified polyacrylamide reducing oil-water interfacial tension

YAN Youguo1， HAO Yujian1， YI Zhuo2， LI Yajing2， ZHANG Jun1， LI Zhen1

（1.School of Materials Science and Engineering in China University of Petroleum （East China）， Qingdao 266580， China;2. Beijing Research Institute of Chemical Industry， SINOPEC，  Beijing 100013， China）

Abstract： Molecular dynamics simulation method was used to investigate the interfacial activity of partially hydrolyzed polyacrylamide （HPAM） and modified HPAM at the atomic and molecular level. The results show that the ability of HPAM to reduce the oil-water interfacial tension is extremely limited， while the HPAM with hydrophobic groups has a better effect on reducing the interfacial tension. The hydrophobic groups in the modified HPAM enhance the interaction with the oil phase， and form a dense polymer film at the interface， which can increase the thickness of the oil-water interface layer， isolate the oil-water phase contact， thereby reducing the interfacial tension formed by the oil-water contact. The presence of salt ions increases the oil-water interfacial tension. The sulfonic acid group introduced by modified HPAM has better salt resistance， which can reduce the aggregation of salt ions at the interface， thereby weakening the effect of salt ions on the interfacial tension.

Keywords： modified polyacrylamide; interfacial tension; molecular dynamics simulation

早期的聚合物驱［1］主要采用部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），具有界面活性低、耐温/耐盐性差等缺点。通过对HPAM进行改性，不仅能改善驱替液的流变性能，还能提高HPAM的界面活性，促进HPAM在油水界面的吸附，以降低油水界面张力，起到乳化原油的作用。目前主要通过试验手段考察原油乳化行为，使用傅里叶红外光谱、核磁共振等仪器可表征聚合物或表面活性剂的构象；利用电镜可观察乳状液的形貌和尺寸；通过界面张力测量可评价聚合物、表面活性剂等的界面活性［2-5］。分子动力学（MD）模拟是基于统计物理原理，将原子、分子的运动与体系宏观性质建立关系的一种计算模拟方法。Du等［6］对3种聚合物驱油剂进行MD模拟，比较不同溶液的黏度，揭示盐离子诱导聚合物聚集的机制。Abdel-Azeim等［7-8］利用MD模拟研究HPAM聚合物和磺化HPAM的缔合行为，发现磺化基团与阳离子的相互作用较弱，盐离子的存在会促进聚合物的缔合。Kshitij等［9］使用MD模拟计算熔融聚甲基丙烯酸甲酯的表面张力，其随温度变化的结果与试验测试结果相符。界面处的张力主要来源于界面处原子受到垂直于界面的应力不均衡，从而引起界面处产生平行于界面的张力。笔者对亲水性的HPAM进行改性，通过接枝疏水基团增强聚合物与油相的相互作用，减弱油水界面处分子受力的不均衡，通过降低油水界面张力从而获得高的界面活性。进一步通过接枝具有耐盐性的磺酸基团［10-11］，以提升聚合物在高矿化度储层中的性能。

1 模型及模拟方法

1.1 模型构建

为研究聚合物对油水界面张力的影响，模拟体系由油相、水相、聚合物分子3部分组成，模型见图1（a）。其中油相由正十二烷分子来模拟，聚合物选择HPAM以及改性后的聚丙烯酰胺进行对比研究。

模拟中采用聚合物的聚合度为100，在每个界面处放置10条聚合物链。丙烯酰胺单体经水解变为丙烯酸，模型中设置HPAM水解度为20%，水解单体在HPAM中均匀分布。HPAM改性中使用的2种单体见图1（b）。聚合物的改性是在原有分子基础上，两侧各替换5个疏水单体，并将分子上10%（质量分数）的丙烯酰胺单体替换为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）单体，AMPS单体在聚合物链中均匀分布。

实际应用中，聚合物驱油剂相对分子质量非常大。由于模拟尺度的限制，MD模型中聚合物链相对分子质量较小。由于聚合物是由大量重复单元构成的，较小的模型可以体现不同单体的结构及分布特征，因此本研究所采用的模型可以反映宏观聚合物驱过程中的物理本质。

1.2 分子力场与模拟软件

聚合物分子的电荷采用约束静电势（RESP）电荷［12］用于评价聚合物分子所受的静电相互作用。聚合物单体结构优化采用Gaussian09程序［13］，基组选用B3LYP/6-31G**，RESP电荷由Multiwfn软件拟合得到［14］。选用CHARMM36力场［15］描述体系中非键相互作用以及成键相互作用。所有MD模拟通过GROMACS 2019.6程序包［16］实现，构型的可视化通过VMD软件［17］实现。

1.3 模拟参数设置

模拟体系尺寸为80 × 80 × 250 ，在xyz三个方向均采用周期性边界条件。每个模型首先采用最速下降法优化初始构型，对体系能量最小化，然后进行100 ns的MD模拟。在所有的模拟中，压力设定为10 MPa，用于模拟地层压力，温度设定为343 K。模拟中采用NPT系综，通过Parrinello-Rahman方法进行压力耦合［18］，Nosé-Hoover方法进行温度耦合［19］，使用粒子网格Ewald （PME）方法处理静电相互作用，范德华相互作用和静电相互作用的截断半径设置为12 ，模拟步长设定为1 fs。

2 结果分析

2.1 HPAM与改性HPAM对油水界面张力的影响

每个模型都经过100 ns 的MD模拟，保证油水界面充分达到平衡状态，油水界面张力的计算采用50 ns的数据，通过3次独立模拟获得界面张力数值。本文中对界面张力（IFT）的计算方法选用Gibbs界面张力计算法，模型中油水界面位于XY平面内，界面张力计算公式为

γ=-12

pxx+pyy2-pzzLz.

式中，pxx、pyy和pzz为体系的3个压力分量；Lz为体系盒子z方向的长度。

纯油水界面添加改性前HPAM和改性后HPAM对油水界面张力的影响见图2。没有添加聚

合物的油水界面张力与Susana等［20］的试验结果误差小于5%，印证了模型与计算方法的准确性。对比发现HPAM对减小界面张力作用极其有限，界面张力仅从51.68降至47.85 mN/m，而加入改性HPAM后油水界面张力出现了明显下降，达到28.21 mN/m，证实改性HPAM可以有效提高油水界面活性，有利于原油的乳化。

2.2 聚合物调控油水界面活性的分子机制

2.2.1 界面结构

聚合物改变油水界面张力的本质是油水界面特征的改变，为此分析各个组分在体系中的密度分布情况，结果见图3。可以看出，在没有聚合物的情况下，油水界面非常清晰，油相和水相处于完全分离的状态。加入HPAM后，油相的分布几乎没有变化，而界面处水相密度变化的斜率略有减少，说明HPAM主要分布在水相中，在一定程度上减少了界面上水分子的数量。但由于HPAM和油相之间的相互作用较弱，因此并没有改变油相在界面附近的分布情况。改性HPAM的加入对油水两相的密度分布影响都较大，界面处油相密度变化的斜率减小，说明亲油组分和油分子相互融合，从密度分布还可以看出由于聚合物的加入，油相和水相被聚合物显著分离。

界面层厚度能够反映油水界面处两相的混合情况，一般来说界面厚度越大说明两相之间的排斥越小，互溶效果越好，界面张力越低。参考Ricardo Paredes等［21］的方法，选取密度低于油和水密度峰值90%的区域作为油水混合界面，如图4（a）所示。计算得到的界面层厚度见图4（b）。可以发现，加入HPAM对于界面层影响很小，改性HPAM的加入可以大幅提高油水界面层厚度。这也反映出未改性HPAM油水界面依然比较清晰，两相界限明显，界面处油分子和水分子受力不均匀的现象依然严重；改性HPAM疏水基团进入油相中，引起z方向油水分布重叠区域变大，油水界面区域扩展，油水界面变得凹凸不平，油水相的“螯合”加强，界面处分子受力不均衡得到了缓解，有利于界面张力降低。

2.2.2 聚合物桥接作用

界面张力来自于界面处分子受到的应力不均衡，因此需要增加两相之间的联系，从而减少界面张力。由于HPAM分子本身亲水，与水相具有较强的相互作用，因此主要考察HPAM和油相之间的相互作用强度。图5（a）为HPAM和改性HPAM与油相的相互作用能随时间的变化。可以看出，HPAM在0～100 ns的模拟过程中相互作用强度逐渐降低，说明部分HPAM从油水界面处脱离进入水相。由图5（b）也看出HPAM分子大量均匀分布在水相中，其主要原因也是缺少亲油基团，不易在界面处稳定存在，更倾向于溶解于水中。而引入疏水基团改性后的HPAM与油相的相互作用能明显强于HPAM与油相的作用能。由图5（c）看出改性HPAM大多数分布在油水界面附近。改性HPAM在界面处桥接了油相与水相，缓解了界面处分子应力不均衡，从而起到降低界面张力的效果。

2.2.3 聚合物隔离作用

加入聚合物后，聚合物可以依靠其在界面处的聚集形成聚合物膜将油水两相隔离开，减小油水直接接触导致的高界面张力。平衡后油水界面处两种聚合物的分布情况见图6（a）、（b）。可以发现，HPAM在界面处的分布非常疏松，聚合物以线性形态松散地吸附在油水界面周围。这主要是由于HPAM基本分布在水相中，亲水基团的水化层阻碍了HPAM分子间的相互吸引，无法形成致密的聚合物膜。改性HPAM通过引入疏水基团增强了与油相的相互作用，聚合物可以均匀吸附在油相表面，从而形成致密的聚合物膜；同时引入的疏水基团之间的疏水缔合作用也有利于聚合物地聚集形成致密的聚合物膜。聚合物膜的形成可以有效阻隔油水两相接触，从而降低界面张力。

为更好地量化这一过程，计算了3个体系中油水之间的相互作用能，结果见图6（c）。油水间相互作用能可以用来说明油水相的接触面积，相互作用越强表面两相的接触面积越大。从图6（c）看出，加入HPAM后相互作用有一定程度的减弱，说明油水相的接触面积有所减小，因此会使界面张力出现一定程度的下降。改性HPAM加入后，油水相作用强度大幅减小，意味着油水相被改性HPAM有效隔离，可以有效降低界面张力。

2.3 盐离子对界面张力的影响

部分储层中存在较高的矿化度，为此进一步研究盐离子对界面张力的影响。在3个体系的水相中分别加入质量浓度为100 g/L的NaCl，观察其对界面张力的影响情况，结果见图7（a）。可以看出，对于没有聚合物存在的体系中，界面张力会随着盐离子的增加而增大。这是由于盐离子的存在增大了水相的极性，从而拉大了油水两相性质上的差距，增大了油水界面张力。因此当界面处的盐离子增多时，界面张力则会增大。加入HPAM的体系中也出现了类似的情况。然而引入磺酸基团改性后的HPAM则受盐离子的影响较小。为了解释这一现象的物理机制，分析了带电基团周围Na+分布（图7（b））。通过计算径向分布函数g（r），发现羧酸基团周围吸引了较多的Na+，导致Na+在聚合物附近聚集，而改性引入的磺酸基团具有一定的抗盐作用，其周围分布的Na+数量更少。这也就导致2种体系界面附近Na+密度不同（图7（c））。由于HPAM含有较多的羧酸基团，会引起Na+在聚合物附近的富集，导致界面张力的增加。而在加入改性HPAM后，引入的磺酸基团对Na+的吸引力较弱，导致界面附近的Na+和改性前相比有明显的减少，界面张力增加较少。因此加入磺化改性的HPAM在高矿化度下仍然可以保持较高的界面活性。

3 结 论

（1）HPAM降低油水界面张力能力极其有限，而引入疏水基团后的HPAM具有较好的降低界面张力效果。

（2）相较于HPAM，引入疏水基团改性后HPAM增强了与油相的作用，可以在油水界面形成致密的聚合物膜，增加了油水界面层厚度，隔离油水两相的接触，从而降低了油水接触形成的界面张力。

（3）加入盐离子后，油水界面张力有所上升， HPAM耐盐性能较差，引入磺化基团后的改性HPAM可以降低界面处盐离子的聚集，界面张力上升较小，展现出较好的耐盐性能。

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（编辑 刘为清）

基金项目：国家自然科学基金联合基金项目（U21B2070）；国家自然科学基金面上项目（52274054）；中国石油化工股份有限公司重点课题（421089-8）

第一作者及通信作者：燕友果（1980-），男，教授，博士，博士生导师，研究方向为分子模拟在石油工程领域的应用。E-mail： yyg@upc.edu.cn。

引用格式：燕友果，郝羽键，伊卓，等.改性聚丙烯酰胺降低油水界面张力行为的分子动力学模拟［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2024，48（3）：215-220.

YAN Youguo， HAO Yujian， YI Zhuo， et al. Molecular dynamics simulation study on behavior of modified polyacrylamide reducing oil-water interfacial tension［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2024，48（3）：215-220.