地層水礦化度作為影響油水界麵張力的一個重要因素，國內外學者對其影響規律已有相關研究[1-3]。人們發現隨著礦化度的增加，界麵張力不斷降低，在某一特定值時，界麵張力達到最小值；此外，在對應不同礦化度大小時，影響規律也有所不同[4]。而上述研究主要是通過研究表麵活性劑的作用情況來分析油水界麵張力的變化情況，尚未單獨針對僅含油水兩相體係的界麵張力變化情況進行研究。為此，筆者采用耗散粒子動力學方法(DPD)模擬研究了5種不同礦化度下油水兩相體係的能量變化情況，根據體係能量參數表征礦化度對油水界麵張力作用規律，同時采用旋轉滴界麵張力儀測量對應礦化度下的油水界麵張力，以期進一步了解礦化度對油水界麵張力的作用機製。

1 DPD理論基礎

DPD方法是一種原子尺度和宏觀尺度的模擬方法，可以有效地研究分子的聚集和分散。DPD模擬係統最多可模擬包含1×106個粒子複雜係統，並且可研究微秒時間範圍內的動態行為。在DPD模擬方法中，為簡化模型，同時增加研究的時間尺度，將許多微觀粒子簡化成一團或者一堆，即DPD珠子。根據牛頓運動方程[5]，即：

每分子團所受的力為：

Groot和Warren[6]認為保守作用力的形式為：

式中，aij為i團和j團間的最大排斥力。

耗散力與隨機力為：當r≥rC=1時，ωD與ωR均為零。θij(t)是高斯分布的隨機函數，即：

<θij(t)>=0

<θij(t)θkl(t′)>=(δikδj1+δilδjk)δ(t-t′)

依此上式關係，可將權重因子簡單表示為：

分子團之間的運動方程，可由類似Verlect的方法得解為：式中，λ值通常定為0.5，λ的大小與所選取的積分步長Δt相關。

Groot和Warren測試各種λ值與Δt，得到當λ=0.5時，Δt應≤0.04。因此，有式(9)關係成立。

kBT=/3(9)

DPD方法通過對體係原子的隨機分布來確定體係能量，體係在初始狀態時通常不穩定，因此能量波動也比較大。隨著時間的推移，DPD方法會逐漸確定各原子的分布情況，從而確定體係最終能量。能量越低體係也就越穩定。

2模擬方案設置

本文模擬原油用庚烷代替，使用單一烷烴，保證了整個模擬的規律性和可重複性。散粒子動力學模擬前，首先需要進行粗粒化操作，即用1個珠子代替複雜分子或分子當中的一部分原子，從而簡化結構。在本文研究中，研究體係為油水兩相體係，且水分子和庚烷分子相對分子質量較小，因此將3個水分子用1個W珠子代替，將整個庚烷分子用1個O珠子代替。粗粒化結果見圖1。

圖1水(a)、油(b)分子粗粒化結構

在粗粒化完成後，需要計算各個珠子之間的相互作用參數。該參數可根據聚合物混合物體係的Flory-Huggins混合理論計算[7]。對於雙組分體係，可用式(10)計算。

αAB(T)=αAA+3.497χAB(T)(10)

式中，χAB為珠子之間的Flory-Huggins參數，無因次。

計算Flory-Huggins參數的方法通常有實驗測定法、溶解度參數法以及混合自由能法等[8]。本文采用溶解度參數法計算，物質的溶解度參數與Flory-Huggins參數關係見式(11)。

式中：δi和δj分別是i和j兩種物質的溶解度參數，(J/cm3)1/2；V是兩種物質的平均摩爾體積，cm3/mol；R為氣體常數，8.315，J/(mol·K)；T為絕對溫度，K。

本文采用分子動力學法來計算溶解度參數[9]。在模擬溫度368 K下，同種珠子之間的相互作用參數為65。計算出37 000 mg/L地層水礦化度下油水珠子的相互作用參數見表1。

將以上數據輸入軟件中，設置體係模擬溫度為368 K，彈性係數設置為4，采用周期性邊界條件，設定盒子大小為15 nm×15 nm×10 nm，油和水的體積比為1∶1。時間步長為0.01，模擬步數為200 000。

3結果與討論

對體係進行結構優化，結構優化結束後，利用耗散粒子動力學方法模擬油水界麵的形成，模擬結束後計算混合體係的總能量。同樣的，利用相同方法計算出74 000、37 000、18 500、9 250、4 625 mg/L礦化度下各珠子之間的相互作用參數，進而得到其餘礦化度下體係的能量。選取的礦化度大小參考國內一些油田地層水礦化度範圍，如鄂爾多斯盆地地層水礦化度範圍為5 000～70 000 mg/L，老君廟油田地層水礦化度範圍為30 000～80 000 mg/L。

通過軟件計算不同礦化度下的體係能量見圖2。

圖2體係能量隨礦化度變化情況

從圖2可以看出：隨著礦化度的增大，體係能量從2.87×108J/mol降至2.85×108J/mol。這是因為礦化度增大，油水混合體係中過量的Na+、Cl-會影響體係離子平衡，並且會影響油水界麵的厚度，使得油水界麵厚度增大，隨著油水界麵厚度的增加，油水界麵排斥力減弱，界麵張力呈下降趨勢[10]。隨著礦化度的增大，體係會趨於更穩定的狀態，也就是體係能量越低的狀態，同時會導致油水界麵厚度增大[1]。

4界麵張力的實驗測量

4.1實驗原理

油水界麵張力測試采用旋轉滴界麵張力儀(JC2000B)測試。實驗參考標準為《SY/T 5370—1999表麵及界麵張力測定方法》[11]。測量原理：低密度相液滴隨另一種高密度相液體的液-液兩相在測量管中高速旋轉，在重力忽略不計的條件下，離心力與單位麵積上所受的曲麵壓力達到平衡，通過測量液滴形狀求解Laplace方程，由此求得界麵張力。

實驗中根據旋轉液滴的直徑與長度以及儀器的轉速來計算出油水界麵張力，測量油水混合體係的油水界麵張力隨水礦化度的變化情況。實驗中，以庚烷代替原油，與軟件模擬保持一致，純度為分析純；配製所用無機鹽為NaCl，配製水礦化度分別為4 625、9 250、18 500、34 000、74 000 mg/L。實驗測試溫度為95℃，壓力為正常大氣壓0.1 MPa。

4.2實驗結果

為減小實驗誤差，保證實驗結果的準確性。在相同實驗條件下，進行一次重複實驗，最後取兩次實驗對應測點的平均值，實驗測出的5個不同礦化度下油水界麵張力值見圖3。

圖3礦化度對油水兩相混合體係界麵張力的影響

從圖3可以看出：隨著水礦化度的升高，界麵張力逐漸下降。此外還可看出，在礦化度從4 625 mg/L增加到9 250 mg/L時，油水界麵張力值有一個明顯下降的過程，其從7.52 mN/m降至6.23 mN/m，界麵張力值減小1.29 mN/m。之後下降過程變得平緩，總體而言，從實驗結果可以看出，礦化度對於油水界麵張力的影響較大。

5結論

a.利用耗散粒子動力學方法模擬了油水兩相體係的能量變化情況，結果表明體係能量隨著礦化度的增大逐漸降低。這從微觀角度表征了油水界麵張力值隨礦化度變化的機理。

b.采用旋轉滴界麵張力儀測定5個不同礦化度下的油水界麵張力值，測出的油水界麵張力變化規律進一步驗證和說明軟件模擬的結果，定性的得到油水界麵張力值隨水礦化度的變化規律。實驗結果表明：界麵張力值從開始的7.52 mN/m降到了2.00 mN/m，降幅達5.52 mN/m，由此說明礦化度對庚烷與水界麵張力的影響較大。