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物理化学学报 2006年第9期22卷 1137-1142页

作者：那平张帆李艳妮天津大学化工学院天津300072

利用分子动力学方法(MD)研究了na-蒙脱石和na/Mg-蒙脱石层间的补偿阳离子和水分子的结构及扩散性质.模拟结果表明,在一定水含量范围内na-蒙脱石和na/Mg-蒙脱石表现出不同的膨胀形式,特别是层间水分子数目在48～72之间时,na/Mg-蒙脱石的... 详细信息

利用分子动力学方法(MD)研究了na-蒙脱石和na/Mg-蒙脱石层间的补偿阳离子和水分子的结构及扩散性质.模拟结果表明,在一定水含量范围内na-蒙脱石和na/Mg-蒙脱石表现出不同的膨胀形式,特别是层间水分子数目在48～72之间时,na/Mg-蒙脱石的层间距比na-蒙脱石有较为明显的增大.na/Mg-蒙脱石两层水化物的层间水分子与Mg2+形成了明显的两层水合壳;而与na+只形成了一层平面的水合壳.在na/Mg-蒙脱石中,na+和Mg2+的扩散方式不同,na+的扩散范围相对更广,自扩散系数更大.na/Mg-蒙脱石比相同水含量下的na-蒙脱石层间水的自扩散系数小.由于Mg2+和na+对层间结构的强烈影响,从而使有少量Mg2+取代na+的na/Mg-蒙脱石与na-蒙脱石表现出不同的膨胀性质和层间物质的扩散性质.

关键词： na-蒙脱石 na/Mg-蒙脱石分子动力学水合性质自扩散

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na-蒙脱石表面水化抑制机理的分子模拟

Na-蒙脱石表面水化抑制机理的分子模拟

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作者：罗亚飞西南石油大学

学位级别：硕士

泥页岩中黏土矿物的水化膨胀是造成井壁不稳定的主要原因之一,其中黏土矿物的表面水化是由黏土矿物晶体表面(膨胀性黏土表面包括外表面和内表面)吸附水分子以及交换性阳离子水化而引起的,因水化势较大而难以去除,国内外尚未解决黏土矿... 详细信息

泥页岩中黏土矿物的水化膨胀是造成井壁不稳定的主要原因之一,其中黏土矿物的表面水化是由黏土矿物晶体表面(膨胀性黏土表面包括外表面和内表面)吸附水分子以及交换性阳离子水化而引起的,因水化势较大而难以去除,国内外尚未解决黏土矿物表面水化的抑制问题。蒙脱石在黏土矿物中广泛存在,且最易发生水化膨胀作用,因此蒙脱石水化对于油气井的井壁稳定性研究至关重要。通过构建na-蒙脱石晶体模型和na-蒙脱石-水界面模型,对na-蒙脱石内/外表面水化的作用机理进行了研究。并以常见的无机盐、有机硅酸盐、直链状胺类小分子乙二胺及其同系物为研究对象,对不同页岩抑制剂与na-蒙脱石晶体内/外表面的相互作用进行了模拟。通过分析na-蒙脱石层间及晶体外表面的水分子吸附构象、氢键分布、各组分浓度分布、动力学特征、径向分布函数、离子水化参数和蒙脱石的力学参数,研究了阳离子、阴离子、温度、胺类小分子碳链长度等因素对页岩抑制剂抑制作用的影响及其作用机理。模拟结果表明,阳离子的水化能力对na-蒙脱石的水化膨胀有直接的影响,模拟得到的阳离子在na-蒙脱石晶体内/外表面表现出的水化能力由大到小排列为:Mg2+>Ca2+>na+>NH4+>K+。向层间加入水化能力较弱的无机盐阳离子,将层间的补偿na+置换出来,可以有效降低na-蒙脱石的水化膨胀作用。无机盐阳离子的加入可以抑制层间na+的水化,减小水分子和na+的自扩散性,同时无机盐阳离子能够抑制晶体外表面与界面水间的吸附作用,使水分子远离晶层表面,破坏界面水原有的层状分布结构;阴离子中甲基硅酸根与cl-相比具有更好的抑制性,甲基硅酸根中的羟基可与晶层表面形成氢键发生吸附,占据晶层表面吸附位点,降低na-蒙脱石内/外表面水分子自扩散系数;温度升高不利于层间离子水化,但有利于层间水分子的扩散和晶层的膨胀,温度升高使na-蒙脱石晶体外表面水化层分子有序度减小,水化层厚度增加;乙二胺及其同系物在na-蒙脱石层间和晶体外表面的吸附状态均为平躺吸附,当分子碳链的碳原子数增加至8个以上(1,8-辛二胺、1,10-癸二胺),其自扩散系数逐渐增大,分子某一端的胺基可能由于氢键作用力不足脱离晶层,游离在水相中,呈斜躺状吸附;乙二胺及其同系物的加入能降低层间na+的水化能力,侵占晶层表面原有的水分子吸附位点,降低水分子和na+的自扩散性,增强na-蒙脱石力学性能,使晶体外表面界面水的浓度峰远离晶面,降低界面水分子有序度,抑制水分子的扩散运动。整体抑制效果随碳链长度的增加呈先增后减的趋势,在1,6-己二胺处达到最佳。

关键词：页岩抑制剂 na-蒙脱石表面水化分子动力学模拟水化机理

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基于分子动力学的na-蒙脱石微观力学性质研究

基于分子动力学的Na-蒙脱石微观力学性质研究

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作者：王汶鸣西南交通大学

学位级别：硕士

膨胀土在我中国分布范围非常广,通常其遇水后会发生膨胀,导致其力学性能下降,易诱发土坡的崩裂坍塌、路面结构的开裂、防护结构的破坏等工程危害。膨胀土的宏观力学特性依赖于微观结构的变化,因此从微观层面开展相关研究是理解膨胀土宏... 详细信息

膨胀土在我中国分布范围非常广,通常其遇水后会发生膨胀,导致其力学性能下降,易诱发土坡的崩裂坍塌、路面结构的开裂、防护结构的破坏等工程危害。膨胀土的宏观力学特性依赖于微观结构的变化,因此从微观层面开展相关研究是理解膨胀土宏观力学特性行之有效的重要手段。膨胀土中强亲水矿物蒙脱石占据主要成分。其水化状态对膨胀土的力学性质有显著影响。由于蒙脱石几何尺寸的原因,无法直接从其中分离出足够多的单个蒙脱石晶体,进而很难通过传统的试验方法深入研究其微观物理力学特性。分子动力学方法区别于传统的试验和理论方法,其不必依赖观察客观事实和假定物理量的数学关系,而是通过基本的物理原理和合理的分子几何结构模型,计算出客观事物的变化过程与结果。鉴于此,论文拟基于分子动力学方法对膨胀土中强亲水矿物蒙脱石进行微观层面的力学特性研究。论文主要研究内容及主要结论如下:(1)基于分子动力学平台Material Studio 2017版本,建立na-蒙脱石及其水化几何模型,如球棍模型、多面体模型和CPK模型,并对na-蒙脱石进行水化膨胀分析。结果表明当na-蒙脱石层间水分子数量分别为30、58、87时,其分别完全形成一层、二层、三层水分子层;随着层间水分子数量的增加,层间距大致呈增长趋势;层间水分子数量等于或接近水化层分层水分子数量时,层间距并不是一直增长,而是有微弱的减小。(2)基于分子动力学平台Material Studio,通过单轴压缩Perl语言接口,分别对初始层间距c为12.5(?)、15.5(?)、18.5(?)不同水化程度na-蒙脱石进行单轴压缩(0.1GPa-0.2 GPa)模拟,研究层间距对不同水化程度na-蒙脱石压应力与压应变关系的影响规律。结果显示层间距和层间水分子数量对na-蒙脱石的应力应变有一定程度的影响。同一初始层间距且压应力相同时,对于不同水化程度na-蒙脱石,其层间水分子数量越多,压应变越小;当初始层间距不同而压应力相同时,对于相同水化程度na-蒙脱石,其初始层间距越小,压应变越小;比较不同初始c值下的饱和na-蒙脱石压应力与压应变曲线关系,结果表明应变并不随着层间水分子数量增大而减小。在一定应力条件下,层间水分子数量越少的na-蒙脱石的应变小于层间水分子数量多的na-蒙脱石的应变。(3)基于Material Studio平台,通过单向剪切Perl语言接口,分别对初始层间距c为15.5(?)、18.5(?)不同水化程度na-蒙脱石进行单向剪切变形模拟,研究初始层间距与水化程度对单向剪应力与剪应变之间的关系,单向剪应力为0.1 GPa-0.18 GPa。结果表明,对于同一初始层间距相同而水化程度不同的na-蒙脱石,其在相同单向剪应力条件下,层间水分子数量越多,剪应变越小;比较不同初始c值下的饱和na-蒙脱石单向剪应力应变曲线关系时发现,在单向剪应力为0.1 GPa-0.18 GPa阶段,c=15.5(?)、18.5(?)的饱和na-蒙脱石,在相同应力条件下,层间水分子数量越多,剪应变越小。(4)观察不同初始层间距c值的饱和na-蒙脱石在单轴压缩和单向剪切应力条件下的构象,结果显示不同初始层间距c值的饱和na-蒙脱石初始构象中,靠近黏土层片的水分子中有部分氢原子指向黏土层片,有部分氧原子指向黏土层片,还存在一些水分子平行于黏土层片。然而,在单轴压缩和单向剪应力条件下的不同初始层间距的饱和na-蒙脱石中,靠近黏土层片的水分子中的氧原子均指向黏土层片;同时,在应力情况下,各饱和na-蒙脱石会有部分水分子溢出压力盒之外。

关键词：分子动力学 na-蒙脱石微观力学性质单轴压缩单向剪切

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分子模拟有机胺页岩抑制剂碳链长度对抑制性能的影响

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科学技术与工程 2019年第16期19卷 95-100页

作者：冯杰李颖颖罗亚飞苏俊霖中国石油集团工程技术研究院有限公司成都610000 西南石油大学石油与天然气工程学院成都610500 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室成都610500

有机胺钻井液体系近年来在国内外备受关注,其实质是应用了新的有机胺页岩抑制剂,因此更高效地研发胺类抑制剂是有机胺钻井液技术发展的关键。为研究有机胺类页岩抑制剂碳链长度对其抑制性能的影响规律和其抑制作用产生的作用机理,通过... 详细信息

有机胺钻井液体系近年来在国内外备受关注,其实质是应用了新的有机胺页岩抑制剂,因此更高效地研发胺类抑制剂是有机胺钻井液技术发展的关键。为研究有机胺类页岩抑制剂碳链长度对其抑制性能的影响规律和其抑制作用产生的作用机理,通过分子模拟方法研究了不同直链状有机胺分子——乙二胺、1,4-丁二胺、1,6-己二胺、1,8-辛二胺、1,10-癸二胺的抑制性能变化规律,并通过分子动力学方法研究了有机胺页岩抑制剂对na-蒙脱石水化抑制的作用机理以及有机胺页岩抑制剂对蒙脱石晶体力学性质的影响。结果表明,这些有机胺分子的抑制性能有明显的差异,1,6-己二胺的水化抑制效果最佳,乙二胺和1,10-癸二胺的抑制效果较差。可见,分子结构为直链状且两端为胺基的有机胺分子的水化抑制性随碳链长度的增加呈先增后减的趋势,且在含有6个碳原子(1,6-己二胺)时水化抑制效果和蒙脱石力学性能均达到最佳。

关键词： na-蒙脱石分子模拟水化膨胀页岩抑制剂有机胺碳链长度

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