摘要：新型纳米材料2-D纳米黑卡已被证实可有效提高低渗-致密油藏采收率，展现出优异的油水界面特性。但是2-D纳米黑卡与油水界面相互作用的微观机理仍不明确。应用Lammps建立2-D纳米黑卡油水界面模型，针对常温常压（298 K，1 atm）条件下2-D纳米黑卡在油水界面的特性进行分子动力学模拟，分析2-D纳米黑卡个数对不同分子在油水界面的密度分布、油水界面厚度、油水界面覆盖率、分子间相互作用能和界面张力变化率等5个关键参数的影响规律。模拟结果表明：当2-D纳米黑卡界面覆盖率近似为1时，界面处油水及纳米片分子密度分布基本达到稳定，2-D纳米黑卡界面密度峰值几乎不再增长，密度峰变宽；油水界面厚度为24.4?，油水界面相互作用能为-4164 kcal/mol，界面张力比率为0.767，且这3个量达到相对稳定状态。本研究可对2-D纳米黑卡室内实验和矿场应用浓度优选提供理论依据和指导，为纳米片驱油机理的研究奠定理论基础。

低渗透油气资源在国内外油气资源中占有十分重要的地位，而且随着石油勘探程度的逐步加深，其所占的比例还将继续增大。但是由于低渗透储层与中高渗透储层相比，在渗流机理、开发方式、采收率方法和经济效益等方面都有明显差异，低渗透油藏存在开发难度大、采收率低和效益差等特点，同时，由于低渗透储层的比表面积大，表面活性剂吸附损失大，化学驱开发低渗油藏具有较大的局限性，因此需研发新型注剂提高采收率，其中，纳米颗粒在提高采收率方面具有较大潜力。

纳米颗粒自身的材料、浓度、形状、尺寸等因素对采收率提高幅度至关重要，同时，当纳米颗粒处于不同外界环境（盐度、pH值、温度、压力等）中时，提高采收率幅度也不相同，其提高采收率作用机理在于降压增注、降低界面张力、降低乳状液黏度、改变润湿性、改善流度比、防止黏度膨胀、延长沥青沉淀时间等。通常应用纳米颗粒制备纳米乳液、纳米催化剂、纳米流体来提高原油采收率。目前，油田化学驱开采中用的纳米颗粒主要是球形纳米颗粒，其很长一段时间内在油田开采中发挥着重要的作用。二氧化硅球形纳米颗粒在降低油水界面张力、改变润湿性、合成高稳定性材料等方面发挥着巨大的优势。随着新型纳米技术的不断发展和应用，越来越多的纳米驱油技术被应用于提高原油采收率。

为了提高低渗-致密油藏的原油采收率，中国石油大学（北京）自主研发了片状新型纳米材料2-D纳米黑卡，它不同于球形纳米颗粒与油水界面的“点-面”接触，而是铺展在油水界面形成“面-面”接触。实验表明，2-D纳米黑卡在润湿、乳化、降黏、降低界面张力等方面发挥了很好的效果，但其微观性质尤其是分子层面与油水界面的相互作用尚未得到系统描述。本文运用分子动力学模拟方法研究纳米黑卡在油水界面的微观驱油机理，从分子层面优选纳米黑卡的最优浓度，为纳米黑卡实验提供理论指导。

1实验部分

1.1材料与仪器

2-D纳米黑卡，自制；煤油、石油醚、乙醇。

dIFT双通道动态界面张力仪，芬兰Kibron公司。

1.2界面张力的测定

在45℃下，采用旋转界面张力仪测定不同浓度的2-D纳米黑卡溶液与煤油间的界面张力。

1.3 2-D纳米黑卡在油水界面的模拟方法

本次模拟运用Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator（LAMMPS）开源软件执行，利用Visual Merchandise Design（VMD）软件对模型结构进行可视化，建立纳米流体模型进行模拟研究纳米黑卡在油水界面微观作用机理。

1.3.1分子模型的构建

2-D纳米黑卡具有双层结构，由大小为30Å×40Å×12Å的二硫化钼纳米片与直链烷烃构成。假设理想状态下二硫化钼纳米片无晶格缺陷，其活性位点位置确定可参见文献，且全部被C18H38直链烷烃接枝，如图1所示。

图1 2-D纳米黑卡分子结构图

同时，为了研究纳米片尺寸对界面张力的影响，建立纳米片尺寸分别为15Å×20Å×12Å、30Å×40Å×12Å和60Å×80Å×12Å纳米片模型。

采用SPC/E模型描述水分子间相互作用，该模型中由于H原子质量小，对水分子间的H—H和H—O相互作用可忽略不计。选取C10H22为油相，原子间的相互作用势采用CHARMM势函数来描述。VA8模型在研究二硫化钼结构和振动特性时具有较高的准确性，故选取其来描述纳米片原子间的相互作用。以直链烷烃为改性剂改变纳米片的亲油亲水性，采用CHARMM力场来描述原子间相互作用。采用6/12 Lennard-Jones（LJ）计算水分子、油相分子和纳米黑卡之间的相互作用，截断半径分别为10Å和12Å。所构建的油水界面体系由31 500个油分子和17693个水分子组成，并将纳米黑卡置于所构建的油水界面体系中。如图2所示，油水界面上层部分的碳氢链表示油分子，油水界面下层区域代表水分子。

图2纳米黑卡油水界面分布图