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| 內容簡介： |
《油田化学分子模拟》从介绍油田化学概论和分子模拟原理开始，通过精选油田现场问题，以阐述科研思路的方式，运用分子模拟在微观层面上给予解释，并进行性质预测。在相应章节，首先综述相关油田化学主题的发展概括，随后选择多个具体问题通过模拟计算进行详解，最后以具体程序操作为例，叙述整个模拟过程及相应的分析方法，以帮助读者在短时间内学会“以问题为导向的分子模拟”，教会读者在实际问题中抽提科研思想，并利用分子模拟在分子层面上进行解释和性质预测。本书以二维码形式提供了模拟操作案例的运行脚本，读者可在相应章节扫码下载学习。
本书以油田现场问题为切入点，强调分子模拟在解决油田化学问题过程中的分子层面上的优势，可为油田化学、胶体化学等专家学者提供第一手资料，阐述的科研思想会在不同研究领域起到潜移默化的作用。本书可供油田开采、材料设计、药物设计等领域从事理论计算的科研人员参考，也可作为高等学校油田化学、胶体化学、材料化学等方向的分子模拟课程教材。
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| 目錄：
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第1章 油田化学概论 001
1.1 油藏流体及岩石的化学组成与性质 002
1.1.1 原油的化学组成 002
1.1.2 储层岩石及黏土 002
1.1.3 地层水的化学组成 003
1.2 钻井化学 003
1.2.1 钻井液化学 003
1.2.2 水泥浆化学 006
1.3 采油化学 008
1.3.1 压裂液化学 008
1.3.2 酸化体系 009
1.3.3 注入井化学调剖 011
1.3.4 生产井化学堵水 012
1.3.5 防蜡与清蜡 013
1.3.6 化学防砂 014
1.4 提高采收率技术 016
1.4.1 提高石油采收率原理 016
1.4.2 化学驱提高采收率技术 017
1.4.3 稠油化学降黏开采 020
1.5 油水处理及集输化学品 021
1.5.1 原油的乳化与破乳 021
1.5.2 原油输送的降凝与减阻 022
1.5.3 油田污水处理 023
参考文献 024
第2章 分子模拟概论 026
2.1 模拟方法分类 027
2.2 力场 028
2.2.1 力场形式 029
2.2.2 选择力场 031
2.3 分子动力学模拟 032
2.3.1 非键相互作用的处理 032
2.3.2 积分形式 034
2.3.3 控温方法 035
2.3.4 相关函数 037
2.3.5 性质分析方法 040
2.4 模拟过程 044
2.4.1 选择初始构型 044
2.4.2 判断平衡 045
2.4.3 模拟结果与偏差分析 047
参考文献 048
第3章 表面活性剂的耐盐实质 050
3.1 表面活性剂油水界面性质 051
3.1.1 阴离子表面活性剂 051
3.1.2 阳离子表面活性剂 055
3.1.3 两性离子表面活性剂 057
3.1.4 非离子表面活性剂 058
3.2 阳离子对表面活性剂水化层的影响 059
3.2.1 水合离子结构和动力学 059
3.2.2 阳离子与表面活性剂极性头之间的结合模型 061
3.2.3 阳离子下的表面活性剂电荷分布 063
3.2.4 阳离子下的表面活性剂水化层 065
3.3 水溶液中硫酸盐和磺酸盐表面活性剂的耐盐比较 069
3.3.1 表面活性剂极性头与水分子的相互作用 070
3.3.2 表面活性剂极性头与阳离子的相互作用 073
3.4 模拟操作案例 076
3.4.1 阴离子表面活性剂与阳离子之间的相互作用 076
3.4.2 水溶液中阴离子表面活性剂胶束的形成 082
参考文献 089
第4章 表面活性剂驱油体系 091
4.1 表面活性剂复配体系 092
4.1.1 阴离子/ 非离子表面活性剂体系 092
4.1.2 阴离子/ 阳离子表面活性剂体系 093
4.1.3 阴离子/ 两性离子表面活性剂体系 095
4.1.4 聚合物/ 表面活性剂体系 096
4.2 泡沫驱油中表面活性剂的稳定作用 098
4.2.1 泡沫体系的结构性质 100
4.2.2 从假乳液膜到油桥结构 101
4.2.3 从油桥结构到泡沫破裂 103
4.2.4 混合表面活性剂对液膜的影响 104
4.3 稠油乳化油滴中表面活性剂的稳定作用 106
4.3.1 稠油油滴结构 106
4.3.2 稠油乳化油滴结构 109
4.3.3 乳化油滴表面水化层 112
4.3.4 表面活性剂对乳化油滴的稳定性影响 115
4.4 模拟操作案例 117
4.4.1 稠油乳化油滴的构建 117
4.4.2 纳米颗粒对泡沫稳定性的影响 123
参考文献 131
第5章 固体表面的润湿反转 134
5.1 岩石表面上表面活性剂与油相组分的相互作用 135
5.1.1 岩石类型与表面活性剂的影响 135
5.1.2 流动相影响 139
5.1.3 岩石表面粗糙度影响 140
5.1.4 表面活性剂对水通道大小的影响 141
5.2 润湿反转中的水通道 142
5.2.1 油滴从固体表面剥离过程中的水通道 142
5.2.2 油滴从固体表面剥离机理 146
5.2.3 亲/ 疏水混合界面膜中的水通道 147
5.3 表面活性剂单层膜的润湿反转 151
5.3.1 云母表面上表面活性剂的聚集结构 151
5.3.2 润湿反转机理 156
5.4 纳米孔道中表面活性剂对油塞的疏解作用 159
5.4.1 轻质原油在二氧化硅孔道内的结构 159
5.4.2 残余油在二氧化硅孔道内的结构 160
5.4.3 流动外力对油滴剥离的影响 162
5.4.4 油塞移动过程中的热力学特性 164
5.5 模拟操作案例 165
5.5.1 二氧化硅表面的润湿反转 165
5.5.2 纳米孔道内表面活性剂对油塞的疏解 170
参考文献 175
第6章 聚合物增黏体系 177
6.1 聚合物驱油体系 178
6.1.1 疏水改性缔合聚合物体系 179
6.1.2 热增黏聚合物体系 180
6.1.3 纳米粒子聚合物体系 181
6.2 丙烯酰胺类聚合物及纳米颗粒复合增黏机理 182
6.2.1 聚丙烯酰胺体系的增黏机理 182
6.2.2 纳米颗粒和HPAM 复合致黏机理 186
6.3 改性丙烯酰氨基共聚物的主客体相互作用 188
6.3.1 主客体之间的交联方式 189
6.3.2 主客体之间的相互作用 192
6.4 堵水调剖中的预制颗粒凝胶 194
6.4.1 PPG 在水溶液中的溶胀过程 194
6.4.2 PPG 在纳米孔道内的运移 196
6.4.3 PPG 在孔喉处的运移 198
6.4.4 PPG 聚集体运移过程中的变形和脱水 199
6.5 纳米颗粒与聚丙烯酰胺复合增黏体系模拟操作案例 201
参考文献 208
第7章 二氧化碳压裂与驱油技术 209
7.1 CO2 压裂技术和提高采收率技术 210
7.1.1 CO2 压裂机理 210
7.1.2 CO2 压裂技术 211
7.1.3 CO2 驱油机理 212
7.2 预测最小混相压力 214
7.2.1 两相初始混溶时刻的定义 215
7.2.2 最小混相压力的获取 218
7.2.3 与其他实验方法的比较 219
7.3 CO2 驱油体系中的聚合物增稠 220
7.3.1 聚合物浓度对CO2 相黏度的影响 221
7.3.2 增黏机理研究 221
7.4 不同pH 环境下原油吸附行为及CO2 驱替机制 224
7.4.1 原油在二氧化硅狭缝中的分布 224
7.4.2 CO2 驱油机制 228
7.5 PDMS-CO2 增黏体系模拟操作案例 230
参考文献 233
第8章 含油乳状液的稳定性与破乳 236
8.1 油田采出水和原油乳状液 237
8.1.1 原油乳状液的稳定性 237
8.1.2 原油乳状液破乳 241
8.2 聚醚类破乳剂破乳机理 245
8.2.1 破乳剂在油滴表面的吸附 245
8.2.2 破乳剂的桥连作用 248
8.3 直流电场下O/W 乳状液破乳 251
8.3.1 电场强度下油滴各组分的行为分析 251
8.3.2 电场下乳化油滴的聚结过程 254
8.3.3 无电场下油滴的聚结过程 256
8.4 气浮处理含油污水 258
8.4.1 气浮过程中油滴行为变化 258
8.4.2 油滴的碰撞与聚结 259
8.4.3 泡沫膜附近的水分子与表面活性剂 261
8.5 电场作用下乳化油滴的运移模拟操作案例 263
参考文献 270
第9章 稠油中的沥青质 272
9.1 沥青质结构性质 273
9.1.1 沥青质分子结构 273
9.1.2 沥青质聚集结构 283
9.1.3 沥青质研究中的模拟计算 286
9.2 沥青质分子结构的确定方法 289
9.2.1 定量分子表示法 290
9.2.2 平均分子结构确定法 294
9.3 油水界面处的沥青质 301
9.3.1 沥青质在原油中的聚集行为 302
9.3.2 油水界面处的聚集结构 304
9.3.3 油水界面处的沥青质分子 307
9.3.4 油水界面处沥青质聚集结构的剥离 308
9.4 固液界面处的沥青质 310
9.4.1 固体表面的沥青质吸附结构 310
9.4.2 固体表面的单分子吸附行为 313
9.5 沥青质在油水界面的吸附模拟操作案例 316
参考文献 324
附录 328
附录Ⅰ Materials Studio 软件 329
附录Ⅱ Gromacs 软件 340
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| 內容試閱：
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从最初接触分子模拟到现在已有二十余年的时间，在这期间时不时有老师向我咨询：“在我的实验里能给加点分子模拟吗？”遇到这样的讨论，我总是说：“我也不做实验，不用和我保密，你详细地讲讲实验现象和实验细节，越详细越好。”其实，分子模拟就是一种技术方法和分析工具，我们总能在具体的实验过程和实验结论中找到切入点，只要找到合适的实验问题，分子模拟就能在分子层面上给出合理的解释以及可能的性质预测。
之所以选择油田化学作为本书的研究主题，是因为2008 年与胜利油田勘探开发研究院（当时为地质科学研究院，以下简称“石油勘探院”） 的一次学术交流，在此期间我认识了本书的另一位作者宋新旺主任。本人硕士研究生阶段从事的是胶体化学，在攻读博士学位时才转向模拟计算，以胶体化学中的分子模拟为研究方向。油田化学中的驱油实验，是围绕聚合物和表面活性剂展开的，而当时石油勘探院的同仁们就关注了这一新兴的技术方法——分子模拟，希望从分子层面上为驱油实验提供微观解释。以此次学术交流为契机，石油勘探院在过去的十余年间与我签署了十余项横向项目，而本人的几项国家自然科学基金的研究思想，就来自于油田现场的实际问题，诸如磺酸盐表面活性剂的耐盐实质、原油组分对泡沫驱油体系稳定性的影响，以及表面活性剂在稠油乳化降黏中的作用等，这些横向项目和基金项目我受益颇多，让我在分子模拟领域的研究不断深入。
十余年来，围绕分子模拟在油田化学中的应用，课题组中有十余位硕士和博士研究生在此领域从事模拟计算。对我而言，一方面为了完成国家自然科学基金项目和来自石油勘探院的横向项目；另一方面也让模拟计算在我们课题组变成了“以问题为导向的分子模拟”，丰富了自己的研究思路，拓展了自己的研究视野。在油田化学领域，我们课题组的模拟计算越来越受到相关专家学者的关注，横向项目也从胜利油田向中石油、中石化的其他下属单位扩展。最近十年间，以中国石油大学为代表的许多高校科研院所，从事油田化学方面的分子模拟研究工作的同仁逐年增多。在此背景下，我和宋新旺教授两年前就萌生了写一本书的想法，总结一下我们这些年在此领域的研究工作，希望能够为油田化学同仁提供一些科研借鉴。
全书共分9章。第1章简要介绍油田化学的研究范围，包括钻井、开采和驱油等方面，这些方面均涉及相关化学品的应用，也就意味着分子模拟在油田化学中各个领域都可以有所应用；第2章简要介绍了分子模拟原理，重点介绍了油田化学领域中经常用到的一些模拟分析方法，为后续分析测试应用打基础；第3章表面活性剂的耐盐实质，总结了分子模拟在表面活性剂体系中的应用，探讨了无机阳离子对表面活性剂极性头水化层的影响；第4章表面活性剂在驱油体系中的应用，总结了表面活性剂复配驱油体系中的分子模拟，列举了表面活性剂在泡沫驱油和乳化油滴中的作用；第5章固体表面的润湿反转，重点阐述了润湿反转过程中水通道的概念；第6章聚合物增黏体系，叙述了纳米颗粒对聚合物增黏体系的影响，以及目前具有先导性试验的主客体相互作用和疏水缔合聚合物体系；第7章二氧化碳压裂与驱油技术，探讨了CO2 驱油实验中经常提到的最小混相压力计算方法，以及聚合物对CO2 驱油体系的增稠；第8章含油乳状液的稳定性和破乳，重点针对油田采出液的破乳，涉及破乳剂、电破乳和气浮处理污水等；第9章稠油中的沥青质，总结了沥青质分子结构的发展历程，阐述了从实验数据推测沥青质分子结构的方法，以及油水界面、固液界面处的沥青质聚集结构性质。
为了让初入分子模拟的读者更快上手，我们在每章的最后一节，以实际操作案例形式给出了模拟计算的详细操作步骤，可方便读者参考本章的研究内容，按照教程学习Materials Studio、Gromacs 等软件程序的运行，以及必要的分析方法，短时间内学会分子模拟操作流程，理解以问题为导向的分子模拟研究思路。
分子模拟在各个领域的快速发展是不争的事实，越来越多的专家学者涉足其中，其应用范围也扩展到化学、材料学、生命科学等领域。分子模拟在油田化学中的应用，也是最近十余年的事情，希望本书的出版能在该研究领域起到添砖加瓦的作用，也期待更多的学者参与其中，进一步丰富分子模拟在油田化学中的应用。
本书由苑世领和宋新旺共同编写完成。在此成书之际，感谢各方给予的支持和帮助：
特别感谢已经毕业的学生们，书中研究内容所涉及的学生有延辉、刘骞、张培利、高凤凤、吕国春、马莹、李鼎、宋盛晗、苑士登、刘沙沙、张恒铭、纪德罗、熊勇等，在此对他们的学术贡献表示感谢。在成书过程中，学生姜兆礼、张震宇、郭安琦、余新东等，有的具体书写了分子动力学模拟的操作流程，有的编辑了后续分析的运行脚本和程序，为本书的出版做出了贡献，在此一并致谢。
感谢山东大学和山东石油化工学院所属职能部门的支持，促进了分子模拟课程的开设，且一直受到学生们的欢迎，也为我们继续在此领域深耕和编写书籍助力。特别感谢张恒和王林杰老师在分子模拟授课方面的坚守和支持。
感谢化学工业出版社的编辑，他们的鼓励和支持促成了本书的出版。
感谢Materials Studio 软件的代理商东方科软（北京）科技有限公司，他们的技术支撑和专业服务让我们的工作更加顺利。
尽管我们试图从更宽视野介绍分子模拟在油田化学中的应用，但是油田化学有着广泛的应用和研究领域，我们选择的案例也只是其中的一小部分，以此探讨分子模拟在其中的应用有其局限性。不过我们仍然希望这些案例能够给读者以科研启发，拓宽读者的研究思路，为读者在更大的研究视野下运用分子模拟提供借鉴。鉴于编者知识所限，还要将多个模拟案例统筹安排，书中疏漏在所难免，敬请读者批评指正。
书中部分分子模拟案例操作步骤或后续分析运行脚本等，在书中相应内容处以二维码形式给出，读者可下载后参考使用。
苑世领
2024 年10 月
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