基于聚合物纳米微球堵水材料结构和性能关系的分子模拟设计

The preparation of water shut off materials with novel, efficient, economical, environmental properties, and the study of corresponding technic are becoming more and more important in the field of oil production. Results are usually obtained by doing large numbers of experiments, giving much fund and time. Besides, it is also depended on the experience of researchers. All the aspects mentioned above greatly limits the development and application of these materials. Nanomaterial with the structure of multi-layers was prepared by micro-emulsion polymerization. Computer simulation is, for the first time, introduced into the study of water shut off. Molecular structure and behavior will be builded by computer model. The corresponding physical and chemical properties will be forecasted qualitatively, even quantitatively. Therefore, research period and cost will be reduced obviously. Based on the principle of Flory-Huggins, the formation, evolution, and morphology of nanomaterial will be studied by molecular and mesoscopic dynamics. Combined with results of experiments, the relationship between structure and properties will be established in the microscopic, mesoscopic and macroscopic level.

堵水调剖近年来已成为石油开采中的一个研究热点，但相应成果的获得往往需要进行繁琐的实验，投入大量的资金和时间，并在很大程度上取决于研究人员的经验，这一系列困难都极大地限制了对堵水材料深层次规律的探索，从而严重制约其发展速度和应用前景。本项目拟通过分子设计，应用纳米技术及微乳液聚合技术，制备具有特殊结构的多层次聚合物纳米微球。在Flory-Huggins基本原理的基础上，借助分子动力学和介观动力学模拟，构筑起一套合理的模型与算法，深入研究多层次纳米堵水微球体系的动力学形成、演变、发展过程及微观形态，结合实验结果，在分子尺度、介观尺度和宏观尺度水平研究建立体系组成、微观结构与宏观性能之间的关系，弥补理论和实验研究的不足，缩短研发周期，节约成本，为油田堵水材料乃至其他油田化学品的研究和开发开辟新思路和新方法。

随着油田开采过程的不断推进，相关行业对堵水调剖这一环节提出了越来越高的要求。但相应成果的取得往往需要进行繁琐的实验，投入大量的资金和时间，并在很大程度上取决于研究人员的经验，以上困难都极大地限制了对堵水材料深层次规律的探索，从而严重制约其发展速度和应用前景。本项目通过分子设计，应用微乳液聚合技术，制备具有核壳结构的新型聚合物微球，实现逐级调剖功能。更重要的是，以Flory-Huggins基本原理为基础，借助分子动力学模拟，构筑该核壳结构体系模型，通过合理的算法，获取体系的界面输出构象、界面能、均方旋转半径、聚合物及其基团的浓度分布曲线、均方位移、扩散系数、自由体积、宏观弹性系数、模量等重要参数，通过计算机模拟与实验结果的有机结合，深入研究多层次堵水微球体系的动力学形成、演变、发展过程、分子形态及无机/有机界面相互作用，进而在分子尺度、介观尺度和宏观尺度水平研究建立体系组成、微观结构与宏观性能之间的关系。其中有许多常规实验难以得到的定性或定量的数据，为相关机理的发展、完善，为核壳结构微球在油田堵水调剖领域的进一步应用奠定了重要的理论基础，该研究同时为计算机模拟技术在相关领域的应用提供了借鉴。