含水率对含蜡原油乳状液中蜡分子扩散行为影响的分子动力学模拟

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2025.03.009

摘要/Abstract

摘要：

利用分子动力学，分别构建正十二烷、正十八烷和正二十九烷的最低能量构型，研究了含水率（质量分数）不同时油分子与蜡分子之间的相互作用；构建含水率不同的原油乳状液体系的分子动力学模型，研究了水分子溶解在体系后对含蜡原油黏度的影响；比较了蜡分子在含水率不同的体系内的径向分布函数。结果表明，碳数是决定原油分子之间相互作用能的主要因素；随着含水率的增加，分子间的距离变大，而相互作用能变小；水分子溶解在体系中后，蜡分子间的距离和静电相互作用均变大，蜡分子分布变得无序，原油的流动特性得到改善。

关键词: 蜡分子, 原油乳状液, 分子模拟, 分子扩散

Abstract:

Using molecular dynamics, the lowest energy configurations of n?dodecane, n?octadecane, and n?nonadecane were constructed, and the interactions between oil molecules and wax molecules were studied at different water contents (mass fractions). The molecular dynamics model of crude oil emulsion system based on different mass fraction water content was constructed. The effect of water molecules dissolved in the system on the viscosity of waxy crude oil was studied. The radial distribution functions of wax molecules in different water content systems were compared. The results show that carbon number is the main factor to determine the interaction energy between crude oil molecules. With the increase of water content, the distance between molecules increases, while the interaction energy decreases. After water molecules are dissolved in the system, the distance between wax molecules and electrostatic interaction become larger, the distribution of wax molecules becomes disordered, and the flow characteristics of crude oil are improved.

Key words: Wax molecules, Crude oil emulsion, Molecular simulation, Molecular diffusion

中图分类号:

TE832

依力娜尔·吐尔逊, 张广建, 付丽, 范开峰, 王卫强. 含水率对含蜡原油乳状液中蜡分子扩散行为影响的分子动力学模拟[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2025, 45(3): 64-71.

Tuerxun YILINAER·, Guangjian ZHANG, Li FU, Kaifeng FAN, Weiqiang WANG. Molecular Dynamics Simulation of Wax Molecular Diffusion Behavior in Waxy Crude Oil Emulsion with Water Content[J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2025, 45(3): 64-71.

图/表 9

表1 模拟油样的物性参数

Table1 Physical parameters of simulated oil samples

参数	数值
密度（20 ℃）/（kg·m^-3）	870.8
蜡质量分数/%	20.95
析蜡点/℃	50
凝点/℃	34

图1 含水率不同的含蜡原油体系的晶胞（a）含水率为0 （b）含水率为10％（c）含水率为20％（d）含水率为30％（e）含水率为40％

Fig.1 Unit cells of waxy crude oil systems with different water contents

图2 n?C12、n?C18、n?C29的分子模型

Fig.2 Molecular models of n?C12, n?C18， n?C29

图3 水分子模型和蜡团簇模型（a）水分子（b）蜡团簇

Fig.3 Water molecule model and wax cluster model

图4 含蜡原油乳状液体系的能量和温度随时间的变化曲线

Fig.4 Relationship between energy and temperature of waxy crude oil emulsion system with time

图5 原油乳状液模型的模拟黏温曲线与实验黏温曲线对比结果

Fig.5 Comparison between simulated viscosity?temperature curve and experimental viscosity?temperature curve of crude oil emulsion model

表2 n?C12、n?C18、n?C29分子间的相互作用能

Table 2 Interaction energy between molecules of n?C12, n?C18, n?C29

分子对	相互作用能/(kJ·mol^－1)
分子对	含水率=0	含水率=10%	含水率=20%	含水率=30%	含水率=40%
n⁃C₁₂/n⁃C₁₂	－33.24	－31.29	－30.33	－32.10	－31.77
n⁃C₁₂/n⁃C₁₈	－32.03	－31.08	－30.25	－30.59	－30.05
n⁃C₁₂/n⁃C₂₉	29.62	26.03	26.33	26.66	26.77
n⁃C₁₈/n⁃C₂₉	－31.49	－27.20	－28.85	－28.90	－28.23

表3 n?C12、n?C18、n?C29的分子间间距

Table 3 The intermolecular space of n?C12, n?C18, n?C29

分子对	间距×10/nm
分子对	含水率=0%	含水率=10%	含水率=20%	含水率=30%	含水率=40%
n⁃C₁₂/n⁃C₁₂	4.303	4.401	4.442	4.509	4.510
n⁃C₁₂/n⁃C₁₈	4.796	4.798	4.870	4.917	4.975
n⁃C₁₂/n⁃C₂₉	12.409	12.934	12.983	13.140	13.622
n⁃C₁₈/n⁃C₂₉	7.954	7.964	8.372	8.381	8.772

图6 含水率不同的含蜡原油体系的径向分布函数曲线

Fig.6 radial distribution function curve of waxy crude oil system with different water content

参考文献 36

1	王卫强，丁影影，孙翊赫，等. 复配菌对含蜡原油微观结构影响分析［J］. 辽宁石油化工大学学报， 2018， 38（5）： 24⁃29.
	WANG W Q， DING Y Y， SUN Y H， et al. Analysis of the effect of compound bacteria on the microstructure of waxy crude oil［J］. Journal of Liaoning Shihua University， 2018， 38（5）： 24⁃29.
2	AZEVEDO L F A， TEIXEIRA A M. A critical review of the modeling of wax deposition mechanisms［J］. Petroleum Science and Technology， 2003， 21（3⁃4）： 393⁃408.
3	刘爱华，章结斌，陈创前. 油田清防蜡技术发展现状［J］. 石油化工腐蚀与防护， 2009， 26（1）： 1⁃3.
	LIU A H， ZHANG J B， CHEN C Q. Development of wax removal and inhibition technology for oil field［J］. Corrosion & Protection in Petrochemical Industry， 2009， 26（1）： 1⁃3.
4	孟凡怡，杜胜男，冯宪明，等. 复配菌对含蜡原油含蜡量及其黏度作用分析［J］. 辽宁石油化工大学学报， 2020， 40（6）： 14⁃20.
	MENG F Y， DU S N， FENG X M， et al. Effect of compound bacteria on wax content and viscosity of waxy crude oil［J］. Journal of Liaoning Shihua University， 2020， 40（6）： 14⁃20.
5	KWON T W， LEE S H. Molecular dynamics simulation studies of mid⁃size liquid n⁃Alkanes， C₁₂⁃C₁₆₀［J］. Bulletin of the Korean Chemical Society， 2015， 36（4）： 1165⁃1171.
6	LIU B， SHI J Q， SUN B J， et al. Molecular dynamics simulation on volume swelling of CO₂⁃alkane system［J］. Fuel， 2015， 143： 194⁃201.
7	CHEN X J， HOU L， LI W C， et al. Influence of electric field on the viscosity of waxy crude oil and micro property of paraffin： A molecular dynamics simulation study［J］. Journal of Molecular Liquids， 2018， 272： 973⁃981.
8	GAN Y F， CHENG Q L， WANG Z H， et al. Molecular dynamics simulation of the microscopic mechanisms of the dissolution， diffusion and aggregation processes for waxy crystals in crude oil mixtures［J］. Journal of Petroleum Science and Engineering， 2019， 179： 56⁃69.
9	国丽萍，季军美，张家俊，等. 加热温度对含蜡原油胶凝过程微观机理的影响［J］. 东北石油大学学报， 2022， 46（4）： 86⁃97.
	GUO L P， JI J M， ZHANG J J， et al. Effect of heating temperature on the microscopic mechanism of gelat in process of waxy crude oil［J］. Journal of Northeast Petroleum University， 2022， 46（4）： 86⁃97.
10	黄启玉，毕权，李男. 油水两相流蜡沉积研究进展［J］. 化工进展， 2016， 35（S1）： 69⁃74.
	HUANG Q Y， BI Q， LI N. Research progress of wax deposition in oil⁃water two⁃phase flow［J］. Chemical Industry and Engineering Progress， 2016， 35（S1）： 69⁃74.
11	杨杰，董朝霞，向启贵，等.低盐水改变砂岩表面润湿性的pH升高机理［J］. 东北石油大学学报， 2018， 42（6）： 104⁃113.
	YANG J， DONG Z X， XIANG Q G， et al. The pH increase mechanism of wet tability alteration on sandstone surface by low saline water［J］. Journal of Northeast Petroleum University， 2018， 42（6）： 104⁃113.
12	杨杰，董朝霞，向启贵，等. 二价阳离子在低盐水改变砂岩润湿性中的作用［J］. 东北石油大学学报， 2018， 42（5）： 115⁃124.
	YANG J， DONG Z X， XIANG Q G， et al. Effect of bivalent cation on wettability alteration of sandstone by low saline water［J］. Journal of Northeast Petroleum University， 2018， 42（5）： 115⁃124.
13	王鹏宇，姚海元，宫敬，等. 油包水型乳状液蜡沉积冷指实验研究［J］. 中国海上油气， 2014（1）： 114⁃118.
	WANG P Y， YAO H Y， GONG J， et al. Study on the cold finger experiment of wax deposition of water⁃in⁃oil emulsions［J］. China Offshore Oil and Gas， 2014（1）： 114⁃118.
14	TANG J， QU Z， LUO J H， et al. Molecular dynamics simulations of the oil⁃detachment from the hydroxylated silica surface： Effects of surfactants， electrostatic interactions， and water flows on the water molecular channel formation［J］. The Journal of Physical Chemistry B， 2018， 122（6）： 1905⁃1918.
15	ZHANG S K， LI H F， HE Y， et al. Microstructure and thermproperties of n⁃octadecane during phase transion： A molecular dynamics simulation［J］. Journal of Ovonic Research， 2021， 17（1）： 1⁃10.
16	MORADINIA I， TEJA A S. Solubilities of solid n⁃nonacosane and n⁃tritriacontane in supercritical ethane［J］. Journal of Chemical & Engineering Data， 1988， 33（3）： 240⁃242.
17	LUO C F， SOMMER J U， SCHREINER E， et al. Length⁃dependent segregation in crystallization of n⁃alkanes： MD simulations［J］. Journal of Non⁃Crystalline Solids， 2015， 407： 206⁃212.
18	XU W， LAN Z， PENG B L， et al. Effect of surface free energies on the heterogeneous nucleation of water droplet： A molecular dynamics simulation approach［J］. The Journal of Chemical Physics， 2015， 142（5）： 054701.
19	吕春胜，王丽，刘向斌，等. PAMAM对硅垢的抑制作用及其阻垢机理的MD模拟［J］. 东北石油大学学报， 2020， 44（4）： 77⁃84.
	LÜ C S， WANG L， LIU X B， et al. Anti⁃scaling effect of PAMAM and molecular dynamics simulation of scale inhibiting mechanism on silica scale［J］. Journal of Northeast Petroleum University， 2020， 44（4）： 77⁃84.
20	HUANG Y R， CHUANG P H， CHEN C L. Molecular⁃dynamics calculation of the thermal conduction in phase change materials of graphene paraffin nanocomposites［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2015， 91： 45⁃51.
21	BABAEI H， KEBLINSKI P， KHODADADI J M. Thermal conductivity enhancement of paraffins by increasing the alignment of molecules through adding CNT/graphene［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2013， 58（1⁃2）： 209⁃216.
22	LIU X J， LIN C P， RAO Z H. Diffusion and thermal conductivity of the mixture of paraffin and polystyrene for thermal energy storage： A molecular dynamics study［J］. Journal of the Energy Institute， 2017， 90（4）： 534⁃543.
23	RAPAPORT D C. The art of molecular dynamics simulation［M］. Cambridge： Cambridge University Press， 2004.
24	MONDELLO M， GREST G S. Molecular dynamics of linear and branched alkanes［J］. Journal of Chemical Physics， 1995， 103（16）： 7156⁃7165.
25	陈雪娇，侯磊，李师瑶. 航空煤油冰点及黏温关系的分子动力学模拟［J］. 石油科学通报， 2016， 1（3）： 493⁃502.
	CHEN X J， HOU L， LI S Y. Molecular dynamics simulation of freezing point and viscosity⁃temperature relationship of aviation kerosene［J］. Petroleum Science Bulletin， 2016， 1（3）： 493⁃502.
26	张文，龙军，任强，等. 减压渣油微观相结构特性的分子模拟［J］. 石油学报（石油加工）， 2019， 35（6）： 1159⁃1166.
	ZHANG W， LONG J， REN Q， et al. Molecular simulation on the microphase structure of vacuum residue［J］. Acta Petrolei Sinica （Petroleum Processing Section）， 2019， 35（6）： 1159⁃1166.
27	李秉繁，刘刚，陈雷. 基于分子动力学模拟的CH₄溶解对原油分子间作用的影响机制研究［J］. 化工学报， 2021， 72（3）： 1253⁃1263.
	LI B F， LIU G， CHEN L. Study on the influence mechanism of CH₄ dissolution on the intermolecular interaction between crude oil molecules based on molecular dynamics simulation［J］. CIESC Jorunal， 2021， 72（3）： 1253⁃1263.
28	ZHOU L X， YAN Y G， LI S C， et al. Molecular dynamic simulation study on formation of water channel in oil film detachment process controlled by surfactant polarity［J］. Chemical Physics Letters， 2021， 771： 138502.
29	赵哲，袁越锦，李林凤，等. 果蔬类多孔介质干燥传质过程的分子动力学模拟［J］. 农业工程学报， 2023， 39（7）： 285⁃294.
	ZHAO Z， YUAN Y J， LI L F， et al. Molecular dynamics simulation of the mass transfer process for the drying of fruit and vegetable porous media［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2023， 39（7）： 285⁃294.
30	国丽萍，曲丽敏，赵雪钰. 含蜡原油非牛顿流体黏度特性的分子动力学模拟［J］. 当代化工， 2023， 52（5）： 1231⁃1235.
	GUO L P， QU L M， ZHAO X Y. Molecular dynamics simulation of non⁃Newtonian fluid viscosity of waxy crude oil［J］. Contemporary Chemical Industry， 2023， 52（5）： 1231⁃1235.
31	师黎明，杨鹤，任强，等. 重质船用燃料油的沥青质组分在柴油中的相行为模拟研究［J］. 石油炼制与化工， 2023， 54（9）： 33⁃40.
	SHI L M， YANG H， REN Q， et al. Molecular simulation of phase behavior of asphaltenes from heavy marine fuel oil in different diesel components［J］. Petroleum Processing and Petrochemicals， 2023， 54（9）： 33⁃40.
32	王志华，许云飞，戚向东，等. 乳状液稳定性影响因素及其分子动力学模拟研究进展［J］. 油田化学， 2021， 38（2）： 360⁃367.
	WANG Z H， XU Y F， QI X D， et al. Research progress on influencing factors of emulsion stability with molecular dynamics simulation［J］. Oilfield Chemistry， 2021， 38（2）： 360⁃367.
33	朱祚良，侯磊，王宁，等. 含蜡原油磁处理降黏技术研究进展与展望［J］.石油科学通报，2024， 9（1）：117⁃129.
	ZHU Z L，HOU L，WANG N，et al. Research progress and prospect of waxy crude oil viscosity reduction technology by magnetic treatment［J］. Petroleum Science Bulletin，2024， 9（1）：117⁃129.
34	计秉玉，孟霖，束青林，等. 稠油化学复合冷采技术研究与应用［J］. 中国工程科学， 2024， 26 （1）： 216⁃224.
	JI B Y， MENG L， SHU Q L，et al. Investigation and application of chemical compound flooding for heavy oil［J］. Strategic Study of CAE， 2024， 26 （1）： 216⁃224.
35	STEINCZINGER Z， JÓVÁRI P， PUSZTAI L. Comparison of interatomic potentials of water via structure factors reconstructed from simulated partial radial distribution functions： A reverse Monte Carlo based approach［J］. Physica Scripta， 2017， 92（1）： 014001.
36	张东旭，刘成，宋乐春，等. 乳状液体系中气体水合物成核过程研究进展［J］. 化工进展， 2024， 43（6）： 3007⁃3020.
	ZHANG D X， LIU C， SONG L C， et al. Nucleation process of gas hydrates in the emulsion system: A review［J］. Chemical Industry and Engineering Progress， 2024， 43（6）： 3007⁃3020.

[1]	刘文波, 史博文, 戚亚明, 刘晓宇, 王志华. 复杂组分协同作用下的含蜡凝析油管壁结蜡机制[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2023, 43(6): 1-10.
[2]	陈树军, 裴剑霖, 付越, 张亚雪. 改性MCM⁃41孔内水分子吸附扩散行为的模拟研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(3): 1-7.
[3]	朱敏，王艳芳，陈树军，付越，李雪健，刘永强. M⁃MOF⁃74吸附分离天然气中CO₂的模拟研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2019, 39(3): 40-45.