Molecular Dynamics Simulation Study on the Interaction of OP⁃10 and SL with Asphaltic Models

doi:10.12422/j.issn.1006-396X.2026.05.004

Abstract

Abstract:

The high viscosity of heavy oil primarily stems from the aggregation of asphaltene molecules. Currently, surfactants are widely used as viscosity reducers to effectively lower the viscosity of heavy oil. This study employed molecular dynamics simulations and quantum chemical calculations to investigate the interactions between viscosity reducers⁃10 （OP⁃10）and sodium laurate (SL) with asphaltenes at different concentrations. The results show that when the molecular number of OP⁃10 (N(OP⁃10))=120 and the molecular number of SL (N(SL))=400, the composite viscosity reducer OP⁃10/SL can form micellar structures with asphaltenes. Meanwhile,the total number of hydrogen bonds in the system increases significantly from approximately 1 000 at N(OP⁃10)=30 and N(SL)=100 to about 3 800, forming a stable three dimensional hydrogen bond network. Based on visual analysis of simulation snapshots, statistics of hydrogen bond quantities and electrostatic potential distribution analysis, the viscosity reduction mechanism of this composite viscosity reducer is revealed, which provides a theoretical basis for the design and application of composite viscosity reducer systems represented by OP⁃10/SL.

Key words: Molecular dynamics simulation, Asphalt, Surfactant

摘要：

重油的高黏度主要源于沥青质分子的聚集，使用表面活性剂作为降黏剂已成为一种有效的重油降黏手段。采用分子动力学模拟与量子化学计算方法，研究了降黏剂壬基酚聚氧乙烯醚⁃10（OP⁃10）/十二酸钠（SL）在不同分子数时与沥青质的相互作用；利用静电势分布，从电性角度解释了OP⁃10与SL作用的本质。结果表明，当OP⁃10的分子数（N（OP⁃10））=120个、SL的分子数（N（SL））=400个时，降黏剂OP⁃10/SL可与沥青质形成胶束结构，同时体系的氢键总数由N（OP⁃10）=30个、N（SL）=100个时的约1 000个显著增至约3 800个，形成了稳定的三维氢键网络。通过可视化模拟快照分析、氢键数量统计和静电势分布分析，揭示了该复合降黏剂的降黏机理，为以OP⁃10/SL为代表的复合降黏剂体系的设计与应用提供了理论依据。

关键词: 分子动力学模拟, 沥青质, 表面活性剂

CLC Number:

TQ423.11

Yihao YANG, Huan BAO, Yupeng HE, Xianming KONG, Wannian ZHANG. Molecular Dynamics Simulation Study on the Interaction of OP⁃10 and SL with Asphaltic Models[J]. Journal of Petrochemical Universities, 2026, 39(5): 34-39.

杨怡豪, 包欢, 何宇鹏, 孔宪明, 张万年. OP⁃10与SL对沥青质作用的分子动力学模拟研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2026, 39(5): 34-39.

Figures/Tables 7

Fig.1 The molecular structures of the non-ionic surfactant OP-10 and the anionic surfactant SL

Fig.2 Asphaltene model[11]

Table 1 Number of molecules for each component in the molecular dynamics simulation system

组分	分子数/个
组分	模型1	模型2	模型3	模型4
OP-10	30	60	90	120
SL	100	200	300	400
水分子	3 000	3 000	3 000	3 000
沥青质模型1	20	20	20	20
沥青质模型2	10	10	10	10
沥青质模型3	10	10	10	10
沥青质模型4	10	10	10	10
沥青质模型5	10	10	10	10
沥青质模型6	10	10	10	10
正辛烷	200	200	200	200

Fig.3 Simulation snapshots of the OP-10/SL system under varying molecular numbers in kinetic models

Fig.4 Time-dependent RMSD curves of the OP-10 molecule and the SL molecule

Fig.5 The total number of hydrogen bonds in simulation models 1-4

Fig.6 Electrostatic potential distribution of OP-10 and SL

References 18

[1]	YANG M， CHAI M J， YUAN S B， et al. In⁃situ combustion for heavy oil and oil sands recovery： Recent progress， field applications， and future perspectives［J］. Energy & Fuels， 2024， 38（12）： 10395⁃10420.
[2]	LI P C， ZHANG F S， ZHANG C H， et al. Review of chemical viscosity reduction technology for ordinary heavy oil reservoirs based on environmental protection［J］. IOP Conference Series： Earth and Environmental Science， 2021， 706（1）： 012019.
[3]	陈港，李飞. 稠油降黏中不同种类降黏剂的研究进展［J］. 当代化工， 2023， 52（5）： 1181⁃1185.
	CHEN G， LI F. Research progress of different types of viscosity reducers in viscosity reduction of heavy oil［J］. Contemporary Chemical Industry， 2023， 52（5）： 1181⁃1185.
[4]	黄金，于洪洋，李锋，等. 生物基两性离子型表面活性剂在不同驱油体系中的乳化稳定动力学［J］. 石油学报（石油加工）， 2022， 38（6）： 1347⁃1356.
	HUANG J， YU H Y， LI F， et al. Emulsion⁃stabilizing kinetics of bio⁃based zwitterionic surfactant in different oil flooding systems［J］. Acta Petrolei Sinica（Petroleum Processing Section）， 2022， 38（6）： 1347⁃1356.
[5]	孙君，侯岳，辛野，等. 海上稠油开发井筒举升用反相乳化降黏剂复配与性能评价［J］. 当代化工， 2025， 54（8）： 1862⁃1867.
	SUN J， HOU Y， XIN Y， et al. Compounding and performance evaluation of reverse emulsified viscosity reducer for wellbore lifting in offshore heavy oil development［J］. Contemporary Chemical Industry， 2025， 54（8）： 1862⁃1867.
[6]	ZHANG W N， WANG K， WANG C P， et al. Enhanced oil recovery： QM/MM based descriptors for anionic surfactant salt⁃resistance［J］. Colloids and Surfaces A： Physicochemical and Engineering Aspects， 2022， 641： 128422.
[7]	ZHANG W N， LUO F， GAO Z G， et al. Study of interfacial properties of anionic–nonionic surfactants based on succinic acid derivatives via molecular dynamics simulations and the IGMH method［J］. Colloids Interfaces， 2024， 8（4）： 41.
[8]	吴云，龚海峰. 双表面润湿特性组合筛网分离油⁃水乳化液［J］. 石油学报（石油加工）， 2022， 38（6）： 1483⁃1492.
	WU Y， GONG H F. Combined meshes with double surface wettability for oil⁃water emulsion separation［J］. Acta Petrolei Sinica（Petroleum Processing Section）， 2022， 38（6）： 1483⁃1492.
[9]	张万年，于芳，赵杉林，等. 小分子凝胶的分子动力学模拟和汉森溶解度参数研究进展［J］. 应用化学， 2022， 39（12）： 1803⁃1817.
	ZHANG W N， YU F， ZHAO S L， et al. Progress in molecular dynamics and hansen solubility parameters of low molecular weight gels［J］. Chinese Journal of Applied Chemistry， 2022， 39（12）： 1803⁃1817.
[10]	包欢，丁晓光，何宇鹏，等. 均苯四甲酸酯衍生物小分子凝胶剂的合成研究［J］. 石油化工高等学校学报， 2022， 35（3）： 49⁃53.
	BAO H， DING X G， HE Y P， et al. Synthesis of homophthallic acid ester derivatives as low molecular weight gelator［J］. Journal of Petrochemical Universities， 2022， 35（3）： 49⁃53.
[11]	CASTELLANO O， GIMON R， SOSCUN H. Theoretical study of the σ⁃π and π⁃π interactions in heteroaromatic monocyclic molecular complexes of benzene， pyridine， and thiophene dimers： Implications on the resin–asphaltene stability in crude oil［J］. Energy & Fuels， 2011， 25（6）： 2526⁃2541.
[12]	张超，秦冰，江建林，等. 新型阴⁃非离子表面活性剂合成及其与高效表面活性剂18⁃AC之间的相互作用研究［J］. 石油炼制与化工， 2024， 55（8）： 92⁃98.
	ZHANG C， QIN B， JIANG J L， et al. Synthesis of novel anionic⁃nonionic surfactants and their interaction with highly interfacial active surfactant 18⁃AC［J］. Petroleum Processing and Petrochemicals， 2024， 55（8）： 92⁃98.
[13]	罗凤，张万年，王锐，等. 琥珀酸衍生物类非离子型表面活性剂的合成及性能评价［J］. 石油化工高等学校学报， 2024， 37（3）： 11⁃16.
	LUO F， ZHANG W N， WANG R， et al. Synthesis and performance evaluation of nonionic surfactants based on amber acid derivatives［J］. Journal of Petrochemical Universities， 2024， 37（3）： 11⁃16.
[14]	李静，焦艳军，唐春凌，等. 中链支化非离子型表面活性剂对石油污染土壤的清洗性能及机理［J］. 化工环保， 2021， 41（5）： 651⁃657.
	LI J， JIAO Y J， TANG C L， et al. Cleaning performance and mechanism of medium⁃chain branched nonionic surfactant to petroleum⁃contaminated soil［J］. Environmental Protection of Chemical Industry， 2021， 41（5）： 651⁃657.
[15]	MARTÍNEZ L， ANDRADE R， BIRGIN E G， et al. PACKMOL： A package for building initial configurations for molecular dynamics simulations［J］. Journal of Computational Chemistry， 2009， 30（13）： 2157⁃2164.
[16]	RAMI REDDY M， BERKOWITZ M. The dielectric constant of SPC/E water［J］. Chemical Physics Letters， 1989， 155（2）： 173⁃176.
[17]	LU T. A comprehensive electron wavefunction analysis toolbox for chemists， Multiwfn［J］. The Journal of Chemical Physics， 2024， 161（8）： 082503.
[18]	HUMPHREY W， DALKE A， SCHULTEN K. VMD： Visual molecular dynamics［J］. Journal of Molecular Graphics， 1996， 14（1）： 33⁃38.