本论文采用现代实验技术与分子模拟手段相结合,系统研究了具有环境响应性的表面活性剂和聚合物体系,从分子尺度上系统研究了表面活性剂及聚合物的响应行为与外界环境条件的关系,在分子层面揭示响应行为及机理,指导驱油用表面活性剂及聚合物体系的优化选择,探索将高温高盐等苛刻地层环境条件转化为有利于提高表面活性剂及聚合物体系性能的响应控制机制,为设计智能化学驱油体系提供指导。1.聚合物体相响应行为的研究刺激响应性水溶性聚合物是自身能够对外界环境的细微变化做出响应,产生物理结构和化学性质的变化甚至突变的一类水溶性高分子。pH敏感聚合物可作为一种新颖的深入控制体系用来提高石油采收率。尽管已经有很多先进的实验方法用于聚合物自组装的分析,但是现有实验受到很多条件的制约,不能直接给出分子水平的信息,目前对响应机制的认识尚不明确,使应用缺乏有效的指导。本论文将介观动力学(Mesodyn)和耗散颗粒动力学(DPD)模拟方法与宏观流变实验手段结合,从分子层面研究了环境敏感聚丙烯酸Poly(acrylic acid)(以下简称PAA)环境响应行为及机制。研究发现,PAA聚合物具有pH、无机盐的环境响应行为,其在酸性条件下在体相中呈非溶胀状态,在pH升高后则发生高膨胀,伴随着粘度的显著增加。这种性质为性能调控提供了便利的途径,因此从分子水平上进行响应机制研究对推动和扩展其应用十分必要。研究发现,PAA长链上-COOH间氢键相互作用可引发分子内或分子间缔合,前者易引起分子卷曲,后者促使空间网络结构形成;-COO~-基团间的电性作用则促使分子伸展。因此,分子构象的改变取决于氢键及静电作用力共同作用的结果。增大溶液离子强度后,一方面减弱了聚合物分子与水之间的作用力,另一方面降低了PAA分子之间的静电斥力,分子网络结构难以形成,导致体系粘度降低。模拟结果很好的验证了分子构象的改变与环境条件的关系。2.表面活性剂体相及界面行为的环境响应性研究本部分重点研究了刺激响应性表面活性剂硬脂酸钠在体相或界面响应行为及机制。研究发现硬脂酸钠在很低的浓度下即可形成不流动的凝胶结构,且表面活性剂的自组装过程受浓度、温度、pH、无机盐等条件的影响。利用AFM、TEM、DSC等实验手段研究了凝胶形成条件并对凝胶结构进行了表征,实验发现凝胶是由表面活性剂小分子自助装成的网络结构;并应用模拟方法对该缔合结构的环境响应行为及机理进行了讨论与验证。模拟发现,环境条件改变主要影响了表面活性剂头基与头基以及头基与水之间的作用力,导致凝胶因子在水中聚集、自组装,形成交错的空间网络结构。此外氨基酸型两性离子表面活性剂也具有一定的环境响应行为,改变pH影响了头基的电性,从而引起气液界面性质的差异。重点研究了表面活性剂十二烷基氨基二乙酸钠的pH响应行为,结果显示pH改变后,亲水性的头基具有更好的泡沫粘度及动态稳定性。原因负电性头基之间的电性作用力,增加了泡沫液膜的自修复能力及锚定作用。研究具有响应性的驱油体系,有利于指导驱油用表面活性剂及聚合物体系的优化选择,将不利的地层条件转化为有利于提高表面活性剂及聚合物体系性质的响应因素。耗散颗粒动力学(DPD)和介观动力学(Mesodyn)模拟方法可提供活性剂及聚合物超分子自组装体的环境响应性质及其微观机理。从而在微观层面上验证表面活性剂/聚合物的化学形态、微观形貌、环境条件等之间的关系,为具有环境响应性表面活性剂/聚合物复杂流体的研究提供了强大的理论预测工具。本论文的主要创新点:1.实验手段与分子模拟相结合,考察多种因素如pH、温度、无机盐对表面活性剂及聚合物的分子构象及聚集态的影响,揭示表面活性剂及聚合物在体相及气/液界面的环境响应行为及机理,指导EOR中具有响应性的智能驱油体系的筛选。2.从分子结构出发,将分子聚集态的变化与剪切流变性质相关联,采用Mesodyn与DPD相结合的手段,通过改变模拟体系中的分子电性、无机盐浓度等条件参数,研究聚合物的环境响应性质。3.将TEM、AFM与DPD手段结合,研究了表面活性剂小分子在无机盐引发下自组装形成热可逆凝胶的微观结构,并系统研究了温度、无机盐、pH等条件对表面活性剂分子聚集行为的影响机制。4.利用MD模拟与泡沫流变实验结果相验证,探讨了氨基酸型两性离子表面活性剂在气液界面对pH值的响应行为,研究表明表面活性剂极性头电性对泡沫静态稳定性和动态稳定性均有关键的影响。