基于分子动力学的环氧树脂与固化剂及地层矿物间的作用模拟

来源：钻井液与完井液杂志2025年第3期北京时间：

作者：董浩安,李志勇,张金波,金星宇,岑昊天,徐瑞星

单位：1.中国石油大学(北京)石油工程学院, 北京 102249；2.中国石油集团长城钻探工程有限公司, 北京 100012；

摘要：研究环氧树脂材料的固化过程以及其与地层矿物之间的相互作用，对于其在石油领域的应用具有重要的理论意义。然而，以往的研究主要集中于环氧树脂材料自身的性质，忽视了其与地层的相互作用。为了深入探讨环氧树脂材料的固化过程及其与地层矿物之间的相互作用，该研究基于分子模拟方法，以E51环氧树脂分子和不同种固化剂为研究对象，计算了其分子间的静电势、作用能以及固化产物与地层矿物之间的相互作用能。研究结果表明，环氧树脂分子中的环氧基团具有明显的负静电势，数值为−0.060 Hartree/e，而固化剂分子中的活泼氢原子则具有明显的正电势，数值在0.053～0.126 Hartree/e之间。此外，环氧树脂与不同固化剂分子间存在相互吸引作用，其相互作用能范围为−0.446～−29.306 kcal/mol；交联后，分子间的相互作用能下降至−80.987～−110.844 kcal/mol之间。最后，环氧树脂交联产物与地层矿物之间也存在显著的相互吸引作用，其中单个树脂分子与方解石矿物的相互作用能在−49.795～−173.187 kcal/mol之间，与白云石矿物的相互作用能在−44.604～−147.307 kcal/mol之间。该研究的结果为环氧树脂在石油天然气工业中的应用提供了理论基础，所采用的研究方法也可用于优化环氧树脂类添加剂的设计。

关键词：分子模拟, 环氧树脂, 地层矿物, 静电势, 相互作用能

基金资助：中石油集团重大科技专项《油田用化工新材料产品开发》子课题三“油田井筒工作液关键化学材料的开发与应用”（2020E−2803）。