分子模擬技術在油田化學及相關領域中的設計與應用

喬少珂

摘 要：分子模擬是近幾年發展起來的一項計算化學技術，其中包括蒙特卡洛、分子動力學、布朗動力學、分子力學、量子力學等計算方法。本文圍繞分子模擬技術在油田化學及相關領域中的設計與應用展開了較為詳細的敘述，并在文章最后指出了分子模擬技術未來的應用前景和發展方向。

關鍵詞：分子模擬技術；油田化學；催化劑研制；高分子設計

1分子模擬技術在油田化學方面的應用

隨著單井開采深度的增加，勘測難度也在不斷的加大，以往常規的研究方法已經不能對地下復雜的情況進行詳細全面的洞察，借助分子模擬技術能夠很好的解決這一問題。

1.1 對粘土礦物的膨脹情況的研究

油氣勘探開采活動的直接作用對象就是粘土礦物，進行油氣鉆采作業時首先需要考慮的問題就是如何防止粘土發生運移、分散、膨脹。Shell公司的研究人員通過對蒙脫石的水化膨脹激勵的研究，得出富粘土礦物在底面間距上分別存在1.83nm，1.55nm，1.20nm，0，97nm等四個穩定態，這項模擬結果十分吻合實驗數據[1]。而Delville用居正則系統蒙特卡洛方法研究了粘土層間水的性質和水分子在粘土表面的吸附特性。

1.2 模擬碳酸鹽礦物的結晶生長和表面形態

判斷油氣沉積環境的一個重要因素就是碳酸鹽礦物，而且粘土礦物學研究的一個重要課題也是碳酸鹽的結晶以及表面生長情況。基于能量最小化原理，Parker等人利用BIOSYM公司的分子圖形學軟件進行了能預測碳酸鹽礦物的成長速度、形態、表面結構的計算機模擬，并對溫度對熱容和自由能等熱力學性質的影響進行了考察，分別在原子級水平和固體Born模型的基礎上探測了碳酸鹽礦物扥表面結構合原子間的相互作用勢。除此之外還研究了不純物質和外加劑對結晶生長和表面結構的影響，解釋了磷酸鹽抑制成核的機理。

1.3 膠束模型的分子動力學模擬

雖然目前對于表面活性劑形成的膠束內部結構還沒有一個清楚全面的認識，但是表面活性劑對油氣開采的作用是非常重要的。Karaborni等人用分子動力學模擬方法對鏈長、端基性質對膠束內部鏈構象、膠束形狀、膠束內部結構的影響進行了研究，模擬結果顯示膠束聚集體的結構與烴類似，膠束內部結構取決于膠束溶劑、鏈的長度、端基大小的相互作用。

1.4 微乳液平衡態性質的模

微乳液、水、油共存的三相平衡問題是在油水表面油性劑構成的三元體系中的一個設計統計力學的問題。Gunn和Larson根據網絡模型采取蒙特卡洛方法對表面活性劑形成的微乳液、水、油之間的平衡態性質進行了模擬研究，并對擴張系數、表面張力等數據進行了計算，得到的結果與實驗數據相吻合。

1.5 模擬分子在多孔介質中的擴散

大分子、小分子在多孔介質中的傳輸和擴散對于三次采油、過濾、色譜等問題的研究具有重要意義。Sorbie等人利用蒙特卡洛方法根據網絡模型模擬了大分子和小分子示蹤劑在多孔介質中的運動性質進行了模擬研究[2]，結果顯示相較于小分子，在一定的流速區中大分子更容易分散。Meyer等人用分子模擬方法研究小分子在液—液界面的擴散時發現在界面區小分子的擴散是各向異性的。

1.6 模擬瀝青質的沉積

影響油氣生產和運輸的一個重要問題就是油井結蠟和瀝青質。為了解決油井的清防蠟問題，油田化學家們分別從宏觀角度進行了研究并提出了許多模型。而巴西科學家用BIOSYM公司的INSIGHT II軟件包中的DISCOVER模型從微觀水平上模擬了一些具有不同或者相同原子的瀝青質的沉積過程，通過對瀝青質的形成和生長過程的研究，得出的結果與實驗測試結果相吻合。

2 輔助油田化學劑分子設計

當下油田化學領域中的一個熱門研究課題及時根據現場的低值條件和工藝要求設計油氣的開采、開發、集輸用化學劑，這也是當代油田化學家需要解決的主要問題。因為實驗手段的限制，對于油田化學劑發生作用的環境中的具體作用過程[3]，油田化學家很難親眼看到，所以他們在進行設計時多半是憑借自己的推測和經驗。分子模擬技術憑借其對分子的運動行為、分子間的相互作用以及分子結構等精準描述，再加上清晰的動畫和圖像顯示能夠很好的輔助研究。利用分子模型技術中的三維QSAR分析技術，還能夠預測其化學與物理性質并能輔助新產品的開發。

2.1 粘土穩定劑的設計

在對油氣進行開采、開發時，外來流體進入地層中會造成粘土運移、分散、膨脹的問題，致使地層滲透率下降，從而降低油氣產量，因此研究有效的粘土穩定劑就成了當下首要解決的問題。利用分子模擬技術，哈里伯頓公司的研究人員利用粘土的X射線晶體學數據建立了粘土模型，并將設計出的粘土穩定劑嵌入到粘土晶片層間。在屏幕上可以看到粘土晶片邊緣吸附著粘土穩定劑，當其進入層間后就又吸附在了粘土片的六角形環中。如果粘土穩定劑的體積較大，當其進入層間后就會將粘土晶片撐開使粘土發生膨脹，而剛好嵌在層間的有效的粘土穩定劑能夠瞬時發揮作用，防止水分子的進入，避免粘土膨脹。

2.2 設計阻垢劑

阻垢劑的作用在于阻止、破壞結垢分子形成晶體。利用分子模擬技術能夠使油田化學家在微觀上構筑出結垢分子晶體的表面，之后在該表面上放置設計好的阻垢劑分子，按照結合能最低的原則進行能量優化，在這一過程中觀察這個阻垢劑分子的空間取向，觀察進入表面晶格的方式、所親合的集團和在晶體表面所處的部位。利用分子模擬技術可在計算機屏幕上現實模擬過程，不僅可以基于分子水平了解阻垢機理，還可以在合成阻垢劑之前就確定能嵌入結垢體晶格表面的有效阻垢劑，因此能夠將油田化學家的工作負擔大大降低。通過對分子模擬公司的CERIUS2軟件包的應用能夠實現阻垢劑的設計。

2.3 其他化學劑的設計

通過對分子模擬公司的CERIUS2軟件包的應用還可以設計水泥漿凝結劑以及利用X射線衍射數據讀礦物樣品進行定量分析[4]。BIOSYM公司的INSIGHT II 軟件能夠提供DISCOVER、POLYMERIZER、DMOL等模塊進行清防蠟、粘度控制、粘土穩定性、石油組分與礦物表面的粘附性能、聚合物降解、金屬腐蝕等油田化學問題的研究以及相應化學藥劑的設計。

3 分子模擬技術在油田化學及相關領域中的應用前景

隨著社會的快速發展，對于油氣資源的需求量也越來越多，面對資源日益枯竭的現狀，挖掘 老油田的潛力以及尋找新儲量就成了當下世界各個產油國油氣生產的主要舉措。因為單井開采深度在不斷的增加，油井勘探難度也在不斷的加大，過去傳統的研究方法已經適應不了變化了的勘測條件，很難對地下的復雜情況有一個清楚全面的洞察，而利用分子模擬技術能夠設計出合適的油田化學，也可以幫助油田化學家探索化學現象的微觀本質，促進石油工作者對地下情況的更深一步的了解。而且在油氣勘探開發數值模擬過程中，分子模擬技術也是一個至關重要的組成部分[5]。目前，英國天然氣公司、莫比爾、哈里伯頓、斯倫貝謝、英國石油公司等著名的油氣公司都在利用分子模擬公司的軟件輔助研究一些與化學有關的油氣開采問題，并設計了油田化學劑。當下還有許多大型油氣公司采用的分子模擬技術軟件是由BIOSYM公司提供的。目前這兩家公司已經進行了合并，他們各自旗下的CERIUS2和INSIGHT II軟件也在逐漸融合。

4 結語

盡管當前我國對于分子模擬技術在油田化學中的應用還沒有進行詳細的報道，但是在將來，定量和半定量地研究油田化學和相關領域中的問題，將分子模擬等計算化學方法和軟件應用到油氣工業中是我國油田化學發展的必然之勢。

參考文獻：

[1] 杜磊，上官昌淮，林修洲.分子模擬輔助油氣田緩蝕劑研究進展[J]. 四川理工學院學報（自然科學版）. 2013（01）.

[2] 徐加放，付元強，田太行，孫澤寧，劉洪軍，孫中富. 蒙脫石水化機理的分子模擬[J]. 鉆井液與完井液. 2012（04） .

[3] 劉海蓮，劉姝，任瑞霞，宋雯雯. 分子模擬技術在分子篩的吸附擴散研究中的應用[J]. 化學與黏合. 2011（04） .

[4] 韋珩.低滲透油藏雙子表面活性劑分形研究與分子模擬[D]. 中國科學院研究生院（滲流流體力學研究所2011 .

[5] 李璇.超臨界CO2—共溶劑二元體系溶質偏摩爾體積的測定及分子間相互作用的分子模擬[D]. 北京化工大學2014.