分子模拟技术在油田化学及相关领域中的设计与应用

乔少珂

摘 要：分子模拟是近几年发展起来的一项计算化学技术，其中包括蒙特卡洛、分子动力学、布朗动力学、分子力学、量子力学等计算方法。本文围绕分子模拟技术在油田化学及相关领域中的设计与应用展开了较为详细的叙述，并在文章最后指出了分子模拟技术未来的应用前景和发展方向。

关键词：分子模拟技术；油田化学；催化剂研制；高分子设计

1分子模拟技术在油田化学方面的应用

随着单井开采深度的增加，勘测难度也在不断的加大，以往常规的研究方法已經不能对地下复杂的情况进行详细全面的洞察，借助分子模拟技术能够很好的解决这一问题。

1.1 对粘土矿物的膨胀情况的研究

油气勘探开采活动的直接作用对象就是粘土矿物，进行油气钻采作业时首先需要考虑的问题就是如何防止粘土发生运移、分散、膨胀。Shell公司的研究人员通过对蒙脱石的水化膨胀激励的研究，得出富粘土矿物在底面间距上分别存在1.83nm，1.55nm，1.20nm，0，97nm等四个稳定态，这项模拟结果十分吻合实验数据[1]。而Delville用居正则系统蒙特卡洛方法研究了粘土层间水的性质和水分子在粘土表面的吸附特性。

1.2 模拟碳酸盐矿物的结晶生长和表面形态

判断油气沉积环境的一个重要因素就是碳酸盐矿物，而且粘土矿物学研究的一个重要课题也是碳酸盐的结晶以及表面生长情况。基于能量最小化原理，Parker等人利用BIOSYM公司的分子图形学软件进行了能预测碳酸盐矿物的成长速度、形态、表面结构的计算机模拟，并对温度对热容和自由能等热力学性质的影响进行了考察，分别在原子级水平和固体Born模型的基础上探测了碳酸盐矿物扥表面结构合原子间的相互作用势。除此之外还研究了不纯物质和外加剂对结晶生长和表面结构的影响，解释了磷酸盐抑制成核的机理。

1.3 胶束模型的分子动力学模拟

虽然目前对于表面活性剂形成的胶束内部结构还没有一个清楚全面的认识，但是表面活性剂对油气开采的作用是非常重要的。Karaborni等人用分子动力学模拟方法对链长、端基性质对胶束内部链构象、胶束形状、胶束内部结构的影响进行了研究，模拟结果显示胶束聚集体的结构与烃类似，胶束内部结构取决于胶束溶剂、链的长度、端基大小的相互作用。

1.4 微乳液平衡态性质的模

微乳液、水、油共存的三相平衡问题是在油水表面油性剂构成的三元体系中的一个设计统计力学的问题。Gunn和Larson根据网络模型采取蒙特卡洛方法对表面活性剂形成的微乳液、水、油之间的平衡态性质进行了模拟研究，并对扩张系数、表面张力等数据进行了计算，得到的结果与实验数据相吻合。

1.5 模拟分子在多孔介质中的扩散

大分子、小分子在多孔介质中的传输和扩散对于三次采油、过滤、色谱等问题的研究具有重要意义。Sorbie等人利用蒙特卡洛方法根据网络模型模拟了大分子和小分子示踪剂在多孔介质中的运动性质进行了模拟研究[2]，结果显示相较于小分子，在一定的流速区中大分子更容易分散。Meyer等人用分子模拟方法研究小分子在液—液界面的扩散时发现在界面区小分子的扩散是各向异性的。

1.6 模拟沥青质的沉积

影响油气生产和运输的一个重要问题就是油井结蜡和沥青质。为了解决油井的清防蜡问题，油田化学家们分别从宏观角度进行了研究并提出了许多模型。而巴西科学家用BIOSYM公司的INSIGHT II软件包中的DISCOVER模型从微观水平上模拟了一些具有不同或者相同原子的沥青质的沉积过程，通过对沥青质的形成和生长过程的研究，得出的结果与实验测试结果相吻合。

2 辅助油田化学剂分子设计

当下油田化学领域中的一个热门研究课题及时根据现场的低值条件和工艺要求设计油气的开采、开发、集输用化学剂，这也是当代油田化学家需要解决的主要问题。因为实验手段的限制，对于油田化学剂发生作用的环境中的具体作用过程[3]，油田化学家很难亲眼看到，所以他们在进行设计时多半是凭借自己的推测和经验。分子模拟技术凭借其对分子的运动行为、分子间的相互作用以及分子结构等精准描述，再加上清晰的动画和图像显示能够很好的辅助研究。利用分子模型技术中的三维QSAR分析技术，还能够预测其化学与物理性质并能辅助新产品的开发。

2.1 粘土稳定剂的设计

在对油气进行开采、开发时，外来流体进入地层中会造成粘土运移、分散、膨胀的问题，致使地层渗透率下降，从而降低油气产量，因此研究有效的粘土稳定剂就成了当下首要解决的问题。利用分子模拟技术，哈里伯顿公司的研究人员利用粘土的X射线晶体学数据建立了粘土模型，并将设计出的粘土稳定剂嵌入到粘土晶片层间。在屏幕上可以看到粘土晶片边缘吸附着粘土稳定剂，当其进入层间后就又吸附在了粘土片的六角形环中。如果粘土稳定剂的体积较大，当其进入层间后就会将粘土晶片撑开使粘土发生膨胀，而刚好嵌在层间的有效的粘土稳定剂能够瞬时发挥作用，防止水分子的进入，避免粘土膨胀。

2.2 设计阻垢剂

阻垢剂的作用在于阻止、破坏结垢分子形成晶体。利用分子模拟技术能够使油田化学家在微观上构筑出结垢分子晶体的表面，之后在该表面上放置设计好的阻垢剂分子，按照结合能最低的原则进行能量优化，在这一过程中观察这个阻垢剂分子的空间取向，观察进入表面晶格的方式、所亲合的集团和在晶体表面所处的部位。利用分子模拟技术可在计算机屏幕上现实模拟过程，不仅可以基于分子水平了解阻垢机理，还可以在合成阻垢剂之前就确定能嵌入结垢体晶格表面的有效阻垢剂，因此能够将油田化学家的工作负担大大降低。通过对分子模拟公司的CERIUS2软件包的应用能够实现阻垢剂的设计。

2.3 其他化学剂的设计

通过对分子模拟公司的CERIUS2软件包的应用还可以设计水泥浆凝结剂以及利用X射线衍射数据读矿物样品进行定量分析[4]。BIOSYM公司的INSIGHT II 软件能够提供DISCOVER、POLYMERIZER、DMOL等模块进行清防蜡、粘度控制、粘土稳定性、石油组分与矿物表面的粘附性能、聚合物降解、金属腐蚀等油田化学问题的研究以及相应化学药剂的设计。

3 分子模拟技术在油田化学及相关领域中的应用前景

随着社会的快速发展，对于油气资源的需求量也越来越多，面对资源日益枯竭的现状，挖掘 老油田的潜力以及寻找新储量就成了当下世界各个产油国油气生产的主要举措。因为单井开采深度在不断的增加，油井勘探难度也在不断的加大，过去传统的研究方法已经适应不了变化了的勘测条件，很难对地下的复杂情况有一个清楚全面的洞察，而利用分子模拟技术能够设计出合适的油田化学，也可以帮助油田化学家探索化学现象的微观本质，促进石油工作者对地下情况的更深一步的了解。而且在油气勘探开发数值模拟过程中，分子模拟技术也是一个至关重要的组成部分[5]。目前，英国天然气公司、莫比尔、哈里伯顿、斯伦贝谢、英国石油公司等著名的油气公司都在利用分子模拟公司的软件辅助研究一些与化学有关的油气开采问题，并设计了油田化学剂。当下还有许多大型油气公司采用的分子模拟技术软件是由BIOSYM公司提供的。目前这两家公司已经进行了合并，他们各自旗下的CERIUS2和INSIGHT II软件也在逐渐融合。

4 结语

尽管当前我国对于分子模拟技术在油田化学中的应用还没有进行详细的报道，但是在将来，定量和半定量地研究油田化学和相关领域中的问题，将分子模拟等计算化学方法和软件应用到油气工业中是我国油田化学发展的必然之势。

参考文献：

[1] 杜磊，上官昌淮，林修洲.分子模拟辅助油气田缓蚀剂研究进展[J]. 四川理工学院学报（自然科学版）. 2013（01）.

[2] 徐加放，付元强，田太行，孙泽宁，刘洪军，孙中富. 蒙脱石水化机理的分子模拟[J]. 钻井液与完井液. 2012（04） .

[3] 刘海莲，刘姝，任瑞霞，宋雯雯. 分子模拟技术在分子筛的吸附扩散研究中的应用[J]. 化学与黏合. 2011（04） .

[4] 韦珩.低渗透油藏双子表面活性剂分形研究与分子模拟[D]. 中国科学院研究生院（渗流流体力学研究所2011 .

[5] 李璇.超临界CO2—共溶剂二元体系溶质偏摩尔体积的测定及分子间相互作用的分子模拟[D]. 北京化工大学2014.