分子模拟技术在天然气水合物相变机理方面的研究进展及应用

孙金声，廖波，王金堂,3，吕开河，王玉斗，王韧，白宇靖，姜海洋，邵子桦

(1.中国石油大学(华东)石油工程学院，山东青岛，266580；2.中国石油集团工程技术研究院有限公司，北京，102206；3.南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)，广东广州，523936；4.中国石油大学(华东)理学院，山东青岛，266580)

天然气水合物是我国重要的战略接替资源[1-4]，但与石油、天然气以及煤炭等资源相比，天然气水合物钻采难度更大，其中天然气水合物相变是导致钻采难度大的主要原因之一。在钻井过程中，工作液与储层发生传质传热，诱发天然气水合物的分解，影响工作液性能[5-8]。水合物在井筒中二次生成，影响安全高效钻井。在开采过程中，如何有效促进储层水合物分解、抑制井筒水合物生成[9-10]、保障井筒流动安全是水合物高效开采的关键[11-14]。深入理解天然气水合物相变机理对天然气水合物安全高效开采具有重要意义[7-8,15]。传统的实验方法大多从宏观尺度研究天然气水合物钻采过程中的相变规律，无法从分子尺度解释天然气水合物体系的相态变化机理。

分子动力学模拟技术是一门结合物理、数学和化学的综合技术，已被广泛应用于石油、化工、食品、制药和航空航天等工业领域[16]。分子模拟严格可分为分子动力学模拟与蒙特卡洛模拟。蒙特卡洛模拟算法简单，但大体上只能计算体系一些与动力学无关的平衡态性质，比如能量、比热容等，而分子动力学模拟既可以计算与动力学无关的性质，也可以计算与动力学相关的性质，比如扩散系数、热导率和黏度等。水合物的成核、生长及分解过程是一个动态过程，因此，多数研究者便倾向于使用分子动力学模拟来研究水合物相关机理。近年来，分子模拟在天然气水合物形成/分解动力学的基础理论研究中发挥越来越重要的作用。从分子尺度上精确描述井筒工作液处理剂与水合物分子之间的相互作用以及分子运动行为，揭示井筒工作液处理剂的作用机理，可为高效研发处理剂提供理论指导，进而为天然气水合物高效钻采提供理论依据与支撑。

本文通过文献调研，总结了分子模拟技术在天然气水合物相变机理、天然气水合物生成抑制剂、天然气水合物分解抑制剂及钻采领域上的研究进展，并对分子模拟在天然气水合物钻采领域的未来发展方向进行了展望。

1 分子模拟技术在天然气水合物相变机理方面的研究进展

天然气水合物生成与分解热力学实验已经相对成熟，但仍有许多尚未解决的问题，其中天然气水合物成核、生长和分解是关于笼形水合物科学研究方面最重要且尚未解决的问题[17]。深入研究天然气水合物相变机理将极大促进天然气水合物抑制剂的研制，为保障安全高效钻井提供基础理论支撑。

1.1 天然气水合物成核微观机理

了解天然气水合物微观形成过程对厘清天然气水合物的成核机理及天然气水合物的开采、储存和运输均具有重要意义。过去几十年里，研究水合物成核的实验手段主要依靠电子显微镜进行观测，很难进行定量分析[18]。即使利用现有最先进的设备，也难实现实时探测。此外，受研究手段的限制，人们对水合物的成核机制始终未能达成共识。随着分子模拟技术的应用，出现了各种成核假说[19]，包括经典成核理论[20-21]、不稳定团簇成核假说[22-23]、界面成核假说[24]、局部成核假说[25]、“blob”成核假说[26]、多尺度成核假说[27]等。水合物分子笼和晶体结构如图1所示[28]。

CHRISTIANSEN 等[22-23]提出不稳定团簇成核假说，认为气体分子溶于溶液中时，在一定条件下溶液中首先会形成多面体笼状水团簇，然后，水团簇结构会吸附气体分子进入并相互聚结，从而形成晶核，如图2所示[22]。RADHAKRISHNAN等[25]提出了局部成核假说，认为溶液中的客体分子在热扰动下会首先形成有序结构，进而吸引水分子在其周围形成局部的有序结构，随着有序结构聚集成长到临界尺寸，便形成了水合物晶核。鉴于水分子笼对甲烷分子的吸附作用，GUO 等[29]进一步开展约束型分子动力学模拟计算，并提出了笼子吸附假说。JACOBSON等[26]提出了“blob”成核机理，认为成核过程分为2个阶段：客体分子和水分子聚集形成无序团簇(“blob”)；当形成的团簇足够大时，团簇内客体和水分子的排列逐渐与笼状水合物几何结构一致，水合物快速生成，如图3所示[26]。WALSH 等[30]在微秒尺度下模拟了天然气水合物成核和生长过程，发现在成核和生长的过程中共用面的小晶核首先形成，随后形成大晶核，最终形成由51263晶核连接的sI 型和sII 型水合物晶体混合结构。

近年来，研究人员通过分子动力学模拟研究水合物成核机制并取得一定进展[25-26,31]。成核机制研究主要是针对甲烷水合物，也有部分研究涉及到其他类型客体分子[26,32-37]。LI 等[38]分析分子动力学模拟轨迹，发现了甲烷水合物的独特成核/生长途径。水合物成核过程中有一条稳定的水结构演化路径，三元水环聚集体(TWRA)为表征成核途径的基本结构，如图4所示[38]。

因此，提出控制甲烷水合物成核的有效方法是在成核过程中改变水化层的压缩/脱落过程。新型水合物生成抑制剂应当针对水化层进行设计，关键基团可以有效改变水化层的压缩/脱落过程，控制甲烷水合物的成核，进而实现水合物生成抑制剂的靶向抑制。

1.2 天然气水合物分解机理

人们采用分子模拟对水合物晶核分解动力学行为的研究较晚[21,39]，对天然气水合物开采过程中的分解动力学过程还未能很好描述。从分子层面上研究天然气水合物的微观分解机制有助于掌握水合物的分解本质，为宏观规律的研究提供重要支撑。现阶段，针对水合物在微纳米尺度上的分解行为的研究主要围绕3个问题展开：

1)水合物晶体相变分解具体过程；

2)外部因素对于水合物分解速率的影响，包括温度、压力、水客体分子种类、盐溶液和外加电场等因素；

3)水合物分解过程中以及分解后，晶核中的客体分子(甲烷)逐渐释放出来后在溶液中的扩散行为、运移规律以及其对水合物晶核的进一步分解的影响。

根据分子模拟研究结果，水合物相分解过程可分为均相分解和非均相分解。微观分解行为的研究始于BÁEZL 等[40]通过MD 模拟甲烷水合物的生长与分解动力学过程。根据模拟结果，对于水合物相整体而言，分解本质上是一种随机过程，是由表及里以一种递进式、随机逐层剥离的方式进行；而对于水合物笼而言，其解离过程是从水合物表面部分笼型氢键结构发生亚稳态瓦解变形开始，接着笼中甲烷分子扩散出晶笼，该扩散过程同时也加速促进水合物笼的分解进程，从整体来说，可导致纳米晶粒表面出现一系列快速衰变并形成过渡态，RESHADI 等[41]在研究II 水合物分解过程时也证实该分解过程。

LIU 等[42]利用分子模拟在CVFF 力场下二氧化碳水合物的分解过程。二氧化碳水合物分解过程大致可分为3个连续阶段：

1)作为晶体骨架的主体水分子发生扭曲破坏；

2)被包裹在水合物笼空腔中的二氧化碳分子从水合物笼扩散到液相，部分二氧化碳溶解，部分二氧化碳析出形成小的二氧化碳气泡；

3)二氧化碳晶体最终分解完，而此时二氧化碳分子大量聚集形成较大的纳米级气泡。

该研究还表明水合物的分解行为不仅与二氧化碳的整体占有率有关，而且与二氧化碳分子在不同类型水合物笼中的占有率有关，在相同的整体占有率条件下，二氧化碳分子占据I型水合物小笼子比例越高，越促进水合物分解。

微观分解行为研究较关注的第2个问题是外部环境变化(如温度、压力、不同客体分子及化学试剂等)对水合物分解行为的影响。ENGLISH 等[43-45]研究了球状晶粒以及二维甲烷水合物体系在电磁场和常规加热微扰条件下的分解过程，同时研究二氧化碳水合物的分解界面，得出与BÁEZ等[40]相似的结论，并发现甲烷分子的扩散对于水合物的分解过程起到至关重要的作用。

SARUPRIA等[46]通过MD模拟二氧化碳水合物分解过程，考虑水合物笼的占有率与温度对水合物分解速率的影响，并跟踪二氧化碳分子解吸附进入液相的过程，发现笼占有率越高，水合物越稳定，且小笼比大笼稳定。

2 分子模拟技术在天然气水合物钻井领域的应用

以水平井为代表的复杂结构井是未来天然气水合物商业化开采的主流井型，2020年中国第二轮海域天然气水合物试采中采用水平井钻井技术，有效提高了产气规模。在天然气水合物钻井过程中，天然气水合物相变对钻井安全产生重大影响：

1)钻遇储层时，天然气水合物易分解造成井壁失稳，在复杂结构井更为严重；

2)分解的气体与环空流体上返过程中遇到海底低温高压环境，易二次生成天然气水合物，堵塞井筒环空，流动安全保障困难大。

天然气水合物相变机理分子模拟技术在钻井领域主要应用于研发井筒工作液添加剂、研究天然气水合物与井筒工作液组分相互作用机制及天然气水合物在材料表面生长特征。

2.1 天然气水合物生成抑制剂及作用机理

天然气水合物的生成过程是一个类似结晶的复杂的多元、多相传热传质过程，是基于系统的吉布斯自由能而自发进行的，主要包括2个连续的物理过程：成核与生长[47-48]。目前使用的抑制剂可分为热力学抑制剂和动力学抑制剂[49-52]。水合物热力学抑制剂一般以盐类为主，而动力学抑制剂一般为聚合物，例如聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯己内酰胺(PVCap)、乙烯己内酰胺和乙烯吡咯烷酮共聚物(Ploy(VC/VP))以及甲基丙烯酸二甲氨基乙酯三聚物(VC-713)，此类聚合物结构如图5所示。近年来，研发经济高效的水合物动力学抑制剂逐步成为研究热点[31]。分子模拟可以从微观层面出发，分析模拟体系的结构性质和运动特性。KVAMME 等[53]开展了利用分子动力学选择水合物抑制剂的研究。研究人员提出了多种抑制机理，常见的3种抑制机理[54-56](如图6所示)为：

1)水合物成核时期抑制剂的扰乱机理；

2)水合物生长时期抑制剂的吸附抑制机理；

3)水合物生长时期层传质阻碍机理。

2.1.1 聚合物类生成抑制剂

CARVER 等[57]利用分子模拟研究了PVP 在水合物表面的作用机理，发现PVP 主要是通过氨基的氢键以及环与水合物表面的范德华力相互作用与水合物结合，从而抑制水合物的生长。PVCap抑制水合物晶核生长的机理和PVP 的抑制机理类似，主要基于吸附-抑制理论进行解释，其与水合物的相互作用分子模拟被广泛研究。YAGASAKI等[58]根据图7所示分子动力学模拟轨迹发现，当PVCap 吸附在水合物晶核表面时，水合物生长的表面呈漏斗状。PVCap 在水合物表面的吸附由内酰胺环的疏水部分引起，酰胺中的氧原子与水合物之间生成的氢键并不是主要原因。该研究还认为大多数的动力学抑制剂吸附于水合物表面，抑制水合物生长应与Gibbs-Thomson效应有关，但抑制剂吸附强度取决于其悬垂基团的大小和形状。

XU 等[59]对PVCap 在水合物表面吸附的分子模拟时也发现类似现象。在PVCap 作用下，水合物的层状生长界面转变为漏斗状生长界面进而延缓水合物生长，但PVCap 延缓水合物的生长不仅仅是因为其吸附于水合物表面产生空间位阻效应。PVCap 在水合物界面上的吸附过程如图8所示[59]，由图8可见：PVCap自身具有一些不倾向于与水合物结合的非结合水合物位点，PVCap 的杂环有助于吸附，但酰胺位于固液界面的交点处，对水合物没有吸附亲和力。因此，PVCap 吸附位点和非结合水合物位点的排列导致其于水合物的吸附是不稳定的，导致了水合物破坏现象，从而减缓了水合物的生长。此外，包玲[60]也重点研究了酰胺基在不同化学环境中对甲烷水合物的抑制作用，探讨了碳数和平面环结构对抑制性能的影响，并研究了含羟基的酰胺聚合物的抑制剂性能和酰胺基类抑制剂的抑制机理。基于以上研究，如何合理设计聚合物动力学抑制剂与水合物的非结合位点和结合位点(吸附位点)之间的关系是一个非常有价值的课题。

2.1.2 氨基酸类生成抑制剂

开发环境友好、可生物降解的抑制剂是未来海域天然气水合物抑制剂的发展趋势。传统的动力学抑制剂效果较好，但是生物降解性差，这阻碍了其在特定地区中的实际使用。研究人员开始致力于寻找环保型动力学抑制剂。氨基酸通常作为抑制天然气水合物的形成的绿色高效抑制剂，同时具有热力学和动力学抑制效果，对水合物开采、油气运输和流动保障十分重要。常用氨基酸结构式如图9所示，氨基酸的抑制性能受其侧链的疏水性的影响[61]。加入氨基酸并不改变甲烷水合物的相平衡线，氨基酸对水合物氢键网络的破坏作用是抑制水合物成核和生长的主要原因[62]。SA等[63]通过分子模拟直接观察到氨基酸对水结构的扰动，如图10所示[63]，还发现了氨基酸对水合物笼形成的选择性抑制。

LI 等[64]结合抗冻蛋白AFP 作用机理，基于分子模拟设计了一系列用于安全高效抑制水合物分解的含丙氨酸的短肽，其初始体系和短肽如图11所示[64]。该模拟从分子尺度揭示了含丙氨酸的肽分子与水合物表层结合的双甲基基团对接的机制，并根据吸附-抑制假设，解释了短肽的水合物生成抑制机理。此外，该研究还分析了肽分子的结构序列对于水合物生成的影响，这是从传统实验层面难以实现的。

陈玉龙[65]发现当氨基酸侧链上的碳原子数大于3且为强疏水性基团时，氨基酸分子会表现出促进效果。氨基酸分子在气液界面处的随机运动均不改变甲烷水合物的生长速度，但缬氨酸分子可在气液界面与水合物层间进行分子微搅动而加速传质过程，促进水合物的生长，即认为甲烷分子的传质路径是加快水合物生长的关键因素。

2.1.3 多糖类水合物抑制剂

多糖类水合物抑制剂也有较好的生物降解性。阿拉伯胶、海藻酸钠、瓜尔胶、羧甲基壳聚糖、纤维素和淀粉被认为是潜在的绿色抑制剂。这些多糖具有动力学抑制特性，这是因为多糖的脱水葡萄糖单元与亲水侧链内酰胺基团相似(如图12所示)，能够与水合物表面的开放半笼空腔结合，从而阻止甲烷分子参与成笼的概率，进而抑制水合物晶体的生长。这个过程示意图如图13所示。

与聚合物抑制剂PVP 的内酰胺基相比，多糖结构的脱水葡萄糖单元中的羟基具有更好的与水分子形成氢键的能力，因此，多糖的抑制性能会更好。同时，多糖间抑制性能的差异是由于它们的侧链不同。

1)瓜尔胶骨架结构上的侧链脱水葡萄糖基团可以增加其在水合物表面的吸附，从而有效降低水合物的生长速率。

2)海藻酸钠侧链官能团显著提高了其水溶性，表现出较好的抑制效果。

3)阿拉伯胶的多支链复杂的分子结构以阿拉伯半乳聚糖为主，这可能是其水合物抑制性能最差的原因。

4)部分多糖在不同温度下表现出不同的抑制性能，如阿拉伯胶在低过冷度下表现出较弱的水合物生成抑制作用，但当过冷度升高时，其开始表现出促进水合物形成的特性[66]。

海域天然气水合物处于含盐环境，研究者通过大量实验研究了含盐溶液中的天然气水合物成核及生长，但人们对其微观结构及相态的转变理解仍然有限。高浓度盐溶液对水合物的生长和成核均有显著抑制作用[67]，此外，离子的电荷和浓度均会影响水合物的形成，而且电荷的影响更显著。BAI等[68]通过分子模拟发现由于离子对其周围水分子的约束而形成水化层，从而降低了能够参与生成水合物的水分子总量。同时，盐离子会降低甲烷水合物的生长速度，盐溶液中的水分子相比纯水中的水分子需旋转更大的角度才能成核，这是抑制成核的另一个因素。从传质角度分析，盐离子对于甲烷分子的传质具有双重影响，即盐离子增加了甲烷的表观浓度，但同时抑制了甲烷分子的扩散。现有分子模拟结果证明，在一定条件下，低浓度的盐还会促进水合物的生成[69-70]。

2.2 天然气水合物分解抑制剂及作用机理

在天然气水合物钻探过程中，钻井液易与水合物储层之间发生传质传热，同时，钻头切削储层岩石也会释放大量热，当局部温度大于水合物稳定的临界值时，水合物分解。储层水合物分解产生的甲烷气体就会进入井筒工作液中，使井筒工作液密度下降，性能变差。同时，井底静水压力降低，从而加速水合物的分解。因此，深入了解水合物分解抑制剂作用机理、抑制储层水合物分解对于天然水合物的开采十分重要。

WANG 等[71]利用分子模拟解释了卵磷脂用于对水合物结构的稳定机理，如图14所示。分子模拟结果表明：卵磷脂-水合物体系总势能更低，结构更稳定；卵磷脂分子吸附在水合物晶体时会与其附近的其他卵磷脂分子相互作用，碳链之间相互交叉缠结，形成比较稳固的网状结构，阻止分解的水和气体分子扩散，从而缩小水合物甲烷和水分子的可运动空间，最终起到稳定水合物的作用。

表面活性剂促进成核的作用机制[72]被认为是其疏水尾端与水合物晶核表面发生强吸附，导致水合物变得更加稳定，同时，表活剂的吸附也改变水合物-水界面处的表面张力进而促进成核。表面活性剂在水和表面的吸附状态如图15所示[72]。在不同气水比下，表面活性剂促进水合物生成的机理不同。在低气水比下，表面活性剂促进水合物和水桥接水通道的形成；而在高气水比下，表面活性剂增加气水界面的曲率，进而加速水合物的形成[73]。

2.3 固体材料表面性质与水合物相互作用机理

钻井过程中涉及的固体材料表面可以粗分为井筒工作液固相材料表面(如膨润土)、储层矿物表面以及金属材料表面。厘清材料表面对于水合物成核、生长及分解的影响对于钻采安全十分重要。蒙脱石作为基浆的常见固相成分之一，也是水合物储层的主要成分，许多学者研究了蒙脱石表面的水合物稳定性。YAN 等[74]发现蒙脱石表面的硅氧结构促进水合物的稳定性。同时，甲烷水合物的形成和解离对多孔介质的晶体结构的影响很小[75]。

NGUYEN 等[76]研究了亲水表面及疏水表面对于水合物形成的影响，发现疏水表面促进水合物形成的机制在于甲烷分子在疏水表面上的吸附能力比水分子强，疏水表面上的甲烷分子浓度相对于亲水表面更高，局部成核驱动力更大，因此，疏水固体表面可有效促进天然气水合物的形成[76]。

ZI等[77]利用分子模拟研究了分别被水、轻油和含沥青质的重油覆盖的光滑和粗糙金属表面上甲烷水合物的形成，发现粗糙金属表面的凹槽有利于早期水合物的形成，这表明管道堵塞更可能由金属腐蚀或管道直径变化引起的凹面开始。

MA 等[78]在碳板上研究了水合物颗粒的稳定性，通过调整碳板与客体分子的相互作用参数，形成对客体分子有不同亲和力的表面，预测客体分子与固体界面相互作用强度对水合物晶核稳定性的影响。除上述研究外，研究人员还分析了多孔沉积物表面及纳米孔中的水合物生成[79]，考虑了尺寸效应[80]和固体表面束缚水厚度[81]等对水合物生长影响。

3 分子模拟技术在天然气水合物开采方法中的应用

传统天然气水合物开采方法通过改变储层稳定的低温、高压环境开采出天然气，采用的方法主要有热激发法、降压法、化学注射法和固态流化法。大量学者通过理论或模拟研究，继续探索一些新兴开采方法，如二氧化碳置换法和电磁场强化法。在天然气水合物开采过程中，相变及储层渗流多场时空演化复杂，受温度、压力、沉积物孔隙结构及粒度等多因素影响。通过分子模拟技术，从微观尺度阐明天然气水合物相变发生机理，可为天然气水合物开采方案的制定提供指导。目前，在二氧化碳置换法、电场强化法和化学注射法开采天然气水合物等方面应用分子模拟技术，揭示开采机理并提高开采效率。

3.1 二氧化碳置换法

二氧化碳和甲烷均可作为水合物客体分子，由于二氧化碳水合物的形成条件比甲烷水合物的形成条件更加温和，因此，在合适温度和压力条件下，二氧化碳分子可以取代甲烷分子形成二氧化碳水合物。OHGAKI等[82]采用二氧化碳开采天然气水合物，其工艺示意如图16所示，由图16可见：在一定的温度和压力条件下，向水合物储层中注入二氧化碳来开采储层中的甲烷，同时封存二氧化碳。在理想情况下，捕获二氧化碳的量与开采甲烷的量相同，故该生产过程可以实现碳平衡。

YEZDIMER 等[83]通过分子动力学模拟方法，发现二氧化碳置换天然气水合物的反应吉布斯自由能为负值，因此，二氧化碳置换甲烷水合物可以自发进行。BAI等[84]对置换过程进行了微秒级的分子动力学模拟，如图17所示，并提出置换过程是由客体分子化学能、记忆效应以及传质作用共同控制。置换过程分为2步：首先，甲烷水合物表面先分解；然后，二氧化碳在分解的表面上形成新的水合物。随着置换过程进行，在甲烷水合物表面形成无定形二氧化碳水合物层。无定形二氧化碳水合物层对客体分子的传质造成了障碍，不仅降低二氧化碳和甲烷之间的置换率，而且防止甲烷进一步分解。此外，置换速率及置换效率主要受水合物藏中沉积物的粒径分布、饱和度、渗透率及气体组分、盐度、注入物相态反应压力等因素影响[85]。

3.2 电场强化法

对水合物储层施加电场以加速储层中水合物的分解，这被认为是未来开采水合物的一种潜在方法。由于水分子是一种典型的极性分子，因此，外加电场会影响水合物晶核中水分子的取向，从而破坏水合物晶核中原有的氢键体系，最终对储层水合物相态产生影响[86]。但对储层施加较低强度的电场并不会显著影响水合物的相态[87]。

GHAANI等[88]对丙烷水合物体系施加外加静电场，使其在非平衡条件下分解，如图18所示。研究结果表明，弱外加静电场对丙烷水合物的分解影响不大，当静电场高于0.7 V/nm 时，初始分解速率和温度有较大变化，丙烷水合物构象在此电场强度下会扭曲甚至散架分解。同时，LUIS 等[89]发现当外加静电场足够强时，在特定温度和压力条件下水气体系水合物不生长，即电场可以抑制水合物生长。

XU 等[90]在温度为260 K 和压力为10 MPa 的条件下，采用分子动力学模拟研究了电场对于甲烷水合物的生长和解离影响，发现电场通过改变水分子的迁移进而控制水合物生长和解离。高于强度阈值(1.5 V/nm)的静电场可以诱导水分子沿电场方向排列，推动水合物分解。余弦振荡电场可以促进甲烷水合物生长和解离，不同频率的电场存在不同的临界场强，这些对甲烷水合物的生长或解离发挥积极作用。

3.3 化学注射法

化学注射法开采天然气是从井口附近注入如甲醇、乙二醇和二甘醇等化学试剂，破坏天然气水合物的相平衡条件使水合物分解出天然气。DAI等[91]借助分子动力学模拟，系统地研究了醇的链长、羟基位置和羟基数对甲烷水合物分解的影响，发现支链较短的醇有利于促进甲烷水合物的分解，缩短醇的链长和增加醇的羟基数有利于促进甲烷水合物分解。

4 分子模拟技术在天然气水合物研究中的应用展望

利用分子模拟方法可以深入了解水合物的生成与分解过程，从分子尺度研究天然气水合物相变机制，但水合物的分子模拟研究依然存在较多限制。天然气水合物-工作液分子模拟体系涉及井筒工作液组分、水分子、气体分子、黏土表面以及层间离子之间复杂的相互作用，分子动力学模拟技术虽然优势显著，但模型的建立和算法的选择仍需要大量的实验进行验证。

分子模拟技术在未来天然气水合物钻采研究中需要解决以下问题：

1)分子模拟的跨尺度应用难题。

2)需要开发合适的力场，准确描述天然气水合物储层中钻井液-水合物-黏土等间的相互作用。

3)考虑井筒工作液组分的协同作用机制，利用分子动力学模拟来设计处理剂分子结构、筛选聚合物反应单体、预测井筒工况下的水合物抑制剂性能，进而加快天然气水合物井筒工作液处理剂研发进度。

对于实验难度大的研究可以先利用分子模拟技术进行先导性研究论证，探明技术可行性，验证实验参数和实验条件，为实验指明方向。物理化学协同的天然气水合物开采技术可能是未来水合物开采的潜在手段。例如将二氧化碳置换法与电场强化开采技术结合的联合开采法，可利用电场破坏二氧化碳置换过程中生成的无定形二氧化碳水合物层，进而促进甲烷水合物分解，提高二氧化碳置换效率，最终提高天然气水合物开采效率。未来可利用分子模拟技术对相关机理进行研究，如二氧化碳置换法的温压条件与电场强度和频率的最优组合，物理化学开采方法的协同工艺等。

随着计算机计算速度的不断提升和分子模拟算法的迭代优化，分子模拟技术将成为未来研究天然气水合物的重要手段，特别是可为研发高效水合物钻完井液处理剂以及建立适用于水合物储层的开采方法提供更加有效的技术支撑。