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摘要：為促進(jìn)學(xué)科交叉融合的復(fù)合型人才培養(yǎng)，建立了基于微觀模擬的分子石油工程實(shí)驗(yàn)室。將材料科學(xué)的多尺度模擬技術(shù)應(yīng)用于石油工程領(lǐng)域，提出了分子石油工程概念，從分子層面和微納尺度上研究和揭示非常規(guī)油氣、頁巖油氣、深層油氣的賦存與滲流機(jī)制等。以高水平科研項(xiàng)目為依托，培養(yǎng)石油工程類學(xué)生的理性思維和材料科學(xué)學(xué)科學(xué)生的工程概念，推動(dòng)學(xué)生的跨學(xué)科培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：分子石油工程；微觀模擬；實(shí)驗(yàn)室建設(shè)；分子模擬

石油與天然氣依然是世界一次能源消費(fèi)的主體。世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源的需求，促進(jìn)了石油與天然氣工程理論與技術(shù)的高速發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)后，油氣鉆探、開采及儲(chǔ)運(yùn)的主客觀約束條件日趨復(fù)雜，非常規(guī)、超深層及深水油氣的勘探開發(fā)，不斷對(duì)石油與天然氣工程領(lǐng)域科技創(chuàng)新提出越來越高的新要求，促使其與力學(xué)、化學(xué)、地質(zhì)、材料、機(jī)械、電子、控制、環(huán)境等相關(guān)學(xué)科的聯(lián)系更加緊密。此外，伴隨信息、人工智能等領(lǐng)域的科技進(jìn)步，石油與天然氣工程逐步向著信息化、智能化及自動(dòng)化方向加速發(fā)展。然而，我國(guó)油氣資源相對(duì)缺乏，油氣消費(fèi)嚴(yán)重依賴進(jìn)口，據(jù)統(tǒng)計(jì)2019年石油進(jìn)口總量超過消費(fèi)總量的70%，天然氣進(jìn)口超過消費(fèi)總量的42%[1]。因此，本研究基于微觀模擬思維，將材料科學(xué)的多尺度模擬技術(shù)引入石油工程領(lǐng)域，建立了分子石油工程實(shí)驗(yàn)室，對(duì)促進(jìn)我國(guó)石油與天然氣復(fù)合型工程技術(shù)人才培養(yǎng)具有重要的意義。

1分子模擬技術(shù)及其應(yīng)用

1.1分子模擬

模擬技術(shù)是指利用相似原理建立研究對(duì)象的模型，如形象模型、描述模型、數(shù)學(xué)模型等，并通過模型間接地研究原型規(guī)律性的實(shí)驗(yàn)方法。分子模擬是指利用理論方法與計(jì)算技術(shù)，模擬或仿真分子運(yùn)動(dòng)的微觀行為，應(yīng)用于計(jì)算化學(xué)、計(jì)算生物學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域，小至單個(gè)化學(xué)分子，大至復(fù)雜生物體系或材料體系都可以成為它的研究載體。因此，計(jì)算機(jī)技術(shù)在科學(xué)研究方面的應(yīng)用廣泛性以及與其他學(xué)科的結(jié)合性已成為21世紀(jì)科技研究的大趨勢(shì)。分子模擬技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)在科研中的應(yīng)用而發(fā)展起來的一門新的科學(xué)，是計(jì)算機(jī)科學(xué)與基礎(chǔ)科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，也是數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的重要手段。在2020年的科學(xué)家座談會(huì)上，許多學(xué)者指出基礎(chǔ)研究是科技創(chuàng)新的源頭，要持之以恒地加強(qiáng)基礎(chǔ)研究工作及創(chuàng)新人才培養(yǎng)。通過已有的研究報(bào)告顯示，我國(guó)在應(yīng)用科技領(lǐng)域處于快速發(fā)展階段，每年的技術(shù)專利申報(bào)數(shù)和科技量在世界處于前列，但在基礎(chǔ)研究能力和基礎(chǔ)學(xué)科研究成果方面與發(fā)達(dá)國(guó)家相比具有明顯差距。我國(guó)“十四五”規(guī)劃將加大基礎(chǔ)研究和前沿科技領(lǐng)域研究的投入，以便逐步縮小這一差距。

1.2分子模擬技術(shù)的應(yīng)用

目前，分子模擬技術(shù)已廣泛應(yīng)用于藥物設(shè)計(jì)、生物科學(xué)、材料學(xué)、化學(xué)、石油化工等基礎(chǔ)研究和應(yīng)用領(lǐng)域，并快速向國(guó)民經(jīng)濟(jì)的其他領(lǐng)域推廣[2]，如分子模擬在藥物的研發(fā)以及預(yù)測(cè)藥物作用機(jī)制等方面已取得重要進(jìn)展[3-5]。最近，計(jì)算機(jī)模擬與現(xiàn)代機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的結(jié)合在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)方面也取得了振奮人心的成果，在解決經(jīng)典生物、化學(xué)等基礎(chǔ)問題上邁出了一大步，特別是為2020年的特性研究和疫苗的研發(fā)作出了重大貢獻(xiàn)。利用分子動(dòng)力學(xué)模擬、分子對(duì)接等技術(shù)研究與其對(duì)應(yīng)的宿主受體的結(jié)合過程、冠狀病毒的致病機(jī)制等，對(duì)病毒的分子層面進(jìn)行分析，這些研究加深了對(duì)冠狀病毒的認(rèn)識(shí)，同時(shí)對(duì)疫苗的設(shè)計(jì)具有重要的意義及價(jià)值[6-7]。未來隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件和算法的升級(jí)，分子模擬也將在各個(gè)領(lǐng)域的模擬尺度、數(shù)量和速度等方面取得突破，為社會(huì)發(fā)展和科學(xué)研究帶來不可估量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1.3分子石油工程概念的提出

在石油與天然氣工程領(lǐng)域，分子模擬技術(shù)已逐漸被廣大科研工作者熟知，并開始成為教學(xué)內(nèi)容的一部分和科學(xué)研究的技術(shù)手段之一。在多年研究的基礎(chǔ)上，我們?cè)?018年“石油工程鉆井液與完井液新技術(shù)研討會(huì)”上提出了分子石油工程的概念和設(shè)想[8]，得到了與會(huì)專家的一致認(rèn)可，并逐步推進(jìn)了分子石油工程實(shí)驗(yàn)室的研究與建設(shè)工作，目前已成為學(xué)生跨學(xué)科思維培養(yǎng)與科研素質(zhì)訓(xùn)練的重要基地和技術(shù)手段。

2石油與天然氣工程技術(shù)的研究與發(fā)展趨勢(shì)

2.1石油與天然氣工程

石油工程是石油與天然氣工程的簡(jiǎn)稱，是指圍繞石油、天然氣等地下油氣資源的鉆探、開采及儲(chǔ)運(yùn)而實(shí)施的知識(shí)、技術(shù)和資金密集型的一項(xiàng)系統(tǒng)工程，是運(yùn)用科學(xué)的理論、方法、技術(shù)和裝備高效地鉆探地下油氣資源，最大限度并有效地對(duì)地層中的油氣進(jìn)行鉆探和開采，安全高效地將油氣分離、計(jì)量與輸運(yùn)的工程技術(shù)領(lǐng)域[9]。

2.2石油與天然氣工程技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)的工業(yè)發(fā)展已逐漸邁入世界先進(jìn)行列，在未來的能源多樣化利用上，需求量會(huì)越來越大[1]。石油與天然氣工程技術(shù)是滿足我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中對(duì)石油能源供應(yīng)的重要手段，要彌補(bǔ)我國(guó)能源短缺的短板和擺脫能源利用的束縛，需要積極進(jìn)行石油和天然氣工程技術(shù)創(chuàng)新。在提高傳統(tǒng)的低滲儲(chǔ)層中的原油和稠油采收率和利用率的同時(shí)，也需要積極尋找新的能源開發(fā)領(lǐng)域，如海洋石油、天然氣水合物、頁巖油氣等。針對(duì)目前鉆井開發(fā)過程中的低孔、低滲、低采收率和多相滲流等問題，石油與天然氣工程技術(shù)的發(fā)展由常規(guī)轉(zhuǎn)向非常規(guī)，由淺層、中深層向深層、超深層發(fā)展，由傳統(tǒng)的油氣向油氣水合物發(fā)展，由孔隙尺度的滲流向微納尺度的擴(kuò)散運(yùn)移發(fā)展。微觀尺度研究方法在分析鉆井、儲(chǔ)層描述與改造、提高采收率等領(lǐng)域逐漸凸顯其重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值和基礎(chǔ)性研究意義[10]。

2.3石油與天然氣工程技術(shù)研究方法的發(fā)展趨勢(shì)

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)以及實(shí)驗(yàn)儀器的不斷進(jìn)步，石油工程技術(shù)研究呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢(shì)。

（1）實(shí)驗(yàn)技術(shù)細(xì)觀化。現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)和分析方法發(fā)展迅速，在石油工業(yè)中常用的現(xiàn)代分析測(cè)試方法可分為定性分析方法和定量分析方法。前者包括外觀、密度、硬度、溶解性、折射率、軟化點(diǎn)或熔點(diǎn)等；后者則包括X射線衍射分析、電子顯微分析、原子力顯微分析、熱分析，以及紫外吸收光譜法、紅外吸收光譜法、激光拉曼光譜法、核磁共振波譜法、質(zhì)譜法，還包括元素測(cè)定、官能團(tuán)的測(cè)定等。這些實(shí)驗(yàn)方法使人們對(duì)石油工程問題的認(rèn)識(shí)走向細(xì)觀。

（2）計(jì)算方法數(shù)字化。依靠電子計(jì)算機(jī)，結(jié)合有限元或有限容積的概念，通過數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法，達(dá)到對(duì)工程問題和物理問題乃至自然界各類問題研究的目的。在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)特定的計(jì)算，非常類似于履行一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)。此時(shí)，分析人員已跳出了數(shù)學(xué)方程的約束來對(duì)待物理現(xiàn)象的發(fā)生，就像做一次物理實(shí)驗(yàn)。

（3）模擬研究?jī)蓸O化。工程技術(shù)問題的模擬研究主要有兩種趨向：一是趨向于工程實(shí)際，模擬對(duì)象無論是從尺度還是工藝都更加接近現(xiàn)場(chǎng)工況；二是趨向于微觀尺度，數(shù)值模型、分子模型的建立與模擬研究可以從微納米尺度甚至分子層面深入理解宏觀現(xiàn)象的微觀機(jī)理。

2.4分子模擬技術(shù)在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用

（1）非常規(guī)油氣儲(chǔ)存與滲流機(jī)理研究。非常規(guī)油氣儲(chǔ)層和頁巖氣儲(chǔ)層的油氣儲(chǔ)集空間和滲流通道極小，納米孔道成為非常規(guī)油氣的儲(chǔ)集空間和滲流通道，油氣滲流規(guī)律與常規(guī)儲(chǔ)層存在諸多區(qū)別，常規(guī)實(shí)驗(yàn)手段對(duì)于納米孔隙流體的描述出現(xiàn)了較多困難。因此，納米孔道的結(jié)構(gòu)和油氣滲流規(guī)律的描述需要更加細(xì)化，數(shù)字化技術(shù)和微觀模擬技術(shù)逐步發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)[11]。

（2）頁巖油氣的吸附、解吸與滲流機(jī)理研究。頁巖儲(chǔ)層孔隙細(xì)小并含有大量干酪根，油氣多以吸附態(tài)賦存其中，頁巖的微納孔隙既是頁巖油氣的儲(chǔ)集空間，也是其滲流通道，因此頁巖油氣的吸附與解吸附成為頁巖氣產(chǎn)量的決定性因素。頁巖氣的生產(chǎn)過程也就是吸附氣體的解吸附和滲流運(yùn)移的過程[12]。

（3）水合物成核、賦存、分解及置換機(jī)制研究。水合物儲(chǔ)量豐富，目前預(yù)測(cè)總有機(jī)碳儲(chǔ)量是煤、石油和天然氣總儲(chǔ)量之和的2倍，是當(dāng)前最具潛力的接替能源之一。同時(shí)，水合物又是油氣生產(chǎn)、集輸，特別是深水油氣田的潛在危害之一。迄今為止，水合物的成核、賦存、分解及置換機(jī)制尚不夠清晰，分子模擬研究不僅可以模擬上述機(jī)理，還可以研究水合物生成抑制劑和分解促進(jìn)劑的作用機(jī)制，為加速水合物開發(fā)和減少水合物的危害提供理論和技術(shù)支持。

（4）深層油氣賦存狀態(tài)及運(yùn)移機(jī)制研究。處于深部地層高溫高壓環(huán)境下的油氣賦存狀態(tài)和滲流規(guī)律與常規(guī)儲(chǔ)層發(fā)生了較大變化，其開發(fā)過程中環(huán)境因素，如溫度壓力變化等對(duì)油氣相態(tài)、賦存和滲流的影響規(guī)律需要深入研究，從而揭示深層油氣賦存和流動(dòng)的特殊性[13]。

（5）超臨界流體在石油工程中的應(yīng)用研究。超臨界二氧化碳在油氣鉆探、開發(fā)中的應(yīng)用已十分廣泛，無論是超臨界二氧化碳作為鉆井流體的相變機(jī)制，還是三次采油中洗油、滲流、驅(qū)替機(jī)制，或壓裂過程中增黏、攜巖機(jī)制都需要從微觀層面上進(jìn)行深入研究[14]。

（6）油田化學(xué)劑的作用機(jī)理研究。化學(xué)劑在油田生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，包括油氣井鉆探，油氣開發(fā)過程中的驅(qū)油、防蠟、防垢，油氣集輸過程中的降凝、減阻，以及油氣生產(chǎn)廢棄物的處理與再利用等，都用到大量的化學(xué)劑。化學(xué)劑的種類、加量的優(yōu)化合成以及化學(xué)劑與作用對(duì)象間的物理化學(xué)反應(yīng)等都可以通過分子模擬手段進(jìn)行深入研究[15]。

3分子石油工程實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

以石油與天然氣工程技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合信息化及智能化技術(shù)，構(gòu)建了分子石油工程實(shí)驗(yàn)室，其中包括微尺度描述與計(jì)算實(shí)驗(yàn)室、物理化學(xué)反應(yīng)機(jī)理模擬實(shí)驗(yàn)室、油田化學(xué)劑分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究實(shí)驗(yàn)室，以適應(yīng)石油與天然氣工程發(fā)展的需要及這一領(lǐng)域人才培養(yǎng)的要求。

3.1微尺度描述與計(jì)算實(shí)驗(yàn)室

（1）地層物性研究。油氣賦存于地層的孔隙和裂縫之中，同時(shí)這些孔隙和裂縫又是油氣滲流的通道。地下油氣通過地層中的孔隙和裂縫在地層壓力的作用下，流向井眼，然后被采至地面，輸送至煉廠加工成為成品油氣。然而，油氣往往深埋于地下幾百米至幾千米，若要將油氣開采至地面，必須建立油氣儲(chǔ)層與地面的聯(lián)通通道，即油氣井。在油氣井的鉆探過程中，原始地層不斷被鉆開，井眼的鉆探破壞了地層原始的應(yīng)力平衡，并且外來流體（鉆井液）與地層開始接觸，發(fā)生濾失、滲透、水化等物理化學(xué)反應(yīng)，造成井壁巖石強(qiáng)度下降、井眼坍塌，甚至無法完成井眼的鉆探。該問題在水平井、大位移井、頁巖氣井等鉆探過程中顯得更為突出。此外，在油氣開采過程中，地層出砂、外來流體侵入等還會(huì)造成儲(chǔ)層敏感。

（2）流體物性研究。石油工程流體主要涉及油、氣、水等。油又可進(jìn)一步分為原油、柴油、礦物油等，氣則包括天然氣、空氣、二氧化碳等，水包括淡水、海水、鹽水等。同時(shí)，在石油工程流體中又有可能分散或溶有固相物和化學(xué)劑，如鹽、表面活性劑、高分子聚合物、膨潤(rùn)土等。因此，石油工程流體的描述不僅包括流體的流動(dòng)特性，如黏度、切力、剪切速率等，還包括組成、分子間作用、吸附與解吸附狀態(tài)等。

3.2物理化學(xué)反應(yīng)機(jī)理模擬實(shí)驗(yàn)室

（1）流固反應(yīng)機(jī)理。油氣水在地層孔隙的滲流過程中，流體與地層可能發(fā)生各種各樣的物理化學(xué)反應(yīng)，如黏土礦物的水化反應(yīng)等。黏土礦物作為巖石的主要組分之一，不僅大量存在于泥頁巖和砂巖當(dāng)中，也存在于部分變質(zhì)巖、花崗巖等中。黏土礦物的存在及其水化可以引起井壁的不穩(wěn)定、儲(chǔ)層的污染等一系列問題。

（2）化學(xué)劑分子作用機(jī)理。隨著油氣采出程度的提高，水驅(qū)、聚合物驅(qū)、堿驅(qū)、表面活性劑驅(qū)、熱力驅(qū)、超臨界二氧化碳驅(qū)油等新方法不斷涌現(xiàn)，油氣滲流過程中不僅會(huì)與地層之間發(fā)生大量的物理化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)也會(huì)與外來流體（驅(qū)油劑）之間發(fā)生大量物理化學(xué)反應(yīng)，例如堿與油中酸的反應(yīng)。這些物理化學(xué)反應(yīng)的過程和微觀機(jī)理描述都需要分子模擬。

（3）水合物成核、分解與置換機(jī)理。天然氣水合物由于其分布廣泛、儲(chǔ)量巨大和高效清潔等優(yōu)點(diǎn)成為世界各國(guó)爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)，到目前為止，已有80多個(gè)國(guó)家和地區(qū)參與了天然氣水合物的研究工作。水合物開采技術(shù)的研究和創(chuàng)新也成為迫切攻克的技術(shù)高地，熱激法、降壓法、化學(xué)抑制劑法和二氧化碳置換等方法被不斷提出，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M與試開采。此外，水合物技術(shù)在海水淡化、溶液提純、氣體分離、天然氣儲(chǔ)運(yùn)、蓄冷及制冷和二氧化碳深海儲(chǔ)藏等領(lǐng)域也取得了不同程度的進(jìn)展。實(shí)驗(yàn)研究中關(guān)于水合物形成、分解和熱力學(xué)等方面已取得眾多成果，然而由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)和手段的限制，在分子尺度上無法得到明確的解釋。分子模擬方法是理解水合物分子尺度上形成與分解微觀機(jī)理的重要工具，多孔介質(zhì)、鹽水和不同氣體等復(fù)雜環(huán)境下的水合物成核和分解的物理化學(xué)機(jī)制需要通過分子模擬進(jìn)一步闡明。

3.3油田化學(xué)劑分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究實(shí)驗(yàn)室

石油工程中的化學(xué)劑種類繁多，包括鉆井液化學(xué)劑、提高采收率化學(xué)劑、集輸化學(xué)劑、水合物抑制劑等，不同化學(xué)劑的分子結(jié)構(gòu)千差萬別，其功能也大不相同。即使同類化學(xué)劑在相同的作業(yè)過程中的作用機(jī)理也不一樣，如十二烷基磺酸鈉和十二烷基苯磺酸鈉同樣作為驅(qū)油劑，其驅(qū)油效率和在地層的吸附不盡相同，PVP和PVCap同樣作為水合物抑制劑，其作用機(jī)理和作用效果亦有所區(qū)別。分子模擬技術(shù)不僅可以對(duì)油田化學(xué)劑的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以提高處理劑的作用效率，還可以對(duì)其種類、加量、匹配關(guān)系等進(jìn)行優(yōu)化，提高作業(yè)效率、降低作業(yè)成本。

4結(jié)語

微觀模擬研究是當(dāng)前石油工程技術(shù)研究發(fā)展的一個(gè)重要方向，分子石油工程已成為石油工程領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。分子石油工程具有明確的內(nèi)涵和研究對(duì)象，可以從微觀尺度探索石油工程問題的運(yùn)行機(jī)理，為解決石油工業(yè)中的科學(xué)問題提供一種有效的研究方法。截至目前，分子石油工程實(shí)驗(yàn)室已培養(yǎng)博士近10人、碩士20余人，承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、“973”課題、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等近30項(xiàng)，在ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica、NatureCommunications、JournaloftheAmericanChemicalSociety、Nanoscale等國(guó)際知名期刊數(shù)十篇，為石油工程專業(yè)開設(shè)了材料多尺度模擬課程，為材料科學(xué)專業(yè)開設(shè)了石油工程概論課程，有力推進(jìn)了分子模擬技術(shù)在石油與天然氣工程領(lǐng)域的應(yīng)用，培養(yǎng)了工科學(xué)生的理科思維和理科學(xué)生的工程概念，促進(jìn)了跨學(xué)科學(xué)生的培養(yǎng)。

作者：徐加放 薛迦文 李愛華 張軍 陳杰 燕友果 單位：中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院 中國(guó)石油大學(xué)（華東）非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室