喬少珂

摘 要：分子模擬是近幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)計(jì)算化學(xué)技術(shù)，其中包括蒙特卡洛、分子動(dòng)力學(xué)、布朗動(dòng)力學(xué)、分子力學(xué)、量子力學(xué)等計(jì)算方法。本文圍繞分子模擬技術(shù)在油田化學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用展開(kāi)了較為詳細(xì)的敘述，并在文章最后指出了分子模擬技術(shù)未來(lái)的應(yīng)用前景和發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：分子模擬技術(shù)；油田化學(xué)；催化劑研制；高分子設(shè)計(jì)

1分子模擬技術(shù)在油田化學(xué)方面的應(yīng)用

隨著單井開(kāi)采深度的增加，勘測(cè)難度也在不斷的加大，以往常規(guī)的研究方法已經(jīng)不能對(duì)地下復(fù)雜的情況進(jìn)行詳細(xì)全面的洞察，借助分子模擬技術(shù)能夠很好的解決這一問(wèn)題。

1.1 對(duì)粘土礦物的膨脹情況的研究

油氣勘探開(kāi)采活動(dòng)的直接作用對(duì)象就是粘土礦物，進(jìn)行油氣鉆采作業(yè)時(shí)首先需要考慮的問(wèn)題就是如何防止粘土發(fā)生運(yùn)移、分散、膨脹。Shell公司的研究人員通過(guò)對(duì)蒙脫石的水化膨脹激勵(lì)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(gè)穩(wěn)定態(tài)，這項(xiàng)模擬結(jié)果十分吻合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[1]。而Delville用居正則系統(tǒng)蒙特卡洛方法研究了粘土層間水的性質(zhì)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(jié)晶生長(zhǎng)和表面形態(tài)

判斷油氣沉積環(huán)境的一個(gè)重要因素就是碳酸鹽礦物，而且粘土礦物學(xué)研究的一個(gè)重要課題也是碳酸鹽的結(jié)晶以及表面生長(zhǎng)情況?；谀芰孔钚』?，Parker等人利用BIOSYM公司的分子圖形學(xué)軟件進(jìn)行了能預(yù)測(cè)碳酸鹽礦物的成長(zhǎng)速度、形態(tài)、表面結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模擬，并對(duì)溫度對(duì)熱容和自由能等熱力學(xué)性質(zhì)的影響進(jìn)行了考察，分別在原子級(jí)水平和固體Born模型的基礎(chǔ)上探測(cè)了碳酸鹽礦物扥表面結(jié)構(gòu)合原子間的相互作用勢(shì)。除此之外還研究了不純物質(zhì)和外加劑對(duì)結(jié)晶生長(zhǎng)和表面結(jié)構(gòu)的影響，解釋了磷酸鹽抑制成核的機(jī)理。

1.3 膠束模型的分子動(dòng)力學(xué)模擬

雖然目前對(duì)于表面活性劑形成的膠束內(nèi)部結(jié)構(gòu)還沒(méi)有一個(gè)清楚全面的認(rèn)識(shí)，但是表面活性劑對(duì)油氣開(kāi)采的作用是非常重要的。Karaborni等人用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法對(duì)鏈長(zhǎng)、端基性質(zhì)對(duì)膠束內(nèi)部鏈構(gòu)象、膠束形狀、膠束內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了研究，模擬結(jié)果顯示膠束聚集體的結(jié)構(gòu)與烴類似，膠束內(nèi)部結(jié)構(gòu)取決于膠束溶劑、鏈的長(zhǎng)度、端基大小的相互作用。

1.4 微乳液平衡態(tài)性質(zhì)的模

微乳液、水、油共存的三相平衡問(wèn)題是在油水表面油性劑構(gòu)成的三元體系中的一個(gè)設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)力學(xué)的問(wèn)題。Gunn和Larson根據(jù)網(wǎng)絡(luò)模型采取蒙特卡洛方法對(duì)表面活性劑形成的微乳液、水、油之間的平衡態(tài)性質(zhì)進(jìn)行了模擬研究，并對(duì)擴(kuò)張系數(shù)、表面張力等數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算，得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。

1.5 模擬分子在多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散

大分子、小分子在多孔介質(zhì)中的傳輸和擴(kuò)散對(duì)于三次采油、過(guò)濾、色譜等問(wèn)題的研究具有重要意義。Sorbie等人利用蒙特卡洛方法根據(jù)網(wǎng)絡(luò)模型模擬了大分子和小分子示蹤劑在多孔介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)進(jìn)行了模擬研究[2]，結(jié)果顯示相較于小分子，在一定的流速區(qū)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(kuò)散時(shí)發(fā)現(xiàn)在界面區(qū)小分子的擴(kuò)散是各向異性的。

1.6 模擬瀝青質(zhì)的沉積

影響油氣生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)囊粋€(gè)重要問(wèn)題就是油井結(jié)蠟和瀝青質(zhì)。為了解決油井的清防蠟問(wèn)題，油田化學(xué)家們分別從宏觀角度進(jìn)行了研究并提出了許多模型。而巴西科學(xué)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(zhì)的沉積過(guò)程，通過(guò)對(duì)瀝青質(zhì)的形成和生長(zhǎng)過(guò)程的研究，得出的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相吻合。

2 輔助油田化學(xué)劑分子設(shè)計(jì)

當(dāng)下油田化學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)熱門研究課題及時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的低值條件和工藝要求設(shè)計(jì)油氣的開(kāi)采、開(kāi)發(fā)、集輸用化學(xué)劑，這也是當(dāng)代油田化學(xué)家需要解決的主要問(wèn)題。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)手段的限制，對(duì)于油田化學(xué)劑發(fā)生作用的環(huán)境中的具體作用過(guò)程[3]，油田化學(xué)家很難親眼看到，所以他們?cè)谶M(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)多半是憑借自己的推測(cè)和經(jīng)驗(yàn)。分子模擬技術(shù)憑借其對(duì)分子的運(yùn)動(dòng)行為、分子間的相互作用以及分子結(jié)構(gòu)等精準(zhǔn)描述，再加上清晰的動(dòng)畫和圖像顯示能夠很好的輔助研究。利用分子模型技術(shù)中的三維QSAR分析技術(shù)，還能夠預(yù)測(cè)其化學(xué)與物理性質(zhì)并能輔助新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。

2.1 粘土穩(wěn)定劑的設(shè)計(jì)

在對(duì)油氣進(jìn)行開(kāi)采、開(kāi)發(fā)時(shí)，外來(lái)流體進(jìn)入地層中會(huì)造成粘土運(yùn)移、分散、膨脹的問(wèn)題，致使地層滲透率下降，從而降低油氣產(chǎn)量，因此研究有效的粘土穩(wěn)定劑就成了當(dāng)下首要解決的問(wèn)題。利用分子模擬技術(shù)，哈里伯頓公司的研究人員利用粘土的X射線晶體學(xué)數(shù)據(jù)建立了粘土模型，并將設(shè)計(jì)出的粘土穩(wěn)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(wěn)定劑，當(dāng)其進(jìn)入層間后就又吸附在了粘土片的六角形環(huán)中。如果粘土穩(wěn)定劑的體積較大，當(dāng)其進(jìn)入層間后就會(huì)將粘土晶片撐開(kāi)使粘土發(fā)生膨脹，而剛好嵌在層間的有效的粘土穩(wěn)定劑能夠瞬時(shí)發(fā)揮作用，防止水分子的進(jìn)入，避免粘土膨脹。

2.2 設(shè)計(jì)阻垢劑

阻垢劑的作用在于阻止、破壞結(jié)垢分子形成晶體。利用分子模擬技術(shù)能夠使油田化學(xué)家在微觀上構(gòu)筑出結(jié)垢分子晶體的表面，之后在該表面上放置設(shè)計(jì)好的阻垢劑分子，按照結(jié)合能最低的原則進(jìn)行能量?jī)?yōu)化，在這一過(guò)程中觀察這個(gè)阻垢劑分子的空間取向，觀察進(jìn)入表面晶格的方式、所親合的集團(tuán)和在晶體表面所處的部位。利用分子模擬技術(shù)可在計(jì)算機(jī)屏幕上現(xiàn)實(shí)模擬過(guò)程，不僅可以基于分子水平了解阻垢機(jī)理，還可以在合成阻垢劑之前就確定能嵌入結(jié)垢體晶格表面的有效阻垢劑，因此能夠?qū)⒂吞锘瘜W(xué)家的工作負(fù)擔(dān)大大降低。通過(guò)對(duì)分子模擬公司的CERIUS2軟件包的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)阻垢劑的設(shè)計(jì)。

2.3 其他化學(xué)劑的設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)分子模擬公司的CERIUS2軟件包的應(yīng)用還可以設(shè)計(jì)水泥漿凝結(jié)劑以及利用X射線衍射數(shù)據(jù)讀礦物樣品進(jìn)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(jìn)行清防蠟、粘度控制、粘土穩(wěn)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(xué)問(wèn)題的研究以及相應(yīng)化學(xué)藥劑的設(shè)計(jì)。

3 分子模擬技術(shù)在油田化學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，對(duì)于油氣資源的需求量也越來(lái)越多，面對(duì)資源日益枯竭的現(xiàn)狀，挖掘 老油田的潛力以及尋找新儲(chǔ)量就成了當(dāng)下世界各個(gè)產(chǎn)油國(guó)油氣生產(chǎn)的主要舉措。因?yàn)閱尉_(kāi)采深度在不斷的增加，油井勘探難度也在不斷的加大，過(guò)去傳統(tǒng)的研究方法已經(jīng)適應(yīng)不了變化了的勘測(cè)條件，很難對(duì)地下的復(fù)雜情況有一個(gè)清楚全面的洞察，而利用分子模擬技術(shù)能夠設(shè)計(jì)出合適的油田化學(xué)，也可以幫助油田化學(xué)家探索化學(xué)現(xiàn)象的微觀本質(zhì)，促進(jìn)石油工作者對(duì)地下情況的更深一步的了解。而且在油氣勘探開(kāi)發(fā)數(shù)值模擬過(guò)程中，分子模擬技術(shù)也是一個(gè)至關(guān)重要的組成部分[5]。目前，英國(guó)天然氣公司、莫比爾、哈里伯頓、斯倫貝謝、英國(guó)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(xué)有關(guān)的油氣開(kāi)采問(wèn)題，并設(shè)計(jì)了油田化學(xué)劑。當(dāng)下還有許多大型油氣公司采用的分子模擬技術(shù)軟件是由BIOSYM公司提供的。目前這兩家公司已經(jīng)進(jìn)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(jié)語(yǔ)

盡管當(dāng)前我國(guó)對(duì)于分子模擬技術(shù)在油田化學(xué)中的應(yīng)用還沒(méi)有進(jìn)行詳細(xì)的報(bào)道，但是在將來(lái)，定量和半定量地研究油田化學(xué)和相關(guān)領(lǐng)域中的問(wèn)題，將分子模擬等計(jì)算化學(xué)方法和軟件應(yīng)用到油氣工業(yè)中是我國(guó)油田化學(xué)發(fā)展的必然之勢(shì)。

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