計(jì)秉玉，方吉超，楊 書(shū)，胡 勇

（中國(guó)石化 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 102206）

深化到分子層面的認(rèn)識(shí)與控制已成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一種必然趨勢(shì)。例如，分子生物學(xué)的誕生成為生物學(xué)革命性發(fā)展的標(biāo)志［1-2］。分子煉油概念的提出及其技術(shù)的實(shí)施，使得大幅度提高油品的價(jià)值成為石油加工領(lǐng)域追求的目標(biāo)［3-4］。此外，分子設(shè)計(jì)與控制在新材料科學(xué)、醫(yī)藥制造等方面正產(chǎn)生著巨大的變革性作用［5-6］。因此，以分子動(dòng)力學(xué)和量子化學(xué)計(jì)算為代表的分子模擬技術(shù)結(jié)合以色譜、光譜、質(zhì)譜分析與核磁共振等為代表的現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)形成的方法論已經(jīng)得到學(xué)術(shù)界、工業(yè)界的高度重視。

油氣田開(kāi)發(fā)技術(shù)水平提高依賴(lài)現(xiàn)代科學(xué)前沿技術(shù)的發(fā)展［7］。傳統(tǒng)的油田開(kāi)發(fā)理論以流體力學(xué)、熱力學(xué)、物理化學(xué)等學(xué)科為基礎(chǔ)，具有唯象方面的特征，適用于巖心到油藏的宏觀(guān)尺度應(yīng)用。但隨著油氣田開(kāi)采對(duì)象日趨復(fù)雜，亟需更加有效的開(kāi)發(fā)機(jī)理和方法，更具針對(duì)性、經(jīng)濟(jì)性、綠色環(huán)保的驅(qū)油劑。例如，特高含水老油田進(jìn)一步提高采收率、頁(yè)巖油氣田開(kāi)發(fā)及天然氣水合物開(kāi)采等，都面臨著許多科學(xué)難題和技術(shù)挑戰(zhàn)。因此，有必要從分子層面深入開(kāi)展理論研究，設(shè)計(jì)和操控功能用劑的分子結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)的變革性進(jìn)步。

筆者基于團(tuán)隊(duì)近幾年研究實(shí)踐和體會(huì)，提出了分子采油（包括分子采氣，下同）的概念，并對(duì)其內(nèi)涵、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析。認(rèn)為分子采油目前主要涉及3 個(gè)方面：①?gòu)姆肿訉用嫔罨J(rèn)識(shí)油氣與巖石礦物間相互作用、油氣微觀(guān)賦存方式及驅(qū)油劑分子作用機(jī)制等，提出更加有效的剩余油開(kāi)采新方法；②以針對(duì)性驅(qū)油機(jī)理為指導(dǎo)，從分子層面（含量子化學(xué)計(jì)算）開(kāi)展驅(qū)油劑、調(diào)堵劑及其他油田化學(xué)助劑的設(shè)計(jì)與合成；③基于分子層面理論新認(rèn)識(shí)，研發(fā)采油工程相關(guān)材料。本文主要以分子動(dòng)力學(xué)模擬在油氣藏工程領(lǐng)域取得的部分成果與認(rèn)識(shí)為主線(xiàn)，對(duì)前兩個(gè)方面進(jìn)行討論。

1 相關(guān)研究成果概述

在油氣開(kāi)采方面，許多專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究，發(fā)表了一系列文章，極大地充實(shí)了分子采油的內(nèi)涵與方法。

1.1 表面活性劑驅(qū)油方面

利用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，研究了表活劑、油、水和巖石系統(tǒng)中分子層面的相互作用［8-10］。表面活性劑主要包括陰離子、陽(yáng)離子、非離子和兩性離子4 種類(lèi)型，原油既有辛烷、十二烷等理想模擬油，也有考慮了飽和烴、芳香烴、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的復(fù)雜原油模型，巖石類(lèi)型包括石英、長(zhǎng)石、菱鐵礦和白云石等。

在稠油化學(xué)驅(qū)方面，通過(guò)量子化學(xué)計(jì)算、分子動(dòng)力學(xué)模擬等手段研究表面活性劑與膠質(zhì)瀝青分子間相互作用、稠油締合致黏機(jī)理和表面活性劑降黏機(jī)理。在稀油化學(xué)驅(qū)方面，研究分子類(lèi)型和pH值等因素對(duì)表面活性劑的吸附特征、界面能、界面膜厚度和界面張力的影響規(guī)律，明確巖石表面粗糙度及水動(dòng)力學(xué)條件等對(duì)油膜剝離效果的影響機(jī)制，揭示潤(rùn)濕性調(diào)控機(jī)理和油膜型剩余油剝離機(jī)理。此外，在納米顆粒剝離油膜、微乳液剝離油膜等方面也開(kāi)展了一些研究。

1.2 聚合物驅(qū)油方面

利用分子動(dòng)力學(xué)模擬手段研究了含鹽量、高價(jià)離子、水化蒙脫土和表面活性劑等因素對(duì)部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）的分子構(gòu)象、體系黏度、流體力學(xué)半徑、回旋半徑和特性黏數(shù)等參數(shù)的影響［11-13］。同時(shí)，也開(kāi)展了分子層面的耐鹽聚合物設(shè)計(jì)和交聯(lián)聚合物模型設(shè)計(jì)。

1.3 CO2-EOR方面

研究CO2與聚合物分子側(cè)鏈酯基、醚基等基團(tuán)的相互作用，闡明聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對(duì)CO2流動(dòng)性的影響，為超臨界CO2的增稠劑分子設(shè)計(jì)提供依據(jù)［14-15］。研究CO2與頁(yè)巖、原油之間相互作用，分析CO2在巖石表面形成層膜置換原油以及溶解增加原油膨脹能機(jī)理。

總之，在利用分子動(dòng)力學(xué)、量子化學(xué)計(jì)算等分子模擬技術(shù)從分子層面認(rèn)識(shí)油氣開(kāi)采機(jī)理、設(shè)計(jì)驅(qū)油劑分子等方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量工作，但大多數(shù)研究中采用的原油組分相對(duì)簡(jiǎn)單，主要有辛烷、十二烷等“理想油”，與真實(shí)原油多類(lèi)型分子的復(fù)雜混合體差別較大。同時(shí)，模擬的環(huán)境參數(shù)如溫度、壓力等也偏離油藏條件。研究成果偏于學(xué)術(shù)性，還沒(méi)有達(dá)到實(shí)用程度，但這些工作為分子采油概念的推出，學(xué)科的建立和工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1.4 存在問(wèn)題

1）原油組成多樣，包括有機(jī)、無(wú)機(jī)、極性、離子等。分子結(jié)構(gòu)尺度差異較大，如瀝青及其締合體的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于甲烷分子幾個(gè)量級(jí)。巖石表面礦物類(lèi)型不同，主要有石英、碳酸鈣、蒙脫石等。這些因素給分子建模及分子力場(chǎng)選擇帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。

2）盡管目前CPU+GPU 等高速計(jì)算模式在分子模擬方面得到充分應(yīng)用，但模擬體系分子個(gè)數(shù)仍然受限。而分子模擬關(guān)鍵參數(shù)、現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)系綜需要以一定的分子個(gè)數(shù)作為基礎(chǔ)。

3）時(shí)間尺度皮秒、納秒級(jí)，空間尺度納米級(jí)，與大尺度的油藏模型耦合存在巨大困難，目前主要提供一些定性的認(rèn)識(shí)。

2 基于分子動(dòng)力學(xué)的分子采油部分研究進(jìn)展

2.1 基于分子層次的稠油開(kāi)發(fā)機(jī)理研究與降黏劑研發(fā)

運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，深入到分子層次，研究稠油組成分子間相互作用，揭示其致黏機(jī)理。同時(shí)，研究油藏注入流體與原油、巖石之間的相互作用，針對(duì)性設(shè)計(jì)化學(xué)降黏劑，實(shí)現(xiàn)靶向降黏。

1）基于分子層次的稠油致黏機(jī)理認(rèn)識(shí)

黏度是影響原油產(chǎn)量和采收率的主要因素，對(duì)于稠油更是如此［16-17］。有效降黏已經(jīng)成為稠油高效動(dòng)用和提高采收率的根本舉措。稠油致黏的本質(zhì)是各種復(fù)雜大分子間的相互作用導(dǎo)致稠油體系黏度上升。從分子層面深入認(rèn)識(shí)稠油致黏機(jī)理，并提出分子降黏控制方法，是實(shí)現(xiàn)稠油針對(duì)性降黏的關(guān)鍵。分子動(dòng)力學(xué)模擬理所當(dāng)然成為分子層面認(rèn)識(shí)其致黏機(jī)理的有力工具。通過(guò)紅外光譜、高分辨率質(zhì)譜等現(xiàn)代分析手段確定稠油分子組成、認(rèn)識(shí)分子結(jié)構(gòu)、建立分子模型，應(yīng)用最小能量原理優(yōu)化分子體系模型，采用Maxwell-Boltzmman方法確定分子初始速率，選擇合適的力場(chǎng)參數(shù)即可開(kāi)展分子動(dòng)力學(xué)模擬。由于黏度是輸運(yùn)參數(shù)，可以運(yùn)用外加擾動(dòng)力場(chǎng)的方法，模擬體系剪切的非平衡過(guò)程，再通過(guò)統(tǒng)計(jì)力學(xué)的系綜概念進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，即可深化對(duì)分子致黏機(jī)理的認(rèn)識(shí)。

研究表明（圖1），瀝青質(zhì)分子優(yōu)先通過(guò)片狀結(jié)構(gòu)的π-π 堆積作用形成締合體，締合體向外依次主要分布膠質(zhì)分、芳香分和飽和分。以締合體為中心，各組分形成類(lèi)膠體結(jié)構(gòu)，輕質(zhì)組分構(gòu)成類(lèi)膠體結(jié)構(gòu)的分散介質(zhì)。通過(guò)膠質(zhì)中雜原子與石油酸、H2O 的氫鍵橋接作用，羧酸基團(tuán)與Ca2+配位作用等，形成以締合體為基本單元的稠油分子聯(lián)合體，這種復(fù)雜的多層級(jí)聯(lián)合體結(jié)構(gòu)是稠油致黏的關(guān)鍵。締合體-聯(lián)合體致黏理論的提出將傳統(tǒng)膠質(zhì)、瀝青質(zhì)堆積致黏機(jī)理深化到分子層次，也使人們認(rèn)識(shí)到降黏的有效手段是針對(duì)性設(shè)計(jì)降黏劑分子，破壞締合體-聯(lián)合體結(jié)構(gòu)。

圖1 稠油分子締合體-聯(lián)合體分子模擬及結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Molecular simulation and structure diagram of heavy oil molecular association-combination

2）稠油化學(xué)降黏機(jī)理

與熱采方法依靠升溫加大分子熱運(yùn)動(dòng)、減弱分子間相互作用降黏機(jī)理不同，化學(xué)降黏機(jī)理有分散降黏和乳化降黏兩種方式［18-19］。分散降黏主要是利用高分子表活劑與稠油分子間的嵌入作用，從分子層面設(shè)計(jì)能與目標(biāo)稠油瀝青質(zhì)形成更強(qiáng)分子間相互作用的降黏劑分子，使其參與瀝青質(zhì)分子聚結(jié)堆積，削弱瀝青質(zhì)分子間的π-π作用，破壞體系中瀝青質(zhì)締合結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到稠油降黏的目的。分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果表明，加入降黏劑后，瀝青質(zhì)團(tuán)簇尺寸變小，聚集程度變低，達(dá)到了稠油分散降黏的效果。乳化降黏是通過(guò)表面活性劑降低界面張力作用，使注入水或地層水與稠油形成水包油乳液，將由分子間相互作用控制的稠油黏度進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)橐运疄橥庀嗫刂频娜橐后w系黏度，最終實(shí)現(xiàn)稠油大幅度降黏。在稠油降黏開(kāi)采過(guò)程中，分散降黏與乳化降黏往往同時(shí)存在，以其中一種降黏作用為主。

3）基于分子動(dòng)力學(xué)的降黏劑優(yōu)化設(shè)計(jì)

在分子層面，稠油化學(xué)復(fù)合驅(qū)的本質(zhì)是通過(guò)油、水和降黏劑分子間的相互作用，形成適于多孔介質(zhì)流動(dòng)的復(fù)合體系，這給降黏劑分子設(shè)計(jì)提供了靶向目標(biāo)。降黏劑分子設(shè)計(jì)主要包括水溶性降黏劑分子設(shè)計(jì)和油溶性降黏劑分子設(shè)計(jì)。

水溶性降黏劑分子設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是利于稠油與水形成水包油乳液體系，乳滴粒徑小且較為穩(wěn)定，便于水驅(qū)攜帶。另外，水包油乳液的形成是一種相界面增加的過(guò)程，水包油乳液自身也是一種熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，需要降黏劑有效降低油水界面能。因此，降黏劑需要具有較好的水溶性、較低的油水界面張力和較強(qiáng)的稠油締合體-聯(lián)合體結(jié)構(gòu)破壞能力等。在分子設(shè)計(jì)上，以聚丙烯酰胺為骨架，加入強(qiáng)活性的磺酸基團(tuán)、拆散瀝青質(zhì)締合體-聯(lián)合體結(jié)構(gòu)和防止瀝青質(zhì)再聚集的兒茶酚基團(tuán)，設(shè)計(jì)水溶、強(qiáng)活性和高降黏特性的降黏劑分子結(jié)構(gòu)。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬，以瀝青質(zhì)-瀝青質(zhì)徑向分布函數(shù)和油水界面能量最低為主要優(yōu)化指標(biāo)，進(jìn)一步優(yōu)化分子中氮形態(tài)、苯環(huán)形態(tài)及單體配比等參數(shù)，最終形成三元共聚高分子降黏劑（圖2）。室內(nèi)合成評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的水溶性降黏劑在加量0.5 %～1.0 %、油（孤島油田稠油，黏度3 560 mPa·s）/水比3∶7時(shí)，降黏率可達(dá)95 %～98 %，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖2 一種水溶性降黏劑分子設(shè)計(jì)Fig.2 Molecular design of a water-soluble viscosity reducer

與水溶性降黏劑作用機(jī)理和適用環(huán)境不同，油溶性降黏劑更為直接地參與稠油分子自組裝行為，破壞稠油締合體-聯(lián)合體結(jié)構(gòu)并防止其再次生成，這要求降黏劑分子對(duì)稠油締合體-聯(lián)合體結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的滲透性，能夠打開(kāi)瀝青質(zhì)分子片層間的π-π 堆積，破壞膠質(zhì)、瀝青質(zhì)分子中的氫鍵位點(diǎn)等。在分子設(shè)計(jì)上，以油溶性碳骨架為基礎(chǔ)，增加滲透性強(qiáng)的烷基側(cè)鏈、能夠打開(kāi)π-π 堆積的苯環(huán)基團(tuán)和多個(gè)氫鍵作用位點(diǎn)的羥基酰胺基團(tuán)等［20］。另外，為了增強(qiáng)降黏劑分子的回收再利用性能，減少其對(duì)采出原油性質(zhì)的影響，設(shè)計(jì)了可接枝的磁性鈉米粒子。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算，優(yōu)化納米粒子類(lèi)型、硅烷偶連劑結(jié)構(gòu)及共聚單體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)合成可磁回收的高效油溶性降黏劑分子（圖3）。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的油溶性降黏劑在加量1.6 %（降黏劑有效含量5 %）時(shí)，稠油油樣（陳平油田，黏度15 632 mPa?s）表觀(guān)降黏率為72.2 %，降黏劑室內(nèi)磁回收率最高可達(dá)76.4 %。

圖3 一種油溶性可回收降黏劑分子設(shè)計(jì)Fig.3 Molecular design of an oil soluble and recoverable viscosity reducer

2.2 頁(yè)巖氣微觀(guān)賦存特征與流動(dòng)機(jī)理研究

頁(yè)巖氣藏不僅納米級(jí)孔隙發(fā)育，而且有機(jī)干酪根孔隙與無(wú)機(jī)孔隙并存，有機(jī)孔隙直徑集中分布在5～50 nm，無(wú)機(jī)孔隙直徑集中分布在50～200 nm［21-25］。固體與流體吸附作用、滑脫作用等更加強(qiáng)烈，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)難以認(rèn)識(shí)，為此筆者所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)以涪陵頁(yè)巖氣田儲(chǔ)層條件為背景，利用分子動(dòng)力學(xué)和蒙特卡洛模擬方法，開(kāi)展了頁(yè)巖氣微觀(guān)賦存特征與流動(dòng)機(jī)理研究。

1）建立干酪根分子模型及孔隙模型

根據(jù)干酪根沉積來(lái)源及熱演化程度確定干酪根分子結(jié)構(gòu)，并據(jù)此重構(gòu)干酪根孔隙結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)干酪根造孔方法存在異常表面能、真實(shí)性較差的缺點(diǎn)，能夠生成任意形狀、大小的干酪根孔隙，建立了干酪根納米孔隙甲烷吸附模擬方法。

應(yīng)用鏡質(zhì)體反射率（Ro）與H/C 和O/C 原子比的相關(guān)關(guān)系，重構(gòu)干酪根分子模型（圖4）和典型無(wú)機(jī)礦物表面，如二氧化硅、碳酸鈣、高嶺石、蒙脫石等表面分子模型。流體主要為CH4和H2O。

圖4 重構(gòu)干酪根分子模型及干酪根孔隙模型Fig.4 Reconstruction of kerogen molecule model and kerogen pore model

2）CH4賦存特征與吸附規(guī)律

頁(yè)巖儲(chǔ)層內(nèi)氣體的賦存空間呈現(xiàn)典型的多尺度特征，可分為有機(jī)孔、無(wú)機(jī)孔和微裂縫3 類(lèi)。其中有機(jī)孔和無(wú)機(jī)孔是CH4的主要賦存空間。兩類(lèi)孔隙的壁面組成、吸附性質(zhì)、空間結(jié)構(gòu)差異極大。因此，對(duì)有機(jī)孔隙和無(wú)機(jī)孔隙內(nèi)的氣體賦存和流動(dòng)問(wèn)題分別進(jìn)行研究，并取得以下認(rèn)識(shí)。

涪陵頁(yè)巖儲(chǔ)層中有機(jī)孔隙與無(wú)機(jī)孔隙的總體積基本相當(dāng)，但有機(jī)孔隙的表面積是無(wú)機(jī)孔隙的3.7 倍。基于龍馬溪組條件重構(gòu)的干酪根孔隙進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬研究，發(fā)現(xiàn)CH4在頁(yè)巖中賦存狀態(tài)可以劃分成吸附區(qū)與自由區(qū)（圖5，圖6），吸附氣與游離氣比例約為5∶1 左右。吸附氣高密度，游離氣低密度，平均密度比值約為3∶1。

圖5 3 nm半徑干酪根孔隙中吸附平衡態(tài)時(shí)甲烷密度分布（300.0 K，38 MPa）Fig.5 Methane density distribution in adsorption equilibrium state in kerogen pores with 3 nm radius（300.0 K，38 MPa）

圖6 干酪根孔隙內(nèi)甲烷吸附密度分布（300.0 K，5.0 MPa）Fig.6 Distribution of methane adsorption density in kerogen pores（300.0 K，5.0 MPa）

低壓條件下，有機(jī)質(zhì)及無(wú)機(jī)礦物表面的甲烷均為單層吸附，吸附等溫曲線(xiàn)滿(mǎn)足Langmuir 方程。高壓情況下，吸附層體積不可忽略，此時(shí)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定結(jié)果應(yīng)該進(jìn)行修正。

有機(jī)孔隙表面疏水親氣（圖7），無(wú)機(jī)孔隙表面親水疏氣，水分子可吸附在無(wú)機(jī)孔隙表面，形成剛性水膜，占據(jù)孔隙空間，降低有效孔隙度（圖8）。水膜厚度受氣體濕度、礦物類(lèi)型和孔隙直徑影響。分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)構(gòu)表明孔隙含水越多、直徑越小，水對(duì)CH4的競(jìng)爭(zhēng)吸附效應(yīng)越明顯。

圖7 干酪根表面甲烷-水分子共存態(tài)（300.0 K，38 MPa）Fig.7 Coexistence of methane and water molecules on kerogen surface（300.0 K，38 MPa）

圖8 石英表面甲烷-水分子吸附平衡態(tài)（300.0 K，38 MPa）Fig.8 Adsorption equilibrium of methane and water molecules on quartz surface（300.0 K，38 MPa）

3）頁(yè)巖氣流動(dòng)規(guī)律

運(yùn)用非平衡態(tài)分子動(dòng)力學(xué)方法模擬氣體流動(dòng)，利用外加力場(chǎng)法（EFM）和反彈粒子法（RPM）模擬壓差，建立了頁(yè)巖儲(chǔ)層納米孔隙內(nèi)氣體流動(dòng)的分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，并針干酪根壁面（圖9）、伊利石壁面（圖10）孔隙開(kāi)展模擬研究。

圖9 干酪根壁面孔隙中氣體流動(dòng)速度剖面Fig.9 Gas flow velocity profile in kerogen wall pore

圖10 伊利石壁面孔隙中氣體流動(dòng)速度剖面Fig.10 Gas flow velocity profile in illite wall pores

研究結(jié)果表明，涪陵頁(yè)巖儲(chǔ)層的納米級(jí)孔隙內(nèi)CH4吸附區(qū)密度大，流動(dòng)慢，在壁面存在一定的氣體滑脫效應(yīng)；CH4自由區(qū)密度小，黏度小，流動(dòng)快，與吸附區(qū)具有不同的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)；提取速度剖面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)特征已經(jīng)脫離泊肅葉方程所具有的拋物線(xiàn)形狀，因而在利用泊肅葉方程或達(dá)西定律研究頁(yè)巖氣儲(chǔ)層滲流時(shí)需要進(jìn)一步修正。

3 分子采油領(lǐng)域的幾點(diǎn)展望

分子采油（采氣）的概念及相應(yīng)的方法涵蓋油氣田開(kāi)發(fā)和提高采收率的多個(gè)領(lǐng)域。本文僅就下面幾個(gè)重要領(lǐng)域進(jìn)行展望。

3.1 化學(xué)驅(qū)油機(jī)理

化學(xué)驅(qū)油過(guò)程實(shí)際上是注入的化學(xué)劑與儲(chǔ)層流體和巖石間的分子間相互作用，在分子層面改善儲(chǔ)層驅(qū)替條件，使更多的原油“動(dòng)起來(lái)”，流向井筒。分子動(dòng)力學(xué)模擬將成為實(shí)現(xiàn)分子采油目標(biāo)的有效手段，搭建化學(xué)劑、界面物理化學(xué)特性和驅(qū)油效率的橋梁，從分子層面定量研究油-水-巖石間相互作用，揭示界面潤(rùn)濕性改變和黏附功降低等微觀(guān)機(jī)理，深入認(rèn)識(shí)并提出化學(xué)驅(qū)油新機(jī)理。

以?xún)?chǔ)層原油類(lèi)型、巖石特征及儲(chǔ)層流體條件為基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)開(kāi)采新機(jī)理為目標(biāo)，從分子層面優(yōu)化驅(qū)油劑分子組成、功能團(tuán)類(lèi)型、分子結(jié)構(gòu)等，設(shè)計(jì)更具有針對(duì)性的化學(xué)驅(qū)油劑，實(shí)現(xiàn)靶向驅(qū)油。深入認(rèn)識(shí)油藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中化學(xué)劑體系色譜分離效應(yīng)和原油組分動(dòng)態(tài)變化特征，揭示高含水開(kāi)發(fā)后期化學(xué)劑體系協(xié)同規(guī)律、原油組分變化規(guī)律及原油黏度上升機(jī)制。從分子層面適時(shí)微調(diào)化學(xué)驅(qū)油劑分子結(jié)構(gòu)與組成、流體注入?yún)?shù)等，對(duì)高含水油藏持續(xù)高效開(kāi)發(fā)具有重要意義。

目前，受限于化學(xué)驅(qū)機(jī)理認(rèn)識(shí)不夠深入及用劑功能達(dá)不到預(yù)期，以大慶油田和勝利油田為主的成熟化學(xué)驅(qū)區(qū)塊，仍有超過(guò)50 %的剩余油賦存于巖石孔隙內(nèi)難以采出。分子采油概念的提出，將為此類(lèi)剩余油精細(xì)開(kāi)采提出新方法，突破化學(xué)驅(qū)技術(shù)界限，為老油田進(jìn)一步提高采收率奠定基礎(chǔ)。

3.2 熱采機(jī)理

熱采是稠油最主要的開(kāi)發(fā)方式之一，以遼河、新疆和勝利為主的陸上油田稠油動(dòng)用儲(chǔ)量約28×108t，熱采年產(chǎn)量1 600×104t，但平均采收率僅約20 %，大量剩余油無(wú)法有效采出。分子采油概念的提出，將在分子層面深入研究高溫條件下稠油分子運(yùn)動(dòng)特征及其對(duì)黏度的影響，確定稠油流動(dòng)和儲(chǔ)層溫度最佳匹配關(guān)系，優(yōu)化熱采參數(shù)。定量研究熱采條件下稠油吸附/解吸附特性和潤(rùn)濕性改變機(jī)制，明確化學(xué)劑與熱聯(lián)合作用機(jī)理，提出更加高效的化學(xué)劑作用靶點(diǎn)，針對(duì)性設(shè)計(jì)靶向化學(xué)劑分子結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升熱采動(dòng)用界限，提高稠油熱采采收率。

3.3 CO2驅(qū)機(jī)理

CO2驅(qū)及CCUS 技術(shù)是油氣田開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的重要方法和途徑，也是進(jìn)一步提高采收率的重要方法。目前CO2驅(qū)雖然取得一定的效果，但作用機(jī)理還不完善。通過(guò)分子采油方法，可以開(kāi)展CO2分子與原油分子間相互作用定量研究，深化認(rèn)識(shí)CO2在原油中的擴(kuò)散、溶解和萃取等作用，闡述其降低原油黏度、增加原油彈性能機(jī)理，精細(xì)調(diào)整混相控制參數(shù)，降低最小混相壓力，提出改善CO2驅(qū)油效率新方法，助力實(shí)現(xiàn)油氣田的綠色、低碳、高效開(kāi)發(fā)。

3.4 低礦化度水驅(qū)機(jī)理

由于水資源相對(duì)豐富、成本低廉，能夠有效補(bǔ)充地層能量，驅(qū)替原油流入采油井，使得注水開(kāi)發(fā)已成為目前油田應(yīng)用最廣、最成熟的采油技術(shù)。特別是海上油田開(kāi)采，海水資源豐富，礦化度相對(duì)較低。分子采油概念的提出，可以深入分子層面研究低礦化度水改變儲(chǔ)層潤(rùn)濕性、降低殘余油飽和度及提高采收率的機(jī)理，為注入水離子分布設(shè)計(jì)和水型優(yōu)化提供依據(jù)。另外，分子采油還可以研究低礦化度水對(duì)儲(chǔ)層礦物特性的影響，進(jìn)而揭示不同注水倍數(shù)情況下黏土礦物潤(rùn)濕性變化規(guī)律，為宏觀(guān)數(shù)值模擬技術(shù)提供儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)物性參數(shù)。

3.5 頁(yè)巖油氣開(kāi)采機(jī)理

頁(yè)巖油氣是中國(guó)重要的油氣接替能源，但效益開(kāi)發(fā)技術(shù)還未成熟，大量的頁(yè)巖油氣未得到高效開(kāi)采。分子采油概念的提出，可以深入研究頁(yè)巖氣儲(chǔ)層富含的有機(jī)質(zhì)與甲烷分子吸附作用，明確吸附氣與游離氣主要賦存方式、頁(yè)巖氣吸附-解吸附規(guī)律及滲流規(guī)律，針對(duì)性提出頁(yè)巖油氣開(kāi)發(fā)新方法，奠定規(guī)模化高效開(kāi)發(fā)與穩(wěn)產(chǎn)基礎(chǔ)。另外，隨著CO2研究的深入，在分子層面揭示注CO2置換解吸附機(jī)理，明確其在頁(yè)巖儲(chǔ)層微納尺度孔隙中的擴(kuò)散傳質(zhì)規(guī)律，為提高頁(yè)巖油氣采收率和CO2封存潛力評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

3.6 天然氣水合物開(kāi)采機(jī)理

天然氣水合物分布于深?；蛴谰脙鐾林校淙紵髢H生成二氧化碳和水，儲(chǔ)量巨大且無(wú)污染，被公認(rèn)為石油資源的接替能源，但天然氣水合物還未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化開(kāi)采。分子采油概念的提出，可以深入分子層面研究天然氣水合物特殊結(jié)構(gòu)，明確CH4等烴類(lèi)氣體在冰空間點(diǎn)陣空穴中的賦存方式，揭示加熱、降壓、CO2置換、化學(xué)劑抑制等開(kāi)發(fā)天然氣水合物的復(fù)雜物理化學(xué)機(jī)理，為進(jìn)一步探索和優(yōu)化天然氣水合物經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)采方式提供理論依據(jù)。

3.7 與其他學(xué)科技術(shù)的關(guān)聯(lián)

1）分子動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)與現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)如分子光譜、核磁共振、X 射線(xiàn)衍射等相結(jié)合，是建立正確的分子模型、分子力場(chǎng)和提高分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果可信度的重要保證，也是實(shí)現(xiàn)分子采油的重要途徑之一。

2）以分子動(dòng)力學(xué)模擬為主的分子采油技術(shù)與格子玻爾茲曼方法（LBM）、油藏模擬方法的多尺度耦合也是一個(gè)重要發(fā)展方向。

3）基于分子采油內(nèi)涵，從分子層面優(yōu)化設(shè)計(jì)壓裂液、調(diào)堵劑以及相關(guān)的管柱材料，是實(shí)現(xiàn)技術(shù)先進(jìn)、成本低廉油氣田開(kāi)發(fā)的重要保障。

4 結(jié)論

1）分子模擬方法（主要包括量子化學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)、蒙特卡洛模擬和粗?；肿觿?dòng)力學(xué)方法）正在日益成為主要的科學(xué)研究手段，對(duì)材料制造以及煉油等領(lǐng)域帶來(lái)了革命性技術(shù)進(jìn)步。毫不例外，以分子模擬為主的分子采油技術(shù)也將會(huì)成為油氣開(kāi)采領(lǐng)域的重要方法，應(yīng)當(dāng)引起高度重視。

2）油氣開(kāi)采對(duì)象日趨復(fù)雜，需要革命性的開(kāi)發(fā)機(jī)理、方法和技術(shù)突破，必須采用分子模擬與現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)相結(jié)合的方法深入分子層面開(kāi)展研究。分子采油時(shí)代即將到來(lái)，基于分子采油的理論、方法以及新型驅(qū)油材料即將涌現(xiàn)，將極大地豐富分子采油與油氣田開(kāi)發(fā)理論，促進(jìn)開(kāi)發(fā)技術(shù)水平的提高。

3）不同尺度模擬方法相結(jié)合已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì)。分子采油將為L(zhǎng)BM、油藏?cái)?shù)值模擬等宏觀(guān)模擬方法提供基礎(chǔ)，也為驅(qū)油劑、調(diào)堵劑等油田化學(xué)劑的組成與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

致謝：張軍、李振、夏淑倩、韓優(yōu)等參與了本文部分研究工作，在此一并表示感謝。