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摘要：為促進學科交叉融合的復合型人才培養，建立了基于微觀模擬的分子石油工程實驗室。將材料科學的多尺度模擬技術應用于石油工程領域，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油氣、頁巖油氣、深層油氣的賦存與滲流機制等。以高水平科研項目為依托，培養石油工程類學生的理性思維和材料科學學科學生的工程概念，推動學生的跨學科培養。
關鍵詞：分子石油工程；微觀模擬；實驗室建設；分子模擬
石油與天然氣依然是世界一次能源消費的主體。世界經濟發展對能源的需求，促進了石油與天然氣工程理論與技術的高速發展。進入21世紀后，油氣鉆探、開采及儲運的主客觀約束條件日趨復雜，非常規、超深層及深水油氣的勘探開發，不斷對石油與天然氣工程領域科技創新提出越來越高的新要求，促使其與力學、化學、地質、材料、機械、電子、控制、環境等相關學科的聯系更加緊密。此外，伴隨信息、人工智能等領域的科技進步，石油與天然氣工程逐步向著信息化、智能化及自動化方向加速發展。然而，我國油氣資源相對缺乏，油氣消費嚴重依賴進口，據統計2019年石油進口總量超過消費總量的70%，天然氣進口超過消費總量的42%[1]。因此，本研究基于微觀模擬思維，將材料科學的多尺度模擬技術引入石油工程領域，建立了分子石油工程實驗室，對促進我國石油與天然氣復合型工程技術人才培養具有重要的意義。
1分子模擬技術及其應用
1.1分子模擬
模擬技術是指利用相似原理建立研究對象的模型，如形象模型、描述模型、數學模型等，并通過模型間接地研究原型規律性的實驗方法。分子模擬是指利用理論方法與計算技術，模擬或仿真分子運動的微觀行為，應用于計算化學、計算生物學、材料科學等領域，小至單個化學分子，大至復雜生物體系或材料體系都可以成為它的研究載體。因此，計算機技術在科學研究方面的應用廣泛性以及與其他學科的結合性已成為21世紀科技研究的大趨勢。分子模擬技術是隨著計算機在科研中的應用而發展起來的一門新的科學，是計算機科學與基礎科學相結合的產物，也是數學、物理、化學等學科領域基礎研究的重要手段。在2020年的科學家座談會上，許多學者指出基礎研究是科技創新的源頭，要持之以恒地加強基礎研究工作及創新人才培養。通過已有的研究報告顯示，我國在應用科技領域處于快速發展階段，每年的技術專利申報數和科技量在世界處于前列，但在基礎研究能力和基礎學科研究成果方面與發達國家相比具有明顯差距。我國“十四五”規劃將加大基礎研究和前沿科技領域研究的投入，以便逐步縮小這一差距。
1.2分子模擬技術的應用
目前，分子模擬技術已廣泛應用于藥物設計、生物科學、材料學、化學、石油化工等基礎研究和應用領域，并快速向國民經濟的其他領域推廣[2]，如分子模擬在藥物的研發以及預測藥物作用機制等方面已取得重要進展[3-5]。最近，計算機模擬與現代機器學習技術的結合在蛋白質結構的準確預測方面也取得了振奮人心的成果，在解決經典生物、化學等基礎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作出了重大貢獻。利用分子動力學模擬、分子對接等技術研究與其對應的宿主受體的結合過程、冠狀病毒的致病機制等，對病毒的分子層面進行分析，這些研究加深了對冠狀病毒的認識，同時對疫苗的設計具有重要的意義及價值[6-7]。未來隨著計算機硬件、軟件和算法的升級，分子模擬也將在各個領域的模擬尺度、數量和速度等方面取得突破，為社會發展和科學研究帶來不可估量的經濟價值。
1.3分子石油工程概念的提出
在石油與天然氣工程領域，分子模擬技術已逐漸被廣大科研工作者熟知，并開始成為教學內容的一部分和科學研究的技術手段之一。在多年研究的基礎上，我們在2018年“石油工程鉆井液與完井液新技術研討會”上提出了分子石油工程的概念和設想[8]，得到了與會專家的一致認可，并逐步推進了分子石油工程實驗室的研究與建設工作，目前已成為學生跨學科思維培養與科研素質訓練的重要基地和技術手段。
2石油與天然氣工程技術的研究與發展趨勢
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稱，是指圍繞石油、天然氣等地下油氣資源的鉆探、開采及儲運而實施的知識、技術和資金密集型的一項系統工程，是運用科學的理論、方法、技術和裝備高效地鉆探地下油氣資源，最大限度并有效地對地層中的油氣進行鉆探和開采，安全高效地將油氣分離、計量與輸運的工程技術領域[9]。
2.2石油與天然氣工程技術的發展趨勢
我國的工業發展已逐漸邁入世界先進行列，在未來的能源多樣化利用上，需求量會越來越大[1]。石油與天然氣工程技術是滿足我國經濟發展中對石油能源供應的重要手段，要彌補我國能源短缺的短板和擺脫能源利用的束縛，需要積極進行石油和天然氣工程技術創新。在提高傳統的低滲儲層中的原油和稠油采收率和利用率的同時，也需要積極尋找新的能源開發領域，如海洋石油、天然氣水合物、頁巖油氣等。針對目前鉆井開發過程中的低孔、低滲、低采收率和多相滲流等問題，石油與天然氣工程技術的發展由常規轉向非常規，由淺層、中深層向深層、超深層發展，由傳統的油氣向油氣水合物發展，由孔隙尺度的滲流向微納尺度的擴散運移發展。微觀尺度研究方法在分析鉆井、儲層描述與改造、提高采收率等領域逐漸凸顯其重要經濟價值和基礎性研究意義[10]。
2.3石油與天然氣工程技術研究方法的發展趨勢
近年來，隨著計算機技術、軟件技術以及實驗儀器的不斷進步，石油工程技術研究呈現以下發展趨勢。
（1）實驗技術細觀化?，F代實驗技術和分析方法發展迅速，在石油工業中常用的現代分析測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、軟化點或熔點等；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、質譜法，還包括元素測定、官能團的測定等。這些實驗方法使人們對石油工程問題的認識走向細觀。
（2）計算方法數字化。依靠電子計算機，結合有限元或有限容積的概念，通過數值計算和圖像顯示的方法，達到對工程問題和物理問題乃至自然界各類問題研究的目的。在計算機上實現一個特定的計算，非常類似于履行一個物理實驗。此時，分析人員已跳出了數學方程的約束來對待物理現象的發生，就像做一次物理實驗。
（3）模擬研究兩極化。工程技術問題的模擬研究主要有兩種趨向：一是趨向于工程實際，模擬對象無論是從尺度還是工藝都更加接近現場工況；二是趨向于微觀尺度，數值模型、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象的微觀機理。
2.4分子模擬技術在石油工程領域的應用
（1）非常規油氣儲存與滲流機理研究。非常規油氣儲層和頁巖氣儲層的油氣儲集空間和滲流通道極小，納米孔道成為非常規油氣的儲集空間和滲流通道，油氣滲流規律與常規儲層存在諸多區別，常規實驗手段對于納米孔隙流體的描述出現了較多困難。因此，納米孔道的結構和油氣滲流規律的描述需要更加細化，數字化技術和微觀模擬技術逐步發揮其優勢[11]。
（2）頁巖油氣的吸附、解吸與滲流機理研究。頁巖儲層孔隙細小并含有大量干酪根，油氣多以吸附態賦存其中，頁巖的微納孔隙既是頁巖油氣的儲集空間，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量的決定性因素。頁巖氣的生產過程也就是吸附氣體的解吸附和滲流運移的過程[12]。
（3）水合物成核、賦存、分解及置換機制研究。水合物儲量豐富，目前預測總有機碳儲量是煤、石油和天然氣總儲量之和的2倍，是當前最具潛力的接替能源之一。同時，水合物又是油氣生產、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、分解及置換機制尚不夠清晰，分子模擬研究不僅可以模擬上述機理，還可以研究水合物生成抑制劑和分解促進劑的作用機制，為加速水合物開發和減少水合物的危害提供理論和技術支持。
（4）深層油氣賦存狀態及運移機制研究。處于深部地層高溫高壓環境下的油氣賦存狀態和滲流規律與常規儲層發生了較大變化，其開發過程中環境因素，如溫度壓力變化等對油氣相態、賦存和滲流的影響規律需要深入研究，從而揭示深層油氣賦存和流動的特殊性[13]。
（5）超臨界流體在石油工程中的應用研究。超臨界二氧化碳在油氣鉆探、開發中的應用已十分廣泛，無論是超臨界二氧化碳作為鉆井流體的相變機制，還是三次采油中洗油、滲流、驅替機制，或壓裂過程中增黏、攜巖機制都需要從微觀層面上進行深入研究[14]。
（6）油田化學劑的作用機理研究?；瘜W劑在油田生產中廣泛應用，包括油氣井鉆探，油氣開發過程中的驅油、防蠟、防垢，油氣集輸過程中的降凝、減阻，以及油氣生產廢棄物的處理與再利用等，都用到大量的化學劑。化學劑的種類、加量的優化合成以及化學劑與作用對象間的物理化學反應等都可以通過分子模擬手段進行深入研究[15]。
3分子石油工程實驗室建設
以石油與天然氣工程技術為基礎，結合信息化及智能化技術，構建了分子石油工程實驗室，其中包括微尺度描述與計算實驗室、物理化學反應機理模擬實驗室、油田化學劑分子結構設計與研究實驗室，以適應石油與天然氣工程發展的需要及這一領域人才培養的要求。
3.1微尺度描述與計算實驗室
（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，必須建立油氣儲層與地面的聯通通道，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力平衡，并且外來流體（鉆井液）與地層開始接觸，發生濾失、滲透、水化等物理化學反應，造成井壁巖石強度下降、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造成儲層敏感。
（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，在石油工程流體中又有可能分散或溶有固相物和化學劑，如鹽、表面活性劑、高分子聚合物、膨潤土等。因此，石油工程流體的描述不僅包括流體的流動特性，如黏度、切力、剪切速率等，還包括組成、分子間作用、吸附與解吸附狀態等。
3.2物理化學反應機理模擬實驗室
（1）流固反應機理。油氣水在地層孔隙的滲流過程中，流體與地層可能發生各種各樣的物理化學反應，如黏土礦物的水化反應等。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中，也存在于部分變質巖、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定、儲層的污染等一系列問題。
（2）化學劑分子作用機理。隨著油氣采出程度的提高，水驅、聚合物驅、堿驅、表面活性劑驅、熱力驅、超臨界二氧化碳驅油等新方法不斷涌現，油氣滲流過程中不僅會與地層之間發生大量的物理化學反應，同時也會與外來流體（驅油劑）之間發生大量物理化學反應，例如堿與油中酸的反應。這些物理化學反應的過程和微觀機理描述都需要分子模擬。
（3）水合物成核、分解與置換機理。天然氣水合物由于其分布廣泛、儲量巨大和高效清潔等優點成為世界各國爭相研究的熱點，到目前為止，已有80多個國家和地區參與了天然氣水合物的研究工作。水合物開采技術的研究和創新也成為迫切攻克的技術高地，熱激法、降壓法、化學抑制劑法和二氧化碳置換等方法被不斷提出，并進行實驗模擬與試開采。此外，水合物技術在海水淡化、溶液提純、氣體分離、天然氣儲運、蓄冷及制冷和二氧化碳深海儲藏等領域也取得了不同程度的進展。實驗研究中關于水合物形成、分解和熱力學等方面已取得眾多成果，然而由于實驗技術和手段的限制，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理的重要工具，多孔介質、鹽水和不同氣體等復雜環境下的水合物成核和分解的物理化學機制需要通過分子模擬進一步闡明。
3.3油田化學劑分子結構設計與研究實驗室
石油工程中的化學劑種類繁多，包括鉆井液化學劑、提高采收率化學劑、集輸化學劑、水合物抑制劑等，不同化學劑的分子結構千差萬別，其功能也大不相同。即使同類化學劑在相同的作業過程中的作用機理也不一樣，如十二烷基磺酸鈉和十二烷基苯磺酸鈉同樣作為驅油劑，其驅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，其作用機理和作用效果亦有所區別。分子模擬技術不僅可以對油田化學劑的分子結構進行設計，以提高處理劑的作用效率，還可以對其種類、加量、匹配關系等進行優化，提高作業效率、降低作業成本。
4結語
微觀模擬研究是當前石油工程技術研究發展的一個重要方向，分子石油工程已成為石油工程領域的一個重要分支。分子石油工程具有明確的內涵和研究對象，可以從微觀尺度探索石油工程問題的運行機理，為解決石油工業中的科學問題提供一種有效的研究方法。截至目前，分子石油工程實驗室已培養博士近10人、碩士20余人，承擔國家自然科學基金項目、“973”課題、重點研發計劃項目等近30項，在ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica、NatureCommunications、JournaloftheAmericanChemicalSociety、Nanoscale等國際知名期刊數十篇，為石油工程專業開設了材料多尺度模擬課程，為材料科學專業開設了石油工程概論課程，有力推進了分子模擬技術在石油與天然氣工程領域的應用，培養了工科學生的理科思維和理科學生的工程概念，促進了跨學科學生的培養。
作者：徐加放 薛迦文 李愛華 張軍 陳杰 燕友果 單位：中國石油大學（華東）石油工程學院 中國石油大學（華東）非常規油氣開發教育部重點實驗室