摘要：为促进学科交叉融合的复合型人才培养，建立了基于微观模拟的分子石油工程实验室。将材料科学的多尺度模拟技术应用于石油工程领域，提出了分子石油工程概念，从分子层面和微纳尺度上研究和揭示非常规油气、页岩油气、深层油气的赋存与渗流机制等。以高水平科研项目为依托，培养石油工程类学生的理性思维和材料科学学科学生的工程概念，推动学生的跨学科培养。
关键词：分子石油工程；微观模拟；实验室建设；分子模拟
石油与天然气依然是世界一次能源消费的主体。世界经济发展对能源的需求，促进了石油与天然气工程理论与技术的高速发展。进入21世纪后，油气钻探、开采及储运的主客观约束条件日趋复杂，非常规、超深层及深水油气的勘探开发，不断对石油与天然气工程领域科技创新提出越来越高的新要求，促使其与力学、化学、地质、材料、机械、电子、控制、环境等相关学科的联系更加紧密。此外，伴随信息、人工智能等领域的科技进步，石油与天然气工程逐步向着信息化、智能化及自动化方向加速发展。然而，我国油气资源相对缺乏，油气消费严重依赖进口，据统计2019年石油进口总量超过消费总量的70%，天然气进口超过消费总量的42%[1]。因此，本研究基于微观模拟思维，将材料科学的多尺度模拟技术引入石油工程领域，建立了分子石油工程实验室，对促进我国石油与天然气复合型工程技术人才培养具有重要的意义。
1分子模拟技术及其应用
1.1分子模拟
模拟技术是指利用相似原理建立研究对象的模型，如形象模型、描述模型、数学模型等，并通过模型间接地研究原型规律性的实验方法。分子模拟是指利用理论方法与计算技术，模拟或仿真分子运动的微观行为，应用于计算化学、计算生物学、材料科学等领域，小至单个化学分子，大至复杂生物体系或材料体系都可以成为它的研究载体。因此，计算机技术在科学研究方面的应用广泛性以及与其他学科的结合性已成为21世纪科技研究的大趋势。分子模拟技术是随着计算机在科研中的应用而发展起来的一门新的科学，是计算机科学与基础科学相结合的产物，也是数学、物理、化学等学科领域基础研究的重要手段。在2020年的科学家座谈会上，许多学者指出基础研究是科技创新的源头，要持之以恒地加强基础研究工作及创新人才培养。通过已有的研究报告显示，我国在应用科技领域处于快速发展阶段，每年的技术专利申报数和科技量在世界处于前列，但在基础研究能力和基础学科研究成果方面与发达国家相比具有明显差距。我国“十四五”规划将加大基础研究和前沿科技领域研究的投入，以便逐步缩小这一差距。
1.2分子模拟技术的应用
目前，分子模拟技术已广泛应用于药物设计、生物科学、材料学、化学、石油化工等基础研究和应用领域，并快速向国民经济的其他领域推广[2]，如分子模拟在药物的研发以及预测药物作用机制等方面已取得重要进展[3-5]。最近，计算机模拟与现代机器学习技术的结合在蛋白质结构的准确预测方面也取得了振奋人心的成果，在解决经典生物、化学等基础问题上迈出了一大步，特别是为2020年的特性研究和疫苗的研发作出了重大贡献。利用分子动力学模拟、分子对接等技术研究与其对应的宿主受体的结合过程、冠状病毒的致病机制等，对病毒的分子层面进行分析，这些研究加深了对冠状病毒的认识，同时对疫苗的设计具有重要的意义及价值[6-7]。未来随着计算机硬件、软件和算法的升级，分子模拟也将在各个领域的模拟尺度、数量和速度等方面取得突破，为社会发展和科学研究带来不可估量的经济价值。
1.3分子石油工程概念的提出
在石油与天然气工程领域，分子模拟技术已逐渐被广大科研工作者熟知，并开始成为教学内容的一部分和科学研究的技术手段之一。在多年研究的基础上，我们在2018年“石油工程钻井液与完井液新技术研讨会”上提出了分子石油工程的概念和设想[8]，得到了与会专家的一致认可，并逐步推进了分子石油工程实验室的研究与建设工作，目前已成为学生跨学科思维培养与科研素质训练的重要基地和技术手段。
2石油与天然气工程技术的研究与发展趋势
2.1石油与天然气工程
石油工程是石油与天然气工程的简称，是指围绕石油、天然气等地下油气资源的钻探、开采及储运而实施的知识、技术和资金密集型的一项系统工程，是运用科学的理论、方法、技术和装备高效地钻探地下油气资源，最大限度并有效地对地层中的油气进行钻探和开采，安全高效地将油气分离、计量与输运的工程技术领域[9]。
2.2石油与天然气工程技术的发展趋势
我国的工业发展已逐渐迈入世界先进行列，在未来的能源多样化利用上，需求量会越来越大[1]。石油与天然气工程技术是满足我国经济发展中对石油能源供应的重要手段，要弥补我国能源短缺的短板和摆脱能源利用的束缚，需要积极进行石油和天然气工程技术创新。在提高传统的低渗储层中的原油和稠油采收率和利用率的同时，也需要积极寻找新的能源开发领域，如海洋石油、天然气水合物、页岩油气等。针对目前钻井开发过程中的低孔、低渗、低采收率和多相渗流等问题，石油与天然气工程技术的发展由常规转向非常规，由浅层、中深层向深层、超深层发展，由传统的油气向油气水合物发展，由孔隙尺度的渗流向微纳尺度的扩散运移发展。微观尺度研究方法在分析钻井、储层描述与改造、提高采收率等领域逐渐凸显其重要经济价值和基础性研究意义[10]。
2.3石油与天然气工程技术研究方法的发展趋势
近年来，随着计算机技术、软件技术以及实验仪器的不断进步，石油工程技术研究呈现以下发展趋势。
（1）实验技术细观化。现代实验技术和分析方法发展迅速，在石油工业中常用的现代分析测试方法可分为定性分析方法和定量分析方法。前者包括外观、密度、硬度、溶解性、折射率、软化点或熔点等；后者则包括X射线衍射分析、电子显微分析、原子力显微分析、热分析，以及紫外吸收光谱法、红外吸收光谱法、激光拉曼光谱法、核磁共振波谱法、质谱法，还包括元素测定、官能团的测定等。这些实验方法使人们对石油工程问题的认识走向细观。
（2）计算方法数字化。依靠电子计算机，结合有限元或有限容积的概念，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。在计算机上实现一个特定的计算，非常类似于履行一个物理实验。此时，分析人员已跳出了数学方程的约束来对待物理现象的发生，就像做一次物理实验。
（3）模拟研究两极化。工程技术问题的模拟研究主要有两种趋向：一是趋向于工程实际，模拟对象无论是从尺度还是工艺都更加接近现场工况；二是趋向于微观尺度，数值模型、分子模型的建立与模拟研究可以从微纳米尺度甚至分子层面深入理解宏观现象的微观机理。
2.4分子模拟技术在石油工程领域的应用
（1）非常规油气储存与渗流机理研究。非常规油气储层和页岩气储层的油气储集空间和渗流通道极小，纳米孔道成为非常规油气的储集空间和渗流通道，油气渗流规律与常规储层存在诸多区别，常规实验手段对于纳米孔隙流体的描述出现了较多困难。因此，纳米孔道的结构和油气渗流规律的描述需要更加细化，数字化技术和微观模拟技术逐步发挥其优势[11]。
（2）页岩油气的吸附、解吸与渗流机理研究。页岩储层孔隙细小并含有大量干酪根，油气多以吸附态赋存其中，页岩的微纳孔隙既是页岩油气的储集空间，也是其渗流通道，因此页岩油气的吸附与解吸附成为页岩气产量的决定性因素。页岩气的生产过程也就是吸附气体的解吸附和渗流运移的过程[12]。
（3）水合物成核、赋存、分解及置换机制研究。水合物储量丰富，目前预测总有机碳储量是煤、石油和天然气总储量之和的2倍，是当前最具潜力的接替能源之一。同时，水合物又是油气生产、集输，特别是深水油气田的潜在危害之一。迄今为止，水合物的成核、赋存、分解及置换机制尚不够清晰，分子模拟研究不仅可以模拟上述机理，还可以研究水合物生成抑制剂和分解促进剂的作用机制，为加速水合物开发和减少水合物的危害提供理论和技术支持。
（4）深层油气赋存状态及运移机制研究。处于深部地层高温高压环境下的油气赋存状态和渗流规律与常规储层发生了较大变化，其开发过程中环境因素，如温度压力变化等对油气相态、赋存和渗流的影响规律需要深入研究，从而揭示深层油气赋存和流动的特殊性[13]。
（5）超临界流体在石油工程中的应用研究。超临界二氧化碳在油气钻探、开发中的应用已十分广泛，无论是超临界二氧化碳作为钻井流体的相变机制，还是三次采油中洗油、渗流、驱替机制，或压裂过程中增黏、携岩机制都需要从微观层面上进行深入研究[14]。
（6）油田化学剂的作用机理研究。化学剂在油田生产中广泛应用，包括油气井钻探，油气开发过程中的驱油、防蜡、防垢，油气集输过程中的降凝、减阻，以及油气生产废弃物的处理与再利用等，都用到大量的化学剂。化学剂的种类、加量的优化合成以及化学剂与作用对象间的物理化学反应等都可以通过分子模拟手段进行深入研究[15]。
3分子石油工程实验室建设
以石油与天然气工程技术为基础，结合信息化及智能化技术，构建了分子石油工程实验室，其中包括微尺度描述与计算实验室、物理化学反应机理模拟实验室、油田化学剂分子结构设计与研究实验室，以适应石油与天然气工程发展的需要及这一领域人才培养的要求。
3.1微尺度描述与计算实验室
（1）地层物性研究。油气赋存于地层的孔隙和裂缝之中，同时这些孔隙和裂缝又是油气渗流的通道。地下油气通过地层中的孔隙和裂缝在地层压力的作用下，流向井眼，然后被采至地面，输送至炼厂加工成为成品油气。然而，油气往往深埋于地下几百米至几千米，若要将油气开采至地面，必须建立油气储层与地面的联通通道，即油气井。在油气井的钻探过程中，原始地层不断被钻开，井眼的钻探破坏了地层原始的应力平衡，并且外来流体（钻井液）与地层开始接触，发生滤失、渗透、水化等物理化学反应，造成井壁岩石强度下降、井眼坍塌，甚至无法完成井眼的钻探。该问题在水平井、大位移井、页岩气井等钻探过程中显得更为突出。此外，在油气开采过程中，地层出砂、外来流体侵入等还会造成储层敏感。
（2）流体物性研究。石油工程流体主要涉及油、气、水等。油又可进一步分为原油、柴油、矿物油等，气则包括天然气、空气、二氧化碳等，水包括淡水、海水、盐水等。同时，在石油工程流体中又有可能分散或溶有固相物和化学剂，如盐、表面活性剂、高分子聚合物、膨润土等。因此，石油工程流体的描述不仅包括流体的流动特性，如黏度、切力、剪切速率等，还包括组成、分子间作用、吸附与解吸附状态等。
3.2物理化学反应机理模拟实验室
（1）流固反应机理。油气水在地层孔隙的渗流过程中，流体与地层可能发生各种各样的物理化学反应，如黏土矿物的水化反应等。黏土矿物作为岩石的主要组分之一，不仅大量存在于泥页岩和砂岩当中，也存在于部分变质岩、花岗岩等中。黏土矿物的存在及其水化可以引起井壁的不稳定、储层的污染等一系列问题。
（2）化学剂分子作用机理。随着油气采出程度的提高，水驱、聚合物驱、碱驱、表面活性剂驱、热力驱、超临界二氧化碳驱油等新方法不断涌现，油气渗流过程中不仅会与地层之间发生大量的物理化学反应，同时也会与外来流体（驱油剂）之间发生大量物理化学反应，例如碱与油中酸的反应。这些物理化学反应的过程和微观机理描述都需要分子模拟。
（3）水合物成核、分解与置换机理。天然气水合物由于其分布广泛、储量巨大和高效清洁等优点成为世界各国争相研究的热点，到目前为止，已有80多个国家和地区参与了天然气水合物的研究工作。水合物开采技术的研究和创新也成为迫切攻克的技术高地，热激法、降压法、化学抑制剂法和二氧化碳置换等方法被不断提出，并进行实验模拟与试开采。此外，水合物技术在海水淡化、溶液提纯、气体分离、天然气储运、蓄冷及制冷和二氧化碳深海储藏等领域也取得了不同程度的进展。实验研究中关于水合物形成、分解和热力学等方面已取得众多成果，然而由于实验技术和手段的限制，在分子尺度上无法得到明确的解释。分子模拟方法是理解水合物分子尺度上形成与分解微观机理的重要工具，多孔介质、盐水和不同气体等复杂环境下的水合物成核和分解的物理化学机制需要通过分子模拟进一步阐明。
3.3油田化学剂分子结构设计与研究实验室
石油工程中的化学剂种类繁多，包括钻井液化学剂、提高采收率化学剂、集输化学剂、水合物抑制剂等，不同化学剂的分子结构千差万别，其功能也大不相同。即使同类化学剂在相同的作业过程中的作用机理也不一样，如十二烷基磺酸钠和十二烷基苯磺酸钠同样作为驱油剂，其驱油效率和在地层的吸附不尽相同，PVP和PVCap同样作为水合物抑制剂，其作用机理和作用效果亦有所区别。分子模拟技术不仅可以对油田化学剂的分子结构进行设计，以提高处理剂的作用效率，还可以对其种类、加量、匹配关系等进行优化，提高作业效率、降低作业成本。
4结语
微观模拟研究是当前石油工程技术研究发展的一个重要方向，分子石油工程已成为石油工程领域的一个重要分支。分子石油工程具有明确的内涵和研究对象，可以从微观尺度探索石油工程问题的运行机理，为解决石油工业中的科学问题提供一种有效的研究方法。截至目前，分子石油工程实验室已培养博士近10人、硕士20余人，承担国家自然科学基金项目、“973”课题、重点研发计划项目等近30项，在ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica、NatureCommunications、JournaloftheAmericanChemicalSociety、Nanoscale等国际知名期刊数十篇，为石油工程专业开设了材料多尺度模拟课程，为材料科学专业开设了石油工程概论课程，有力推进了分子模拟技术在石油与天然气工程领域的应用，培养了工科学生的理科思维和理科学生的工程概念，促进了跨学科学生的培养。
作者：徐加放 薛迦文 李爱华 张军 陈杰 燕友果 单位：中国石油大学（华东）石油工程学院 中国石油大学（华东）非常规油气开发教育部重点实验室