分子模拟技术在油田化学及相关领域中的应用

第15卷第1期油田化学1998年第70-75页Oilfield Chemistry3月25日

分子模拟技术在油田化学及相关领域中的应用

冯玉军

(西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室)

摘要 分子模拟是近年发展起来的一门综合性的计算化学技术,包括量子力学、分子力学、布朗动力学、分子动力学、蒙特卡洛等计算方法。本文介绍了分子模拟技术的基本原理及其在油田化学和相关领域中的应用,包括研究油气开采过程中一些宏观化学现象的微观本质和辅助油田化学剂分子设计。根据世界石油工业和我国油田化学现状,作者最后指出了分子模拟技术在油田化学及相关领域中的应用前景和发展方向。

主题词:分子模拟 油田化学 计算化学 分子设计 综述

分子模拟(Molecular Simulation或Molecular M odeling),是随着计算机技术和理论化学的发展而发展起来的一门新兴计算化学技术,迄今尚无十分精确的定义[1],但可以理解为利用计算机在分子水平上进行的数值模拟[2]。一般而言,大多数联系宏观现象和微观本质的统计力学问题都难于求得解析解,采用数值模拟方法则是求解这类问题的另一条途径。对于分子模拟,具体而言,就是先在计算机屏幕上构建分子模型,然后用恰当的统计力学关系对分子的位置和运动情况进行统计平均以求算所需的宏观性质[3]。分子模型的构建包括对所研究对象的原子位置的详细描述和建立分子间相互作用力方程;所求算的宏观性质通常包括热力学性质(压力、温度、自由能等)、运动性质(扩散速度、粘度等)、分子排列或堆砌、介电性质或光学性质、表面性质等。但在上述诸性质中,以对能量的计算居多。体系能量一般包括内外两部分,内部能量包括键能、键变形能等,外部能量包括范德华相互作用和静电相互作用。内部能量可通过经典的牛顿力学建立模型,外部能量常用Lennard Jones势能关系建立模型。

从所采用的方法看,分子模拟集近代计算化学之大成[4,5],包括量子力学、分子力学、布朗动力学、蒙特卡洛、分子动力学(Molecular Dynam ics)等方法,其中以蒙特卡洛方法和分子动力学方法应用最广。

杨友麒将分子模拟的作用归纳为两个方面[6]:一是对分子在运动中的宏观性质的模拟,另一个方面则是研究单个分子内部结构与其性能之间的关系,根据结构与性能的关系实现分子设计。分子模拟在油田化学及其相关领域中的应用也大致可分为这两个方面。

1 模拟分子运动的宏观性质

本文部分内容曾在 全国首届高分子材料科学计算机模拟学术交流会议(1997年5月10-13日,四川成都)上宣读。

收稿日期:1997 05 13;修改日期:1998 01 15。

作者:男,1971年生,1994年毕业于西南石油学院油气田应用化学专业,获工学学士学位,同年考取该院应用化学专业硕士研究生,1996年考取硕博连读博士研究生。

1 1 模拟碳酸盐矿物的结晶生长和表面形态

碳酸岩矿物对于判断油气的沉积环境十分重要,其结晶和表面生长一直是粘土矿物学研究的重要课题。Parker 等人[7]利用BIOSYM 公司的分子图形学软件基于能量最小化原理进行了能预测碳酸盐矿物的表面结构、形态和生长速度的计算机模拟,并考察了温度对自由能、热容等热力学性质的影响。还根据固体的Born 模型计算了原子间相互作用势,在原子级水平上探测了表面结构,还研究了外加剂和不纯物质对表面结构和结晶生长的影响,解释了磷酸盐抑制成核的机理。

1 2 研究粘土矿物的膨胀

粘土矿物是油气勘探开采活动的直接作用对象,如何防止粘土膨胀、分散和运移是油气钻采作业应首先考虑的问题。Delville 用巨正则系统蒙特卡洛方法研究了水分子在粘土表面的吸附特性[8]和粘土层间水的性质[9]。壳牌公司的研究人员[10]则用分子动力学和蒙特卡洛两种方法研究了蒙脱石的水化膨胀机理,结果表明富粘土矿物在底面间距上有四个稳定态,分别为0.97nm 、1.20nm 、1.55nm 、1.83nm 。该模拟结果能与实验数据很好地吻合。

1 3 天然气水合物稳定性的研究

天然气水合物(Gas H ydrates)被认为是继石油和天然气之后的又一新能源,同时也是影响冻土地带和浅海地区油气开采和运输的不利因素,但对其形成过程和热稳定性尚缺乏深入的了解。英国天然气公司的Rodg er 等人[11]利用分子动力学模拟的结果首次证实了在天然气水合物形成的条件中,动力学因素比热力学因素更为重要。日本京都大学的Tanaka

[12]用分子

动力学方法对天然气水合物热力学稳定性的研究结果也证实了前述结论。

1 4 胶束模型的分子动力学模拟

表面活性剂对于油气开采起着举足轻重的作用,但对表面活性剂形成的胶束内部结构还缺乏清楚的认识。Karaborni 等人[13]用分子动力学模拟方法研究了链长和端基性质对胶束内部结构、胶束形状以及胶束内部链构象的影响。模拟结果表明,胶束聚集体的结构类似烃,胶束内部结构取决于端基大小、链的长度和胶束 溶剂相互作用。

1 5 微乳液平衡态性质的模拟

在油 水 表面活性剂形成的三元体系中,油、水、微乳液共存的三相平衡问题是一个涉及统计力学的问题。Larson [14]和Gunn [15]分别根据格子模型用蒙特卡洛方法对油、水、表面活性剂形成的微乳液相的平衡态性质进行了模拟,并据此计算了表面张力和扩散系数等,所得结果与实验数据能很好地定性甚至定量吻合。

1 6 非离子型表面活性剂的分子模拟

哈里伯顿公司的研究人员[16]用分子模拟公司的QUANTA/CHARMm 软件对非离子型表面活性剂(癸醇聚氧乙烯醚)进行了四组分子动力学模拟,研究了这种非离子型表面活性剂在(1)27!在水表面;(2)127!在纯水中;(3)27!在纯环己烷中和(4)27!在环己烷/水界面的性质。模拟结果发现,非离子型表面活性剂的疏水端基是平躺在水表面或水/环己烷的界面上的;在浊点以下时聚氧乙烯基链以卷曲的构象存在于水中;高于浊点时则趋向于伸展;而在纯环己烷中,聚氧乙烯基链则倾向于线形/折叠结构。

1 7 计算状态方程中的参数天然气是一系列短链分子组成的混合物,在采出之前处在气藏的高温高压条件下,其P 71 第15卷第1期冯玉军:分子模拟技术在油田化学及相关领域中的应用