分子模擬技術(shù)在聚合物驅(qū)油中的應(yīng)用研究進(jìn)展

袁遠(yuǎn)達(dá)

（1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安 710065；2.西部低滲超低滲透油田開(kāi)發(fā)與治理教育部工程研究中心，陜西西安 710065）

世界范圍內(nèi)，原油采收率平均為30%～60%，而水驅(qū)采收率一般為40%～45%[1，2]。因此，水驅(qū)之后，仍有大量的剩余油存于地下，20 世紀(jì)60 年代中期，提出了聚合物驅(qū)，來(lái)作為進(jìn)一步提高采收率的方法之一[1，3]。國(guó)外學(xué)者認(rèn)為聚合物驅(qū)是一種改性的水驅(qū)，聚合物由于不能降低油水之間的界面張力，所以其毛管數(shù)不能提高到10-3以上，即不能明顯提高驅(qū)油效率[2，4]。但是在國(guó)內(nèi)，尤其是大慶油田，聚合物驅(qū)已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)大的規(guī)模，聚合物驅(qū)產(chǎn)量已經(jīng)占全油田產(chǎn)量的1/4[5]，為大慶油田的進(jìn)一步高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)發(fā)揮著重要的作用，這得益于王德民院士等對(duì)聚合物驅(qū)油機(jī)理更為充分的認(rèn)識(shí)。其認(rèn)為聚合物溶液的黏彈性可以提高驅(qū)油效率，所得的一系列研究成果使人們對(duì)聚合物驅(qū)油機(jī)理的認(rèn)識(shí)有了質(zhì)的飛躍[6-8]。但目前來(lái)看，這些成果的取得，大多數(shù)是依賴于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，定性研究多于定量研究，在理論研究方面仍需進(jìn)一步加深。尤其是在水驅(qū)之后仍需提高采收率的微米級(jí)、納米級(jí)和分子級(jí)孔隙尺度上對(duì)聚合物驅(qū)油滲流規(guī)律的認(rèn)識(shí)，是目前迫切需要解決的問(wèn)題。

目前對(duì)聚合物驅(qū)的研究主要有兩種手段，一種是在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)定聚合物溶液的流變參數(shù)或聚合物溶液通過(guò)巖心的壓差與流量關(guān)系曲線，另一種是在簡(jiǎn)化的多孔介質(zhì)模型內(nèi)研究聚合物溶液的黏彈特性[4，9-12]。所采用的模型有服從冪律模式的等徑毛管束模型和幾種剪切速率計(jì)算模型[4，12]。Masuda 等[13]認(rèn)為彈性黏度與剪切黏度之比與剪切速率間的關(guān)系為指數(shù)關(guān)系。Chakrabarti[14]、張玉亮等[15]研究了綜合阻力系數(shù)與德博拉數(shù)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）溶液德博拉數(shù)達(dá)到臨界值后，綜合阻力系數(shù)隨德博拉數(shù)增加而急劇增加。汪偉英[16]給出了孔隙介質(zhì)中聚合物溶液有效黏度與剪切速率的關(guān)系。佟曼麗等[17，18]、韓顯卿等[19]也對(duì)聚合物溶液流經(jīng)多孔介質(zhì)的黏彈效應(yīng)進(jìn)行了探討，給出了相應(yīng)表征方式或模型。鄭曉松等[20]對(duì)多孔介質(zhì)中聚合物稀溶液的德博拉數(shù)向濃溶液進(jìn)行了推廣，以Cogswell 的研究為基礎(chǔ)，建立了聚合物溶液在縮擴(kuò)孔隙模型中的彈性黏度公式。

在實(shí)驗(yàn)方面，填砂管模型、人造巖心、大型平面模型和天然巖心等物理模擬實(shí)驗(yàn)，已成為人們研究聚合物驅(qū)油機(jī)理以及聚合物溶液驅(qū)油效果影響因素的主要手段之一，并已取得了一些常規(guī)油藏聚合物驅(qū)的研究結(jié)論。但是這些實(shí)驗(yàn)仍然限于宏觀人造室內(nèi)模型，大多假設(shè)太過(guò)于簡(jiǎn)化，難以滿足復(fù)雜地質(zhì)儲(chǔ)層條件[4]。

在理論方面，以上提到的各位學(xué)者的研究都是基于冪律流體速度場(chǎng)與牛頓流體的剪切速率，并假設(shè)平均拉伸應(yīng)力與速度剖面無(wú)關(guān)。這種宏觀模型雖然能夠在一定程度上符合聚合物驅(qū)的表觀現(xiàn)象，但是卻難以揭示真實(shí)驅(qū)替過(guò)程中黏彈性作用的機(jī)理，在常規(guī)油藏和孔隙曲率較好的情況下可以運(yùn)用這些模型，但是在我國(guó)的復(fù)雜儲(chǔ)層情況下，大部分模型難以獲得良好的模擬效果，且沒(méi)有堅(jiān)實(shí)完善的理論基礎(chǔ)支撐，適用范圍受自身假設(shè)條件的限制。因此，現(xiàn)有的宏觀研究已不足以揭示聚合物驅(qū)滲流機(jī)理，還需要在微觀滲流理論研究方面進(jìn)行更為深入的研究。而本文綜述了基于分子模擬的顆粒狀聚合物驅(qū)微觀流動(dòng)機(jī)理，正是從聚合物分子層面上研究黏彈性、分子之間、分子與壁面等作用下孔隙內(nèi)的分子顆粒流動(dòng)規(guī)律，研究聚合物驅(qū)油的微觀滲流機(jī)理，對(duì)我國(guó)復(fù)雜油藏聚合物驅(qū)提高采收率技術(shù)提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)；利用分子模擬對(duì)聚合物驅(qū)油劑進(jìn)行性能分析和效果預(yù)測(cè)，有助于研發(fā)新型驅(qū)油劑，提高采收率。

1 分子模擬概述

本文主要涉及的分子模擬技術(shù)，分子力學(xué)（Molecular Mechanics，MM）、分子動(dòng)力學(xué)（Molecular Dynamics，MD） 和耗散動(dòng)力學(xué)（Dissipative Particle Dynamics，DPD），簡(jiǎn)介如下。

分子力學(xué)法（Molecular Mechanics，MM）[21，22]基于玻恩-奧本海默近似原理，依據(jù)經(jīng)典力學(xué)，由分子力場(chǎng)計(jì)算分子特性。常用于計(jì)算分子平衡構(gòu)型和能量，比如最低能量構(gòu)型、構(gòu)型轉(zhuǎn)換能障和振動(dòng)頻率等分子熱力學(xué)性質(zhì)。怎樣準(zhǔn)確地用分子力場(chǎng)去約束分子是分子力學(xué)的核心關(guān)鍵，即用何種力場(chǎng)描述分子運(yùn)動(dòng)。目前常見(jiàn)的力場(chǎng)，MM 形態(tài)力場(chǎng)、AMBER 力場(chǎng)、CVFF 力場(chǎng)、CHARMM 力場(chǎng)、COMPASS 及COMPASSII 力場(chǎng)等。分子力學(xué)將分子看做是由不同力常數(shù)的彈簧與球（原子）組成的構(gòu)型。其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)便、高效，可計(jì)算龐大體系與復(fù)雜分子的穩(wěn)定構(gòu)象、熱力學(xué)性質(zhì)等資料。分子力學(xué)所涉及的微觀范疇，無(wú)法獲得電子分布相關(guān)的性質(zhì)。

分子動(dòng)力學(xué)法（Molecular Dynamics，MD）[21，22]基于牛頓運(yùn)動(dòng)定律，MD 是牛頓運(yùn)動(dòng)方程隨時(shí)間的積分，以獲得系統(tǒng)的時(shí)間演化，從而獲得我們感興趣的性質(zhì)。給定每個(gè)原子的初始位置和速度，并使用提供的原子間勢(shì)，計(jì)算每個(gè)原子上的力。使用此信息，初始位置會(huì)在一個(gè)較小的時(shí)間間隔（稱為時(shí)間步長(zhǎng)Δt）中向較低的能量狀態(tài)前進(jìn)，從而產(chǎn)生新的位置，速度等。使用這些新數(shù)據(jù)作為輸入，通常會(huì)重復(fù)執(zhí)行上述步驟，通常要進(jìn)行數(shù)千次以上的時(shí)間步長(zhǎng)，直到達(dá)到平衡為止，并且系統(tǒng)屬性不會(huì)隨時(shí)間變化。在平衡期間和之后，針對(duì)每個(gè)或某些時(shí)間步長(zhǎng)存儲(chǔ)的各種原始數(shù)據(jù)，包括原子位置和動(dòng)量、能量、力等。可以直接或通過(guò)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析來(lái)計(jì)算屬性，可同時(shí)獲得動(dòng)態(tài)與平衡統(tǒng)計(jì)資料，有基本的熱力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)，液體的徑向分布函數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)等。MD 計(jì)算速度非?？欤珳?zhǔn)性高，因此可以處理更大的系統(tǒng)（數(shù)萬(wàn)粒子）。然而，MD 的一些局限性，包括無(wú)法獲得電磁特性，時(shí)間尺度限于納秒級(jí)等。

耗散粒子動(dòng)力學(xué)法（Dissipative Particle Dynamics，DPD）[21，22]模擬依照Newton 運(yùn)動(dòng)方程式，它介于原子尺度與介觀尺度。DPD 可模擬最多106原子的體系和微秒級(jí)范圍內(nèi)的動(dòng)力演化，如納米級(jí)材料，自組裝材料等，但其只能探究介觀特性，無(wú)法探究微觀的細(xì)部行為[23，24]。

2 分子模擬在研發(fā)聚合物驅(qū)油劑中的應(yīng)用

目前使用實(shí)驗(yàn)方法，仍難以深入研究聚合物結(jié)構(gòu)和尺寸變化的微觀機(jī)理，因此利用計(jì)算機(jī)模擬研究高分子材料的性能，對(duì)預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)高分子材料的性能起著越來(lái)越重要的作用，并指導(dǎo)合成和表征等實(shí)驗(yàn)工作[25]。而且以傳統(tǒng)手段研發(fā)驅(qū)油劑，實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，且消耗大量的人力、物力、財(cái)力[26]。

2.1 驅(qū)油劑性能分析

Chen 等[25]通過(guò)MD 研究了不同NaCl 濃度下部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）和聚丙烯酰胺（PAM）在水溶液中的結(jié)構(gòu)和特性黏度，模擬結(jié)果表明，隨著NaCl 濃度的增加，HPAM 溶液的流體力學(xué)半徑（Rh）、回轉(zhuǎn)半徑（Rg）和特性黏度[η]均減小，而PAM 溶液的這些參數(shù)變化不大。模擬計(jì)算的聚合物溶液的行為與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果一致（見(jiàn)圖1）。研究了HPAM 溶液的徑向分布函數(shù)，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)變化的微觀機(jī)理。分子動(dòng)力學(xué)模擬是研究聚合物溶液構(gòu)象和黏度特性的有效工具，可以為合成具有理想溶液性質(zhì)的聚丙烯酰胺衍生物提供有用的信息。

Ni 等[27]利用分子力學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)方法研究了鹽離子對(duì)陰離子聚電解質(zhì)鏈結(jié)構(gòu)的影響，探討了陰離子聚電解質(zhì)（聚丙烯酸鈉）在鹽溶液中沉降的原因，模擬結(jié)果表明，陰離子聚電解質(zhì)在水溶液中具有較強(qiáng)的靜電排斥作用，具有較長(zhǎng)的鏈結(jié)構(gòu)，在溶液中引入Ca2+后，陰離子聚電解質(zhì)鏈發(fā)生坍塌。（1）Ca2+通過(guò)自身較強(qiáng)的溶解作用減弱了Na+的溶解，Ca2+的電荷量大于Na+；（2）Ca2+與單個(gè)陰離子聚電解質(zhì)相互作用，使分子之間相互排斥，使鏈上的陰離子相互靠近，聚陰離子最終分離或析出；（3）在分離和沉淀過(guò)程中鈣離子和羧酸基團(tuán)之間沒(méi)有形成鹽橋。這為聚陰離子在鹽溶液中的分離或沉降提供了科學(xué)合理的解釋?zhuān)捎糜诟倪M(jìn)新型驅(qū)油劑[27]。

Li 等[28]通過(guò)MD 研究了水化蒙脫土對(duì)聚丙烯酰胺黏度隨溫度和剪切速率變化的影響，根據(jù)回轉(zhuǎn)半徑與聚合物的本征黏度之間的數(shù)學(xué)方程式，可由PAM 的回轉(zhuǎn)半徑的變化趨勢(shì)得知PAM 的本征黏度的變化趨勢(shì)。在限制剪切條件下，PAM 的回轉(zhuǎn)半徑在較高剪切速率范圍內(nèi)隨溫度升高或剪切速率增大而減小。認(rèn)為PAM和黏土層之間的H 鍵對(duì)PAM 鏈的拉伸或卷曲程度具有主要作用，PAM 和黏土層之間較弱的H 鍵會(huì)導(dǎo)致PAM 聚合物鏈容易卷曲，從而導(dǎo)致PAM 回轉(zhuǎn)半徑的值降低，實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了模擬結(jié)果中黏度的變化趨勢(shì)。對(duì)黏土礦物中PAM 回轉(zhuǎn)半徑的研究有助于理解和預(yù)測(cè)聚丙烯酰胺在水化黏土材料中的特性黏度在分子水平上的變化，這在實(shí)際驅(qū)油效率的提高作業(yè)中經(jīng)常發(fā)生。

圖1 在289 K 下NaCl 濃度對(duì)HPAM 溶液模型參數(shù)（左），在289 K 下NaCl 濃度對(duì)PAM 溶液模型參數(shù)的影響（右）[25]

2.2 驅(qū)油劑效果預(yù)測(cè)

Ni 等[29]用分子力學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)方法建立交聯(lián)聚丙烯酰胺網(wǎng)絡(luò)的原子模型，得到交聯(lián)聚丙烯酰胺的密度和活性交聯(lián)位點(diǎn)的數(shù)量。結(jié)果表明，由于熱力學(xué)的原因，這些反應(yīng)在353 K 下自發(fā)發(fā)生。PAM 與水溶性酚醛的鄰位縮合反應(yīng)是主要的動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)的酰胺基含量達(dá)到總量的60%，與X 射線光電子能譜分析（XPS）一致。因此，分子建模和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明聚丙烯酰胺與水溶性酚醛的縮合反應(yīng)是該體系中的主要反應(yīng)。了解這一機(jī)理有助于開(kāi)發(fā)耐鹽、耐溫的新型聚丙烯酰胺凝膠。實(shí)驗(yàn)表征與分子模擬相結(jié)合為研究交聯(lián)反應(yīng)機(jī)理提供了一種新的方法。水溶性酚醛交聯(lián)聚丙烯酰胺（PAM）水凝膠具有良好的耐溫耐鹽性能，可作為化學(xué)驅(qū)油劑提高采收率。

Ni 等[30]利用DPD 模擬方法從介觀尺度上研究了P（AM-AANa-3F）、P（AM-AANa-6F）和P（AM-AANa-12F）三種氟碳改性聚丙烯酰胺共聚物的疏水締合，得出P（AM-AANa-12F）共聚物最耐鹽、耐高溫和耐剪切（見(jiàn)圖2，圖3）。氟碳改性聚丙烯酰胺共聚物是一種用于高溫、高鹽濃度油藏的材料，有潛力作為增強(qiáng)型采油聚合物。

圖2 不同鹽溶液濃度對(duì)P（AM-AANa-12F）均方根末端距的影響（左），溫度對(duì)不同濃度鹽溶液中P（AM-AANa-12F）均方根末端距的影響（右）[30]

圖3 鹽溶液中P（AM-AANa-12F）的形態(tài)：（a）剪切前，（b）剪切中，（c）剪切后[30]

王惠廈等[31]采用分子動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)討論了4 種疏水改性單體和丙烯酰胺共聚形成非離子型改性聚丙烯酰胺（HM-PAM）和陰離子型改性聚丙烯酰胺（HMHPAM）的溶液性質(zhì)。結(jié)果表明，引入疏水改性單體后，改性聚丙烯酰胺具有較好的耐鹽性。通過(guò)研究非鍵作用與氫鍵相互作用可知，體系中溶質(zhì)和溶劑間的相互作用及氫鍵作用越弱，溶液的特性黏數(shù)越大。

3 分子模擬在解釋聚合物驅(qū)油機(jī)理中的應(yīng)用

3.1 一元聚合物驅(qū)機(jī)理研究

對(duì)聚合物驅(qū)油機(jī)制的傳統(tǒng)理解是將原油增產(chǎn)歸因于宏觀采油效率的提高，注入的聚合物溶液增加了注水驅(qū)油流體的黏度，并導(dǎo)致滲透率不成比例的降低，因此降低了水油流度比，從而提高了注水油藏的體積波及效率[32-35]。然而，最近在石油采收方面的進(jìn)展表明，聚合物驅(qū)出乎意料的驅(qū)油效率的提高應(yīng)該歸因于微米或納米級(jí)的驅(qū)油機(jī)理[36-38]。

非牛頓流體在復(fù)雜微觀多孔介質(zhì)中的流動(dòng)涉及納米尺度約束、界面相互作用和黏彈性等復(fù)雜問(wèn)題[39-41]。提出了提高聚合物驅(qū)微觀驅(qū)油效率的幾種機(jī)理。由于碳?xì)浠衔锱c驅(qū)油劑在原子尺度上的界面相互作用，驅(qū)油劑的彈性和黏性對(duì)剩余油的開(kāi)采起著重要作用。成功的驅(qū)油過(guò)程需要驅(qū)油劑提供足夠的力來(lái)克服粉砂孔隙或特殊限制條件下的油壁相互作用。Wang 等[37]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)具有彈性性質(zhì)的流體流過(guò)死角時(shí)，除了產(chǎn)生剪切應(yīng)力外，還會(huì)產(chǎn)生油與流動(dòng)流體之間的正應(yīng)力。這種牽引效應(yīng)有助于在死角驅(qū)替剩余油。當(dāng)聚合物溶液高速流過(guò)多孔介質(zhì)時(shí)，由于聚合物鏈的彈性特性，導(dǎo)致剪切增稠[42]。Clarke 等[43]測(cè)量了微流體網(wǎng)絡(luò)中聚合物溶液的流變學(xué)，并觀察到明顯的剪切增稠現(xiàn)象，這與彈性湍流的產(chǎn)生有關(guān)。他們還利用核磁共振擴(kuò)散測(cè)量方法研究了聚合物驅(qū)過(guò)程中復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)中殘余油的運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)流動(dòng)的聚合物溶液的彈性湍流可能是提高采收率的一種機(jī)制[44]。對(duì)于附著在巖石表面的油膜，發(fā)現(xiàn)彈性流體在壁面附近的速度梯度要比牛頓流體的速度梯度大的多，使油膜脫落的力更強(qiáng)[45，46]。

這些研究有助于理解聚合物驅(qū)的驅(qū)油機(jī)理，但是，這些工作大多數(shù)都集中在微米級(jí)的采油研究上，缺乏聚合物驅(qū)油原子級(jí)層面的認(rèn)識(shí)。困在復(fù)雜的納米級(jí)環(huán)境中的碳?xì)浠衔锏尿?qū)油過(guò)程仍不清楚，例如油滴被限制在納米孔的死角內(nèi)。需要闡明聚合物驅(qū)中的黏彈性機(jī)制，了解納米孔中黏彈性聚合物提高采收率的分子機(jī)理，以更好地理解石油采收，對(duì)油田開(kāi)發(fā)具有重要意義[47]。

國(guó)內(nèi)宋考平等[48]最早提出用分子動(dòng)力學(xué)基本原理來(lái)描述提高聚合物驅(qū)油效率的機(jī)理，聚驅(qū)過(guò)程中驅(qū)油的分子作用力，與水驅(qū)的分子作用力相比，聚合物溶液的黏彈性是聚合物分子與原油分子的撞擊力和摩擦力的宏觀表現(xiàn)，聚合物驅(qū)可以提高驅(qū)油效率。Fan 等[47]從理論上探討了黏彈性聚合物提高采收率的分子機(jī)制。通過(guò)MD 模擬，研究了納米孔內(nèi)截留油滴從死角位移的動(dòng)態(tài)過(guò)程（見(jiàn)圖4）。研究表明，聚合物驅(qū)在采收率中表現(xiàn)優(yōu)異的關(guān)鍵因素在于聚合物分子獨(dú)特的彈性特性。與單純水驅(qū)相比，聚合物驅(qū)提高微觀驅(qū)油效果的主要原因是驅(qū)油的拉動(dòng)機(jī)理。還發(fā)現(xiàn)，聚合物鏈長(zhǎng)越長(zhǎng)，小的注入PV 數(shù)就可以驅(qū)替更多的殘余油，微觀采油效率越高。對(duì)聚合物的黏彈性分析表明，聚合物鏈長(zhǎng)越長(zhǎng)，聚合物的儲(chǔ)存模量越大，聚合物的弛豫時(shí)間越長(zhǎng)，聚合物的彈性效應(yīng)越強(qiáng)（見(jiàn)圖5）。這種彈性的增強(qiáng)使聚合物在孔隙中拉伸更多，對(duì)死角中的油滴施加更強(qiáng)的拉力，有利于提高驅(qū)油效率。該工作證實(shí)了在納米尺度約束下聚合物驅(qū)可以提高原油采收率。這些結(jié)果有助于理解聚合物提高采收率的微觀驅(qū)油機(jī)理，對(duì)實(shí)際采油過(guò)程具有指導(dǎo)意義。

圖4 不同驅(qū)油劑，即（a）水和（b）、（c）、（d）不同鏈長(zhǎng)聚合物驅(qū)油的驅(qū)替行為[47]

圖5 （a）不同驅(qū)油劑驅(qū)油過(guò)程中的采收率，到達(dá)水平紅色虛線表示整個(gè)油滴移位出死角，當(dāng)采油效率達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值時(shí)，垂直灰色虛線給出了相應(yīng)的注入孔隙體積；（b）不同驅(qū)油劑的采收率[47]

為解決聚驅(qū)后的殘留問(wèn)題，國(guó)內(nèi)王海波[49]研制了一種兼具調(diào)驅(qū)作用的活性高分子，利用分子模擬技術(shù)，MM、MD 和DPD，探討了活性高分子與原油的相互作用機(jī)理。研究數(shù)據(jù)表明，活性高分子在巖石表面的吸附能和其與原油的相互作用能遠(yuǎn)大于孤島油田重質(zhì)原油在巖石表面的吸附能，得出活性高分子可置換巖石表面原油，使其變?yōu)榭蓜?dòng)油，室內(nèi)研究也證明了這一點(diǎn)。由于活性高分子的自組裝功能，親水段伸入水中，親油段富集在油滴表面，逐漸形成一個(gè)三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)空間網(wǎng)狀將油分子包裹住，然后分散在水相中。

3.2 二元聚合物-表面活性劑驅(qū)機(jī)理研究

聚合物與表面活性劑復(fù)配體系已廣泛應(yīng)用于石油領(lǐng)域，從微觀上認(rèn)識(shí)其相互作用機(jī)理對(duì)指導(dǎo)其生產(chǎn)實(shí)際有著重要作用。隨著分子模擬技術(shù)的發(fā)展，聚合物與表面活性劑在分子水平上的相互作用機(jī)理研究已經(jīng)被廣泛開(kāi)展，并獲得了大量的研究成果[50]。

曹緒龍[51]采用DPD 模擬和物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)聚-表二元復(fù)合驅(qū)配方，取得了18.1%的提高采收率效果。為了探討復(fù)合驅(qū)協(xié)同驅(qū)油的機(jī)理，在曹緒龍的研究基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)任強(qiáng)等[52]采用DPD 方法對(duì)二元復(fù)合驅(qū)驅(qū)油體系界面現(xiàn)象進(jìn)行研究，從分子水平上探索驅(qū)油劑分子與油分子的相互作用機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合使用十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）和TX100，由于兩者的協(xié)同互補(bǔ)作用，使得比它們各自單獨(dú)使用時(shí)，獲得在油水界面處更大的表面活性劑分子分布密度，從而更多地降低油水界面張力；雖然HPAM 不發(fā)揮降低的界面張力的作用，但由于自身的分子鏈纏結(jié)向四周延伸形成一個(gè)空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能起到連接周?chē)坝偷巍钡淖饔?，使得油分子更容易聚集?/p>

Li 等[53]通過(guò)DPD 模擬研究了表面活性劑濃度、聚合物濃度和油/水比對(duì)結(jié)構(gòu)性能、界面性能的影響。在聚合物存在下，界面在較低的表面活性劑濃度下過(guò)飽和。末端距隨著表面活性劑濃度和聚合物鏈的增加而增大，但對(duì)油/水比的依賴性較弱。密度峰值隨表面活性劑濃度的增加而增大，但不受油水比的影響。聚合物的密度分布隨著聚合物鏈的增加而增大，說(shuō)明聚合物鏈大部分停留在界面處保持穩(wěn)定。界面厚度顯示了聚合物/表面活性劑復(fù)合物在界面上的吸附，其中聚合物在界面上呈擴(kuò)展構(gòu)象。聚合物/表面活性劑配合物的形成有利于降低油水界面張力。因此，成功應(yīng)用DPD 模擬方法研究表面活性劑在油/水界面的結(jié)構(gòu)和界面性質(zhì)，特別是聚合物的作用效果，對(duì)表面活性劑的積極應(yīng)用具有重要意義。

4 結(jié)論

可以使用分子模擬研究大量的流體和巖石特性、相互作用及其相關(guān)概念。分子模擬的應(yīng)用為驅(qū)油劑、驅(qū)油機(jī)理分析提供了獨(dú)特的選擇，可以快速，經(jīng)濟(jì)高效且無(wú)風(fēng)險(xiǎn)地進(jìn)行計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)，以探索原子和分子水平上某些復(fù)雜現(xiàn)象的性質(zhì)。與分子模擬提供的納米級(jí)研究相比，由于在高溫和高壓下工作的安全性考慮或通常規(guī)模更大的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和測(cè)量，在實(shí)驗(yàn)室甚至無(wú)法獲得這樣的觀察結(jié)果。對(duì)實(shí)驗(yàn)起到了補(bǔ)充和指導(dǎo)的作用，有助于分析微觀性質(zhì)解釋宏觀現(xiàn)象、預(yù)測(cè)和開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品等。該技術(shù)的應(yīng)用將理論、實(shí)驗(yàn)和模擬兩兩之間架起了互通橋梁，相互佐證。在微觀宏觀之間建起了聯(lián)系，且由它設(shè)計(jì)的模型比實(shí)驗(yàn)、數(shù)學(xué)模型更貼合實(shí)際[54]，定性到定量。利用分子模擬技術(shù)，揭開(kāi)地層滲流機(jī)理及其微觀世界的神秘面紗。這一技術(shù)，讓科研工作者作出采油機(jī)理解釋和驅(qū)油劑的性能分析、效果預(yù)測(cè)，這些對(duì)聚合物驅(qū)提高石油采收率有很重要的指導(dǎo)和優(yōu)化意義。

5 不足之處及發(fā)展趨勢(shì)

首先，分子模擬是一門(mén)計(jì)算化學(xué)技術(shù)，對(duì)于石油工業(yè)來(lái)說(shuō)，僅在石油化工、油田化學(xué)應(yīng)用較多也較早，由于該技術(shù)是一個(gè)較新的領(lǐng)域，學(xué)科的交融性很強(qiáng)，需要相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜颐芮泻献骰蛞笫蛯W(xué)者擁有較強(qiáng)的學(xué)科交叉學(xué)習(xí)能力以做出嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究。其次由于石油組分復(fù)雜和儲(chǔ)層的非均質(zhì)性，現(xiàn)實(shí)體系和模擬體系存在一定差別，如何減少這一差別，是科研工作者亟需解決的問(wèn)題。其次，現(xiàn)取得研究成果，在模型中應(yīng)考慮多種耦合機(jī)制，應(yīng)少做簡(jiǎn)化，多做加法以貼合實(shí)際。最后，在實(shí)際模擬操作過(guò)程中，分子力場(chǎng)的適用性、模擬時(shí)間、空間尺度和計(jì)算量等限制，這就要求更強(qiáng)大的模擬軟件和計(jì)算機(jī)，研究者需要將存在的約束考慮進(jìn)去。

分子模擬可以作為一種低成本的創(chuàng)新技術(shù)，直觀地表示油藏條件下的分子和微觀尺度。不僅能夠在基礎(chǔ)研究中可作為理論補(bǔ)充而發(fā)揮積極作用，而且在油田開(kāi)采中，分子模擬與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表征相結(jié)合提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，是一種很好的實(shí)驗(yàn)輔助、佐證工具。從解釋機(jī)理出發(fā)，設(shè)計(jì)及預(yù)測(cè)采油技術(shù)，研發(fā)新型、高效和經(jīng)濟(jì)的驅(qū)油劑及采油相關(guān)技術(shù)。分子模擬技術(shù)在聚合物驅(qū)油分析中仍處于發(fā)展階段。有幾個(gè)領(lǐng)域的改進(jìn)需要進(jìn)一步研究，以使該技術(shù)被公認(rèn)為是石油工業(yè)中常用的工具。其中包括利用分子模擬設(shè)計(jì)普遍可接受的模型和程序代表復(fù)雜的儲(chǔ)層流體和非均勻多孔介質(zhì)，開(kāi)發(fā)流體和巖石性質(zhì)預(yù)測(cè)工具箱，研究?jī)?chǔ)集巖中的膠結(jié)地層和生產(chǎn)路徑，并進(jìn)一步提高對(duì)聚合物驅(qū)方法的基本機(jī)制和結(jié)果預(yù)測(cè)的理解，尤其是對(duì)于一些不太成熟的復(fù)合驅(qū)方法?，F(xiàn)階段還有一些未開(kāi)展/待開(kāi)展的研究方向或研究較少的，如文中未提及的三元聚-堿-表復(fù)合驅(qū)、其他二元聚-堿復(fù)合驅(qū)模擬，在未來(lái)豐富采油機(jī)理和建造可靠模型。

分子模擬的應(yīng)用是在添磚加瓦，高屋建瓴，完善驅(qū)油理論和油藏分析，在提高采收率技術(shù)中應(yīng)用分子模擬是必然的過(guò)程。對(duì)自然現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算機(jī)交互式演示，無(wú)論是作為實(shí)驗(yàn)的附庸，加強(qiáng)理論探討的手段，還是創(chuàng)造假想世界的工具，它都是無(wú)可比擬的。模擬必須是真實(shí)的，動(dòng)畫(huà)才能令人信服，因?yàn)檠垡?jiàn)為實(shí)。我相信它必將發(fā)揮強(qiáng)大的作用，這既是前景也是挑戰(zhàn)。