近年來，我國原油產(chǎn)量上升趨勢逐漸緩慢，但是石油需求量仍不斷擴大，在這種供求不平衡的前提下，我國的原油進口持續(xù)走高。根據(jù)國家統(tǒng)計局發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2020年我國原油產(chǎn)量19477萬噸，相比于2019年僅增長1.97%，在2020年我國的原油進口量達 54239萬噸，與 2019年相比增長了7.26%。面對這種困境，我國亟需攻克復(fù)雜油氣田采收率低的難題，保障我國油氣安全提供技術(shù)支撐。

目前，原油開采主要分為一次采油、二次采油和三次采油三個階段，然而通過前兩次開采僅能將巖石中30%的石油開采出來，因此提高石油開采率是我國石油開采中面臨的巨大問題。

分子模擬技術(shù)利用計算機以原子級分子模型來模擬分子的結(jié)構(gòu)和行為。它可以給出被研究系統(tǒng)現(xiàn)有實驗無法測量的物理量，該方法是近年來在流體和巖石性質(zhì)及其相關(guān)現(xiàn)象研究中備受關(guān)注的一種先進方法。

例如，通過分子動力學(xué)模擬從原子位置和速度的時間演化分析中獲取采收率等性質(zhì)。由于地底溫度、壓力等環(huán)境的影響，對于石油開采實驗時無法實現(xiàn)或者是昂貴的、危險的，因此分子模擬方法很好的解決了這一難題。

除此以外，通過傳統(tǒng)的實驗?zāi)M還是從室內(nèi)試驗到現(xiàn)場試驗，都無法闡明地下油藏的驅(qū)油流動機理。而分子模擬卻可以在微觀尺度上揭示驅(qū)油的滲流機理，豐富驅(qū)油流動理論體系，為開發(fā)油田驅(qū)油技術(shù)和提高油氣采收率提供理論基礎(chǔ)。并根據(jù)驅(qū)油得到的驅(qū)油機理進行驅(qū)油劑分子的設(shè)計，為表征各種油氣儲量中的儲層流體和巖石及其行為提供有用的指導(dǎo)。

分子動力學(xué)方法用于石油開采研究

分子動力學(xué)(MD)是基于牛頓運動定律的方法。給定每個原子的初始位置和速度，并提供原子間的相互作用勢，然后使用該信息，初始位置將在很小的時間間隔（稱為時間步長 Δt）內(nèi)變化到較低的能量狀態(tài)，從而產(chǎn)生新的位置、速度等。最后，使用這些新數(shù)據(jù)作為輸入重新計算最新的位置和速度。上述步驟通常重復(fù)上千個時間步長，直到達到平衡，系統(tǒng)屬性不會隨時間改變。

平衡期間和平衡后的，每個或某個時間步長存儲的各種原始數(shù)據(jù)(包括原子位置和動量、能量、力等)可以直接或間接地對這些數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，計算屬性，同時可以得到動態(tài)和平衡統(tǒng)計信息，包括基本的熱力學(xué)、結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能、徑向分布液體的函數(shù)和擴散系數(shù)等。與 QM 和 MC 相比，MD 計算非?？焖俸蜏?zhǔn)確，因此它可以處理更大的系統(tǒng)（數(shù)萬個粒子）。將 MD 應(yīng)用于頁巖氣的吸附和擴散，不僅可以獲得頁巖氣隨時間的演化歷史，還可以獲得通過統(tǒng)計平均值獲得相對密度、均方位移等物理量，進一步加深了對頁巖氣地下條件的認(rèn)識。

研究案例展示

Fan等利用分子動力學(xué)研究聚合物的驅(qū)替效率，結(jié)果表明與水驅(qū)的分子相比，聚合物溶液的粘彈性是聚合物分子與粗分子間碰撞力和摩擦力的宏觀表現(xiàn)，可以提高油分離效率。得到聚合物驅(qū)油可以用三階段機制來描述，包括(I)表面活性劑分子的膠束化；(II)表面活性劑膠束在油分子表面的解體和擴散；（III)油分子的變形和脫離。

Chen等通過分子動力學(xué)模擬方法計算了水溶液中 HAPM 和 PAM 的結(jié)構(gòu)和特性粘度，并與NaCl濃度范圍內(nèi)的粘度實驗值進行了比較。通過分子動力學(xué)計算獲取了描述聚合物效果好壞的4個參數(shù)：回轉(zhuǎn)半徑(Rg(s))、流體力學(xué)半徑 (Rh)、特性粘度 ([η])、徑向分布函數(shù)，為鹽溶液中聚陰離子的分離或沉降提供科學(xué)合理的解釋，用于改進新型驅(qū)油劑。

表面活性劑驅(qū)采油已廣泛應(yīng)用于油田剩余油的開采。Jia等利用分子動力學(xué)研究了烯烴磺酸鹽異構(gòu)體能被有效用于石油開采的機理研究。研究采用分子動力學(xué)模擬方法計算了儲層條件（高溫和高壓）下α烯烴磺酸鹽（AOS）和內(nèi)烯烴磺酸鹽（IOS）在正癸烷-水界面的吸附特性，并通過分析界面張力、界面厚度、界面覆蓋率、頭基水化層結(jié)構(gòu)、溶劑取向、氫鍵計算、疏水尾鏈取向、角度修正的烷基有效長度計算等方法深入研究了疏水尾鏈結(jié)構(gòu)差異對表面活性劑油水界面結(jié)構(gòu)和性能的影響。

MatCloud+用于石油開采研究

2022年4月15日，北京邁高材云科技有限公司正式發(fā)布了全新的基于LAMMPS的相關(guān)計算組件，助力用戶使用免費開源的LAMMPS，快速入門分子動力學(xué)模擬。

全新的LAMMPS使用模式，意味著在解決廣大學(xué)者軟件版權(quán)問題的同時，還幫助大家擺脫LAMMPS安裝步驟繁瑣、參數(shù)設(shè)置常遇困難、后處理操作復(fù)雜的煩惱，對于分子動力學(xué)計算軟件的初學(xué)者來說絕對是一大新的體驗！

針對石油開采領(lǐng)域的分子動力學(xué)模擬，在計算完成之后可直接將回轉(zhuǎn)半徑(Rg(s))、流體力學(xué)半徑 (Rh)、特性粘度 ([η])、徑向分布函數(shù)、軸向密度等參數(shù)直接給出，無需用于進行繁瑣的后處理操作。

主辦公司

北京邁高材云科技有限公司是中國新材料研發(fā)數(shù)字化領(lǐng)軍企業(yè)，專注于材料科學(xué)領(lǐng)域數(shù)字化的開拓與創(chuàng)新，公司在中科院大力推動下組建，核心產(chǎn)品“MatCloud+材料云”經(jīng)過團隊十余年的打造，形成了集材料數(shù)據(jù)庫、高通量計算篩選、多尺度模擬計算、人工智能技術(shù)、智能實驗的“計算、 數(shù)據(jù)、AI、實驗”四位一體的材料領(lǐng)域數(shù)字化解決方案，為我們的政府、企業(yè)、院?？蛻粼谘邪l(fā)效能和數(shù)字化轉(zhuǎn)型上全面提升價值。

1.MatCloud+平臺具有圖形化可視化的操作界面，支持調(diào)用多種量子力學(xué)（第一性原理）、經(jīng)典分子力學(xué)動力學(xué)方法模擬軟件如VASP、Gaussian、LAMMPS、QE等實現(xiàn)高通量、高并發(fā)計算。平臺重新定義并統(tǒng)一了所集成模擬軟件的操作方式，通過將模擬軟件功能（如結(jié)構(gòu)優(yōu)化、熱力學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)）組件化呈現(xiàn)，拖拽組件搭建模擬預(yù)測流程（工作流），實現(xiàn)了模擬計算全流程自動化。

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