基本介紹
提出背景,研究領域,
提出背景
分子模擬技術及其套用
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），並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，廣泛的套用於計算化學、計算生物學、材料科學等領域，小至單個化學分子，大至複雜生物體系或材料體系都可以是它用來研究的對象。計算機技術在科學研究方面的套用廣泛性以及與其他學科的結合性而成為21世紀的科技研究大趨勢。
分子模擬技術是隨著計算機在科研中的套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國家指出持之以恆加強基礎研究，加強創新人才教育培養，基礎研究是科技創新的源頭，我國基礎研究同國際先進水平的差距十分明顯。通過已有的研究報告顯示，我國在套用科技領域處於突飛猛進階段，每年的技術專利申報數和科技論文發表量在世界位列前茅，但在基礎研究能力和基礎學科取得的成果與已開發國家具有明顯差距。“十四五”規劃中也將加大我國基礎研究和前沿科技領域研究的投入作為主要內容。
分子模擬技術已廣泛套用於在藥物設計、生物科學、材料學、化學、石油化工等基礎研究和套用領域，並快速向國民濟的其他領域推廣。例如，分子模擬為藥物的研發以及預測藥物作用機制方面已取得重要進展。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年新冠病毒的特性研究和疫苗的研發做出了巨大貢獻，利用分子動力學模擬、分子對接等技術手段研究新冠病毒與其對應的宿主受體的結合過程、冠狀病毒的致病機制，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。未來隨著計算機硬體、軟體和算法的升級，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，為社會和科學研究帶來不可估量的經濟價值。
石油與天然氣工程對分子模擬的需求
我國的工業發展已經逐漸邁入了世界先進水平，在未來的能源多樣化利用上，需求量會越來越大，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，在完成傳統的低滲儲層中的原油和稠油採收率和利用率有效提高的同時，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、頁岩油氣等。針對鑽井開發過程中的低孔、低滲、低採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鑽完井、儲層描述與改造、提高採收率等領域逐漸凸顯其重要經濟價值和基礎性研究意義。
近年來，隨著計算機、軟體技術以及實驗儀器的不斷進步，石油工程技術發展呈現以下趨勢。
（1）實驗技術細觀化。現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，定性分析方法包括，外觀、密度、硬度、溶解性、折射率、軟化點或熔點等；定量分析方法包括，X射線衍射分析、電子顯微分析、原子力顯微分析、熱分析，紫外吸收光譜法、紅外吸收光譜法、雷射拉曼光譜法、核磁共振波譜法、質譜法等；此外，還包括元素測定和官能團的測定等。這些實驗方法使我們對石油工程問題的認識走向細觀。
（2）計算方法數位化。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，非常類似於履行一個物理實驗。
（3）模擬研究兩極化。工程技術問題的模擬研究一是趨向於工程實際，模擬對象無論是從尺度還是工藝都更加接近現場工況；二是趨向於微觀尺度，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巨觀現象的微觀機理。
研究領域
（1）非常規油氣儲存與滲流機理研究。非常規油氣儲層和頁岩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，常規實驗手段對於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，數位化技術和微觀模擬技術逐步發揮其優勢。
（2）頁岩油氣的吸附、解吸與滲流機理研究。頁岩儲層孔隙細小，並含有大量乾酪跟，油氣多以吸附態賦存其中，頁岩的微納孔隙既是頁岩油氣的儲集空間，也是其滲流通道，因此頁岩油氣的吸附與解吸附成為頁岩氣產量的決定性因素。因此，頁岩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。
（3）水合物成核、賦存、分解及置換機制研究。水合物儲量豐富，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。
水合物成核機理的分子動力學研究
（4）深層油氣賦存狀態及運移機制研究。處於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（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。
（5）超臨界流體在石油工程中的套用研究。超臨界二氧化碳在油氣鑽探、開發中的套用已十分廣泛，無論是超臨界二氧化碳作為鑽井流體的相變機制，還是三次採油中洗油、滲流、驅替機制，亦或者壓裂過程中增黏、攜岩機制都需要進一步從微觀層面上深入研究。
（6）油田化學劑的作用機理研究。化學劑在油田生產中廣泛套用，包括油氣井鑽探用鑽完井液，油氣開發中驅油、防蠟、防垢，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。化學劑種類、加量的最佳化，環保型高效化學劑的合成以及化學劑與作用對象間的物理化學反應都可以通過分子模擬手段進行深入研究。
高聚物與蒙脫石
