1. 研究目的与意义（文献综述）

目的与意义

随着中国经济的发展，温室气体的排放以及对能源的需求已经成为了中国必须要面对和解决的两大重要问题。近年来，中国已经超越美国，成为了世界碳排放第一大国，二氧化碳的捕集、利用和封存已被提上日程。

二氧化碳驱油是利用二氧化碳注入地层进行采油开发的技术，是近年来采油工程技术进步的代表。将二氧化碳注入地层，一方面实现了二氧化碳的地质封存，解决了全球都在面临的二氧化碳污染问题，另一方面提高了石油的开采率，缓解了能源紧缺的问题。

二氧化碳驱油技术，利用二氧化碳的注入，使原油的体积膨胀，促进油流在岩石孔隙中的流动，提高采油速率。水驱开发后残余在油层的余油，被二氧化碳的膨胀能携带，残余油流动起来，达到最佳的流动状态。二氧化碳的注入降低了原油的粘度，提高了原油的流动性。粘度越高，注入二氧化碳后降低的幅度越大，达到顺利开采的效果。

利用二氧化碳驱油，提高原油采收度的幅度比较高。二氧化碳驱油具有分子的扩散作用，必须存在足够的扩散时间，才能使二氧化碳溶入原油的分子中，达到驱替的效果。二氧化碳驱油通过改变油水界面的张力来减小驱替的阻力，有利于提高油流的流速。溶于原油中的二氧化碳气体具有溶解气驱油的效力，进一步提高驱油效果。二氧化碳的注入能够提高油层的渗透性，在注入体系中形成碳酸，对岩石孔隙的堵塞有解堵作用，不断提高油井的开采能力，实现增产效果。

二氧化碳驱油作为石油化工领域的新兴技术，具有较强的潜在技术优势，受到国内外研究学者的重视，对此人们做了大量探索性的工作，为缓解石油资源短缺的危机带来新的曙光。然而，在二氧化碳驱替原油的过程中，二氧化碳与原油各组分之间的作用机理复杂，限制了驱油理论和应用研究工作的不断深入。正是考虑到这一点，本课题以二氧化碳为主要对象，采用分子动力学模拟的方法，研究二氧化碳驱替不同岩石孔隙中石油的驱替过程，分析驱替机理，寻获最优工作条件（压力、温度、其它组分等）。

国内外研究现状及发展

近年来，石油消耗日益增加，原油的开采力度和难度也越来越大，但仍然难以满足人们生产生活的消耗。目前，很多国家正大力推进资源的勘探开发工作，以提高本国的石油储备。不断深化国际能源合作，不断推进节能技术的研发工作，是确保国家稳定和经济不断发展的根基。目前，常规的水驱油已经不能确保可观的采收效率。二氧化碳驱油已成为提高石油采收率最显著、最有效的方法之一。二氧化碳驱油提高原油采收效率，不仅对油田稳产增产有重大意义，由于驱油的过程中实现了二氧化碳的地质埋存，因而对节能减排、缓解温室效应等环境问题也做出了新的贡献。

因工业的发展，CO2排放的影响在美国和欧洲一些国家比较早地得到了关注，因此CO2驱油技术在这些国家和地区的研究开始的比较早，方法相较国内也更成熟。

CO2驱油技术的研究工作从1920年开始就有记载，1952年美国大西洋炼油公司获得第一个二氧化碳驱油专利，自此CO2开始逐步成为石油开发技术的研究重点，并且二氧化碳驱油技术研究成为了提高采收率的节能新技术的坚实基础。国外的CO2理论研究和油田矿场的实验工作于上世纪中叶全面启动，主要遍布于北美及苏联等国家。人们通过对比CO2驱在油田中的应用特点发现，CO2驱可广泛的运用在白云层、硅藻石灰型砂岩混合型等类型油藏的开采中。目前，研究人员已掌握了渗透率、油藏深度、原油粘度等参数的最佳设定范围，为进一步提高其应用效率提供保障。但考虑到技术水平和经济费用问题，CO2驱方法在一些地区依然存在一定的限制。近年来研究人员基于可实施操作的范围内，对CO2混相驱和非混相驱的研究做了大量工作，对混相驱和非混相驱的筛选标准主要可分为以下内容：

筛选条件	CO2混相驱	CO2非混相驱
地层岩性	砂岩或碳酸盐岩	无需求
原油粘度/mPa·S	1.5-10	lt;600
重度/°API	22-36	gt;12
含油饱和度/%	22-55	30-70
原油组分	C3-C12含量高	无需求
深度/m	gt;800	gt;600

自1984年以来，人们就开始利用二氧化碳驱油技术提高原油产量，并发现CO2混相驱比非混相驱效果更可观。所以如何使CO2与原油在储层中达到最大混相区，已成为研究人员的主要研究课题。Stalkup在较早前提出用细管实验测定最小混相压力。而后Christiansen和Kim在1986年通过利用升泡仪法以测定最小混相压力，以弥补细管实验用时长、消耗大的不足，但由于只能通过气泡的形状及大小来确定混相条件，难免给测量带来一定主观性且不能给出压力的准确信息。后期人们开始探索动态测量方法，提出界面张力消失法直接在油藏条件下驱替原油，当气相与油相界面张力减小到零时，即达到最小混相压力，该方法大大提高了测量的精度。近年来，人们依然在不断探索更为便捷、准确的测量方法，服务于工程运用当中。

最近，一些学者用分子模拟的方法来研究纳米孔中CO2驱油的微观结构、动力学和采收率，这在实验中是很难测量的。Le等人研究了限制在狭缝状二氧化硅孔隙中的二氧化碳-正丁烷混合物的结构和动力学，其结果与吸附等温线定性一致。与对纳米孔中的CO2和轻质烃（如甲烷、丁烷）或它们的混合物的广泛分子模拟研究相比，对纳米孔中的CO2和长链烃（如癸烷）的混合物的研究很少。曹等人利用分子动力学模拟研究了温度、孔径和油密度对蒙脱石纳米孔中正辛烷扩散系数的影响。王等人描述了温度、驱动力和孔径对纳米孔中CO2和正辛烷流体流动的影响。然而，在这些研究中，不是在没有CO2的情况下研究正辛烷，就是CO2和正辛烷分别被填充进纳米孔，纳米空中CO2和长链烃混合物的微观结构和动力学特性尚不清楚，尽管两者对于理解二氧化碳驱油的机理都很重要。最近，桑托斯等人观测到了CO2取代了吸附在方解石表面的烃类（甲烷、正丁烷和正辛烷），并表明温度、孔径、二氧化碳分数和正烷烃长度是选择性吸附CO2的关键因素。纳米约束下这些混合物的动力学性质人仍需研究。

CO2驱油在我国存在很大的利用空间，技术层面上面临着极大的挑战，与之相对应的基础研究更是需要进一步探索。完善理论，开拓新思路，扩展新方法，不断推进CO2应用的广度和深度，是我国工业化进步的必然需求。

2. 研究的基本内容与方案

我们的工作主要针对理论模拟，利用分子动力学模拟的方法，构建二氧化碳-石油的气液界面模型、石油-岩石的固液界面模型，模拟二氧化碳驱替岩石孔隙石油的驱替过程，分析其驱替机理。

常用的分子动力学模拟软件有AMBER，CHARMM，Gromacs，LAMMPS，NAMD。Gromacs（Gronigen Machine for ChemicalSimulation）用C语言编写，由荷兰格罗宁根大学的化学习和计算机系在1990s早期开始的合作项目中开发，目的是建立分子动力模拟的专用的并行计算系统。2001年后，Gromacs由皇家理工学院和瑞典乌普萨拉大学的Gromacs开发部门团队负责开发。Gromacs支持多种立场，包括GROMOS、OPLS、AMBER等，能处理极化的壳模型和灵活的约束，支持非均衡动态和自由能的测定，提供了流行的量子化学软件的接口，因此Gromacs是很灵活的。与其他软件相比，Gromacs的优点在于：1）通过大量算法的优化，其计算功能更强大；2）通过二进制文件来写入坐标，提供了一个压缩性很强的轨迹数据储存方法，压缩精度可以由用户来选择；3）为轨迹分析提供了大量辅助工具等。经过比较，我们选择Gromacs作为进行分子动力模拟的工具。

3. 研究计划与安排

第1 －3周 ：查阅相关文献资料，明确研究内容，确定方案，完成开题报告。

第4 －6周 ：学习分子动力学模拟。

第7－12周 ：利用分子动力学对纳米孔内二氧化碳驱油进行研究。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] a. zhu, x. zhang, q. liu, q. zhang, a fullyflexible potential model for carbon dioxide, chin. j. chem. eng. 17 (2009) 268-272.

[2] nagarajan n, robinson rl, equilibrium phasecompositions, phase densities, and interfacial tensions for carbon dioxide hydrocarbonsystems. 2. carbon dioxide n-decane. journal of chemical amp; engineeringdata, 1986, 31(2) 168 ~ 171.

[3] feng h, et al., md simulation of self-diffusionand structure in some n-alkanes over a wide temperature range at highpressures. journal of molecular modeling, 2013, 19(1) 73 ~ 82.