分子模拟技术在“油田化学工程”教学中的应用

［摘 要］ 针对传统教学方法的局限性，探讨了分子模拟技术在“油田化学工程”教学中的应用及建议。分子模拟技术能够将钻井化学、采油化学、集输化学内容中多种较为抽象的油田化学机理通过软件进行计算并实现可视化，使学生能够更直观地理解和掌握如黏土矿物等的微观结构及在分子层面理解化学过程，明显感受到从静态到动态、从抽象到具体的学习体验差异，极大地提升了教学效果。此外，通过分子模拟技术的引入，可以激发学生对“油田化学工程”的学习兴趣，提高他们的学习热情和参与度，培养其科研兴趣。最后，提出了进一步在“油田化学工程”课程中应用分子模拟技术的一系列建议。

［关键词］ 分子模拟技术；油田化学工程；教学改革；可视化

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2025）04-0153-06

一、“油田化学工程”课程特点及教学现状分析

随着我国经济的快速发展和技术的不断进步，高校教育环境逐渐迈向现代化和国际化。近年来，我国教育政策一直鼓励并着重于促进教育教学方法的创新和内容的深化。高校作为培养未来社会生力军的摇篮，教学质量和教学方法不仅影响到学生的学术发展，更影响到他们的综合素质和实际应用能力。

“油田化学工程”是石油工程专业的主要课程之一，是中国石油大学（北京）克拉玛依校区面向石油工程专业开设的必修课，是一门应用性很强的工程技术性课程，也是研究用化学方法解决油田作业中遇到的各种问题的应用科学。这门课涉及钻井、采油和储运等与油田作业有关的各个方面。在学生了解化学、钻井和采油等与石油工程有关的工艺基础上，旨在使学生了解和掌握常用的油田化学剂的使用及其作用机理，提高学生分析问题和解决问题的能力，使学生学会用化学方法去解决石油工程中所遇到的问题。本课程的主要内容可分为三大部分：第一部分为钻井化学，包括黏土矿物学、钻井液化学和水泥浆化学；第二部分为采油化学，介绍了各类油田化学剂的性质、用途和作用，如表面活性剂和水溶性聚合物；第三部分为集输化学，介绍了集输过程中的防腐破乳和污水处理等内容。“油田化学工程”课程教学要求学生全面掌握油田化学的基本原理、油田化学剂的种类以及其作用原理；了解油田化学的现状及发展方向。

目前，课时安排情况为：钻井化学18个学时，采油化学14个学时，集输化学6个学时，课内教学之外安排了8个学时的实验课，主要内容为钻井化学，包括钻井液的制备、水泥浆制备及其常规性能测试（黏度、滤失量、稠化时间、流变性等）。在教学过程中，发现存在一些亟须改革的问题。课堂所用的经典油田化学教材《油田化学》中关于化学药剂作用机理的叙述虽然详尽具体［1］，但受成书时间限制，分子层面的图像展示较为欠缺，使得学生对黏土矿物的结构和各种油田化学章节所设计的机理只能有一个定性的认识，缺乏深入理解。基于经典教材的教学，往往导致学生以机械记忆的方式掌握“油田化学工程”的部分课程内容，进而影响学生的学习兴趣和参与度。以往学生总体反映本门课程虽然为化学，但学起来与文科课程类似，须要大量记忆，理解不足。

为了改善这一现状，使学生真正掌握和运用“油田化学工程”知识，基于已有成功案例［2］，在教学实践中引入分子模拟的环节。随着计算机硬件及软件的进步，单机或工作站的计算能力已经足以满足一定尺度的分子模拟操作，而不再必须借助远程的超级计算机或计算集群，这促进了分子模拟技术的普及，使分子模拟技术在石油工程整体的应用得到了极大的推广，尤其在油田化学领域利用分子模拟方法对各种现象的机理和油田化学药剂的优化设计近年来稳步推进。在分子模拟技术中，以具有质量、体积、电荷的质点描述原子，并以牛顿第二定律为基础，通过不同的力场参数规定原子或分子之间在范德华力、静电力作用下的相互运动［3］，并可在运算中实现对分子之间相互作用能量的量化，将分子在固-液、液-液界面的吸附和排列方式、分子缔合、自发渗吸、由浓度梯度导致的扩散等现象在软件中实现可视化，并严格控制体系的组分和浓度，精确控制体系的压力和温度。通过与可视化软件的结合使用，学生能够更直观地理解和掌握多种与界面及黏土相关的分子层面化学过程，明显感受到从静态到动态、从抽象到具体的学习体验差异，极大地提升教学效果。此外，通过引入分子模拟技术，可以激发学生对“油田化学工程”的学习兴趣，提高他们的学习热情和参与度。以下以四个实例展示并分析分子模拟技术在“油田化学工程”教学实践中的应用效果。

二、分子模拟在“油田化学工程”教学中的应用案例

（一）分子模拟在黏土矿物教学中的应用

在学习钻井液化学时，虽然教材上有黏土晶体片层的示意图（见图1），但利用平面图形讲解各种立体概念，如硅氧四面体、铝氧八面体等在晶体中的分布及片层间结合方式等依然较不直观。尤其在前期教学中发现，学生对铝氧八面体的形状理解困难。往届考题中的相关内容得分率较不理想。

在讲授黏土矿物如蒙脱石的晶体结构时，传统的教学方法往往依赖于二维图片和静态模型，可能难以让学生充分理解其三维结构和层间关系。在教学中引入分子模拟方法，便于进行黏土矿物的结构演示。利用分子模拟及可视化软件，如Materials Studio、VMD等，可以展示蒙脱石的三维晶体结构，并通过拖动及改变视角等方式展现其层状特点以及铝氧八面体和硅氧四面体的排列方式（见图2）。这种动态演示不仅增强了学生的直观感知，而且能帮助他们更好地理解黏土矿物的基本结构特征。将分子软件中和网络上丰富的晶体结构库导入，可更好地展示作为非重点教学内容的坡缕石和海泡石的链层状结构的含义。

此外，关于蒙脱石的膨胀性机理，通过分子模拟技术可以向学生展示水分子进入蒙脱石层间的过程，展示其层间距的变化。模拟结果可明显观察到水分子首先在黏土表面形成较为紧密的吸附层，而后进一步进入蒙脱石片层间。这种模拟不仅加深了学生对理论知识的理解，而且激发了他们对科学现象背后机制的好奇心。

黏土矿物的表面吸附性是其重要的物理化学性质之一。利用分子模拟技术，可以模拟不同离子或分子（如防膨剂）在黏土矿物表面的吸附过程，分析吸附能、吸附位点等关键参数。这种模拟不仅帮助学生理解黏土矿物的表面吸附机理，而且为他们未来从事相关领域的研究提供了基础。

尤其讲解K+离子的黏土防膨机理时，在展示K+离子在蒙脱石表面的吸附时，可利用分子模拟模型展示蒙脱石晶面上的六边形空穴结构及K+离子是如何与12个氧原子形成配位的，并通过分子模拟轨迹展示K+离子在蒙脱石表面的吸附和其对层间距的影响。在该部分章节教学结束后，学生认为对所涉及的三种黏土矿物，即蒙脱石、伊利石、高岭石的结构掌握良好，结课考试中相关部分内容得分率显著提高。

（二）分子模拟在阻垢剂机理教学中的应用

阴离子表面活性剂及部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）在使用中的效果受到钙镁离子的影响较大，原因为其中的带负电基团与钙镁离子形成离子对，导致溶解度下降甚至沉淀［4］。与此机理类似，油田中常用的阻垢剂为羧酸盐、膦酸盐等，其中的羧酸基和膦酸基可与钙镁离子间形成螯合结构，其本质依然涉及离子对的形成［5］。

在讲解如何抑制碳酸钙垢形成时，传统的教学方法往往侧重于理论讲解和实验验证，而利用分子模拟技术可以模拟阻垢剂分子与碳酸钙晶体表面的相互作用，展示阻垢剂分子如何吸附在晶体表面，阻断晶体生长点，从而抑制垢的形成。磷酸钙垢是另一种常见的水垢类型。通过分子模拟技术，可以模拟阻垢剂分子与磷酸钙颗粒之间的相互作用，分析阻垢剂如何改变颗粒表面的电荷分布，使颗粒之间产生静电斥力，从而实现分散效果。这种模拟不仅有助于学生理解碳酸钙、磷酸钙垢的分散机理，而且能培养其空间想象能力，增强学生对理论知识的掌握。

在讲解钙镁离子对羧酸盐类有机阴离子型油田化学药剂的影响及阻垢剂的螯合机理时，可通过逐步改变羧酸离子与钙镁离子之间的距离，并对其周围水分子进行能量最小化的方法展示水分子在离子周围的定向排列，并借此解释水化层、水动力学半径的含义及不同种类离子对（紧密、中性、松散）的区别（见图3），帮助学生理解二价金属离子对羧酸盐类表面活性剂效果的伤害及阻垢剂防钙垢的原理。此外，可利用此分子模拟解释阴离子类表面活性剂在碳酸盐岩表面的吸附，以及碳酸盐岩表面因油酸的吸附由水湿转变为油湿的机理等教学内容。教学中发现学生对水化层的可视化兴趣明显，有的学生在课后作业的发散思维题目中提出，可利用分子模拟的手段对阻垢剂的结构进行优化，表明分子模拟方法在“油田化学工程”教学中的实践，有效扩展了学生对于探究油田化学机理的思维方式。

（三）分子模拟在水泥水化过程教学中的应用

水泥的水化、稠化及硬化一直以来是“油田化学工程”的教学重点和难点，原因在于水泥干粉中加入大量的水混合后会转化为坚硬的固体这一现象虽然在日常生活中常见，但其内在机理——水分子以水化物的形式依然存在于水泥石中，并因此形成空间结构导致稠化直至硬化，而非以蒸发的方式“变干”。即水化物的概念与日常经验相距较远，若仅靠教材中对水泥水化过程的文字描述及学生的想象，教学效果较为不理想，学生也反映，此部分内容的掌握多为机械背诵。教学中可以通过布置预习作业的形式要求学生自主调研文献，鼓励学生从分子角度对该过程进行理解。教学过程中发现，该方法效果较好，学生提交的作业中包含了多种形式的水化物、水合硅酸钙的形态、空间结构示意图及水化物中水分子的存在方式等。部分结果如图4所示［6］。课后学生反映，借助分子模拟的可视化加深了对水泥水化过程的理解，取得了较好的教学效果。

（四）分子模拟在采油化学教学中的应用

在提高采收率的过程中，表面活性剂扮演着至关重要的角色。利用分子模拟技术可以展示表面活性剂分子在油水界面上的吸附过程，展示其如何通过降低界面张力使油滴易于变形，并通过将阳离子表面活性剂加入油水岩石体系中，观察表面活性剂在油水岩石三相周界处的聚集，并从能量角度分析其改变岩石表面的润湿性的原理，增加学生对表面活性剂作用原理的认识。此外，分子模拟在表面活性剂部分内容教学中的重要作用还体现在其可以使胶束的形成过程可视化，体现随着表面活性剂浓度的增加，其分子是如何逐渐自发聚集形成球状胶束的。

聚合物驱油是一种常用的提高采收率的技术，其驱油机理的核心是可使水相黏度显著增加以改善波及系数，而这种增黏能力来自分子链之间互相纠缠产生的空间结构。通过分子模拟技术，可以模拟聚合物分子在水溶液中的聚集形态，并借此进一步阐述分子层面黏度的本质和计算方法。

通过分子模拟，不仅揭示了表面活性剂和聚合物在提高采收率中的作用，而且激发了学生对新技术和新方法的探索兴趣。这种模拟不仅有助于学生理解提高采收率过程中油田化学的机理，而且能培养他们的跨学科思维能力和解决问题的能力。

从以上教学案例中可知，在传统教学模式中，教学内容多为静态、定型的描述，学生是被动接受者，仅通过文字和图示学习油田化学现象，难以直观感知微观层面的机理，容易导致抽象、笼统的理解。而在“油田化学工程”中，结合可视化的分子模拟技术，利用分子模拟为学生展示化学过程的动态图像，加强课程的互动性，使学生由被动学习转向主动探索，能够让学生实时观察微观过程，直观、形象地了解复杂的油田化学机理。在“油田化学工程”的所有主要模块（钻井化学、采油化学、集输化学）中，成功融合分子模拟技术，可确保学生在各个核心领域都能够通过直观的模拟实现对油田化学涉及的微观机理进行深入理解。通过实施动态、互动的教学方式，在课程结束后，至少80%的学生表示，他们的课堂参与度和兴趣度明显增加，与之前的传统教学模式相比有显著的提升。

鉴于已取得的良好教学成果，今后的“油田化学工程”教学将继续采用分子模拟技术对教学进行辅助，并持续改进。

三、分子模拟在“油田化学工程”教学中进一步融合的建议