CN107133458A - 基于分子动力学模拟气体在钻井液中溶解特性的评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分子动力学模拟气体在钻井液中溶解特性的评价方法，它包括以下步骤；S1、构建钻井液基液分子模型并进行几何优化，S2、构建气体‑钻井液体系晶胞结构并进行几何优化，S3、气体‑钻井液体系退火去应力，S4、对气体‑钻井液体系进行动力学弛豫，S5、对气体‑钻井液体系进行NPT分子动力学模拟，S6、计算微观特征参量，S7、评价气体在钻井液中溶解特性。本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于分子动力学模拟气体在钻井液中溶解特性的评价方法，有助于全面的认识气体‑钻井液体系相行为、明确气体在钻井液中的溶解机理、评价不同条件下气体在钻井液中的溶解特性。
Description
技术领域
本发明涉及气体溶解特性评价技术领域，具体涉及一种基于分子动力学模拟气体在钻井液中溶解特性的评价方法。
背景技术
井控安全是油气勘探开发作业过程中的关键问题之一。油气井钻井过程中发生溢流，若没有及时采取合理有效的井控措施，极易引发恶性井喷事故，造成重大人员伤亡和财产损失。精确的井筒压力控制是确保井控作业安全的核心。油气井溢流条件下，地层气体在钻井液中存在一定的溶解度，其会影响环空自由气量以及多相流流态分布，特别是在油基和合成基钻井液中溶解度非常大的情况下，溢流气体在部分井段甚至可能完全溶于钻井液中，出现单相流状态。针对上述问题，国内外学者在实验研究和理论模型方面做了大量工作，取得了一定的有益认识，但受制于实验条件的制约，目前的研究成果还是存在一定的局限性。此外，尽管相关的研究工作被相继报道，但是仍缺乏对气体-钻井液体系相行为的一个全面认识，气体在钻井液中的溶解机理尚未明确。
分子动力学模拟(Molecular Dynamics)基于经典力学方法，通过力场(势能函数)从分子角度来表征体系的构象和能量，研究分子的运动规律，从而得到体系的热力学性质及其它宏观特性。分子动力学模拟目前已经广泛应用于气液相平衡体系的微观结构和传质机理研究领域。气体在钻井液中的溶解扩散行为本质上属于气液传质范畴，现阶段对于不同温度、压力条件下气体在不同体系和组分钻井液中溶解特性差异的内在机理研究尚未见相关报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于分子动力学模拟气体在钻井液中溶解特性的评价方法，有助于全面的认识气体-钻井液体系相行为、明确气体在钻井液中的溶解机理、评价不同条件下气体在钻井液中的溶解特性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
基于分子动力学模拟气体在钻井液中溶解特性的评价方法，它包括以下步骤；
S1、构建钻井液基液分子模型并进行几何优化，采用气相色谱-质谱联用仪对钻井液基液进行组分定量分析，确定各组分的分子结构式，利用Materials Studio软件中的Visualizer模块构建钻井液各组分分子模型，并对其进行能量最小化处理，优化几何结构；
S2、构建气体-钻井液体系晶胞结构并进行几何优化，根据钻井液配方，确定各添加剂比例及分子结构，结合钻井液基液分子模型，利用Materials Studio软件中的Amorphous Cell 建立气体-钻井液体系晶胞结构，并对其进行能量最小化处理，优化初始结构；
S3、气体-钻井液体系退火去应力，完成步骤S2后再利用Materials Studio软件中的Forcite模块对气体-钻井液体系进行300K～500K、5ps的退火处理，消除周期性盒子内的局部应力；
S4、对气体-钻井液体系进行动力学弛豫：
S4(I)选择全局能量最低构象进行100ps的NVT动力学弛豫，使得气体-钻井液体系充分达到平衡；
S4(II)再对体系进行10ps的NVE动力学弛豫，以消除NVT动力学弛豫中的控温函数对气体-钻井液体系的影响；
S5、对气体-钻井液体系进行NPT分子动力学模拟，在指定温度、压力下对气体-钻井液体系进行NPT动力学模拟计算，设定时间为1000ps，设定时间步长1fs，每5000步输出一次轨迹数据；
S6、计算微观特征参量，在Materials Studio软件中的Forcite模块中对步骤S4中输出的分子动力学轨迹数据进行分析，计算气体-钻井液体系晶胞结构的相关微观特征参量，所述的微观特征参量包括自由体积、相互作用能和溶解自由能，即可通过分析自由体积、相互作用能和溶解自由能的值来分析气体在钻井液中溶解的微观机理；
S7、评价气体在钻井液中溶解特性，改变温度、压力和钻井液基液组分中的一项或者多项，再重复步骤S1～S6，对比分析不同模拟条件下晶胞结构的微观特征参量的变化规律，评价不同条件下气体在钻井液中的溶解特性。
所述的步骤S1和步骤S2中能量最小化处理具体实现方法是在Materials Studio软件中选择Smart算法，设定力场COMPASSⅡ，设定精度Ultra-fine，且设定迭代步数为1000步，就可利用Forcite模块进行能量最小化处理。
所述的步骤S2中构建气体-钻井液体系晶胞结构的具体方法是，控制总原子数为4000～4200，在Materials Studio的Amorphous Cell模块中按比例设定钻井液各组分的个数和气体的个数，将钻井液的实际密度设定为密度，设定精度Ultra-fine，即可通过Amorphous Cell模块构建出气体-钻井液体系无定形晶胞结构。
所述的步骤S4和步骤S5中进行动力学计算的具体方法是，设定力场为COMPASSⅡ通用力场，温度控制的选项中选择Nose热浴法为，压力控制的选项中选择Berendsen恒压法，范德华作用力设定为Ewald法，静电相互作用力设定为PPPM法。
所述的步骤S6中计算自由体积的具体方法是，根据气体分子动力学直径确定探针分子半径、并在Materials Studio软件中设定探针分子半径，设定网格间距即可计算出自由体积；
所述的步骤S6中计算相互作用能的具体方法是，设混合体系能量为E混合体系，纯溶液体系能量为E纯溶液，纯气体体系能量为E纯气体，相互作用能为E相互作用，
则：E混合体系＝E纯溶液+E纯气体+E相互作用 (1)，
设定精度Ultra-fine，设定力场为COMPASSⅡ力场，就可以通过Materials Studio软件分别计算出混合体系能量、纯溶液体系能量和纯气体体系能量，
通过公式(1)得到相互作用能为：E相互作用＝E混合体系-E纯溶液-E纯气体 (2)，
即完成对相互作用能的计算。
所述的步骤S6中计算溶解自由能的具体方法是，选择所有气体分子并将其设定为溶质，设定平衡步数为50000，设定生产步数为100000，设定耦合步数为5，选取Thermodynamic integration算法，即可由Materials Studio软件计算出溶解自由能。
本发明的有益效果是：在分子层面深入研究气体在钻井液中溶解微观行为，揭示气体在钻井液中的溶解机理，加强对气体-钻井液相行为的认识；提供一种简便、快速、准确的评价气体在钻井液中溶解特性的方法，特别是可对现有实验设备无法达到的高温、高压情况进行模拟研究，可减少相关的实验工作量，节约研究成本，经济环保。
附图说明
图1为本发明方法的流程框图；
图2为实施例1中甲烷-白油基钻井液体系晶胞单元的自由体积分布示意图；
图3为实施例1中单个甲烷分子受到的相互作用能分布示意图；
图4为实施例1中单个甲烷分子的溶解自由能分布示意图；
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
实施例1
选取甲烷-白油基钻井液体系作为气体-钻井液体系，基于分子动力学模拟甲烷在白油基钻井液中的溶解特性，具体实施步骤包括：
S1、白油分子模型及几何优化：采用气相色谱-质谱联用仪对5#白油进行组分定量分析，确定各组分的分子结构式，利用Materials Studio中的Visualizer模块构建白油各组分分子模型，并选择Smart算法，设定COMPASSⅡ力场，设定精度Ultra-fine，设定迭代步数1000步，即可通过Forcite模块进行能量最小化处理，优化白油各组分分子模型的几何结构。
S2、甲烷-白油基钻井液体系晶胞结构及几何优化：根据白油基钻井液配方，确定各添加剂比例及分子结构，结合白油分子模型，在Materials Studio软件的AmorphousCell模块建立甲烷-白油基钻井液体系无定形晶胞结构，按比例设定各组分的个数，确定最终总原子数为4183，然后选择Smart算法，设定力场COMPASSⅡ，设定精度Ultra-fine，设定迭代步数为1000步，通过Forcite模块对甲烷-白油基钻井液体系模型进行能量最小化处理，优化甲烷-白油基钻井液体系的初始结构。
S3、退火去应力：利用Materials Studio软件中的的Forcite模块对甲烷-白油基钻井液体系进行温度为300K-500K，时间为5ps的退火处理，以消除周期性盒子内的局部应力。
S4、动力学弛豫：设定力场为COMPASSⅡ通用力场，温度控制的选项中选择Nose热浴法为，压力控制的选项中选择Berendsen恒压法，范德华作用力设定为Ewald法，静电相互作用力设定为PPPM法，即可对甲烷-白油基钻井液体系全局能量最低构象进行时间为100ps的NVT动力学弛豫，使得甲烷-白油基钻井液体系充分平衡；再对甲烷-白油基钻井液体系进行时间为10ps的NVE动力学弛豫，以消除NVT动力学弛豫中温度控制对甲烷-白油基钻井液体系的影响。
S5、NPT分子动力学模拟：在30℃、10MPa下对甲烷-白油基钻井液体系进行时间为1000ps的NPT动力学模拟计算，压力控制采用Berendsen恒压法，范德华作用力采用Ewald法表征，静电相互作用力采用PPPM法表征，设定时间步长1fs，设定每5000步输出一次轨迹数据。
S6、计算微观特征参量：根据轨迹数据可以得出相关微观特征参量，微观特征参量包括自由体积、相互作用能和溶解自由能。
其中，如图2所示，自由体积即体系中未被原子占据的空隙体积。空隙体积越多，代表可供气体分子填充的空间也就越多，在宏观上反映出来就是相同条件下能够溶解的气体更多，钻井液中自由体积的大小决定了气体分子可充填空间的多少，也就是钻井液对气体分子的“容量”。
根据气体分子动力学直径确定探针分子半径、并在Materials Studio软件中设定探针分子半径，设定网格间距即可计算出自由体积。可以得到如图2所示的单个甲烷分子的自由体积分布示意图。
设混合体系能量为E混合体系，纯溶液体系能量为E纯溶液，纯气体体系能量为E纯气体，相互作用能为E相互作用，
则：E混合体系＝E纯溶液+E纯气体+E相互作用 (1)，
设定精度Ultra-fine，设定力场为COMPASSⅡ力场，就可以通过Materials Studio软件分别计算出混合体系能量、纯溶液体系能量和纯气体体系能量，
通过公式(1)得到相互作用能为：E相互作用＝E混合体系-E纯溶液-E纯气体 (2)，
计算出相互作用能。可以得到如图3所示的单个甲烷分子的相互作用能分布示意图。
选择所有甲烷气体分子并将其设定为溶质分子，设定平衡步数为50000，设定生产步数为100000，设定耦合步数为5，选取Thermodynamic integration算法，即可由Materials Studio软件计算出溶解自由能。可以得到如图4所示的单个甲烷分子的溶解自由能分布示意图。
相互作用能可以表征溶质分子与溶剂分子间的相互作用机制，相互作用能为负代表粒子与溶剂之间为相互吸引作用，其绝对值越大相互吸引作用越强，钻井液对气体分子的吸引结合作用驱动气体分子填充在钻井液空隙中，通俗上讲就是驱动气体溶解的“能量”。溶解自由能是指把溶质从气态放到溶液中所需要做的功，单个气体分子溶解在钻井液中所需要做的功，其实可以理解为“路径”，单个气体分子在不同条件下溶解的“路径”不同，每种路径所需要做的功不同。因此，当“容量”(自由体积)和“能量”(相互作用能)越大，“路径”越好(溶解自由能越低)，则溶解度越高。因此可通过分析自由体积、相互作用能和溶解自由能的值来分析气体在钻井液中溶解的微观机理。
S7、评价甲烷气体在白油基钻井液中的溶解特性：温度设定不变，依次将压力设置为15MPa、30MPa、45MPa和60MPa，分别重复步骤S1～S6；再将温度改为70℃或者120℃，并依次将压力设置为10MPa、15MPa、30MPa、45MPa和60MPa，分别重复上述步骤S1～S6。最后可以得到多组不同温度、压力条件下的微观特征参量。对比分析不同模拟条件下微观特征参量的变化规律，就可以评价不同温度和不同压力条件下甲烷在白油基钻井液中的溶解特性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.基于分子动力学模拟气体在钻井液中溶解特性的评价方法，其特征在于：它包括以下步骤；
S1、构建钻井液基液分子模型并进行几何优化，采用气相色谱-质谱联用仪对钻井液基液进行组分定量分析，确定各组分的分子结构式，利用Materials Studio软件中的Visualizer模块构建钻井液各组分分子模型，并对其进行能量最小化处理，优化几何结构；
S2、构建气体-钻井液体系晶胞结构并进行几何优化，根据钻井液配方，确定各添加剂比例及分子结构，结合钻井液基液分子模型，利用Materials Studio软件中的AmorphousCell建立气体-钻井液体系晶胞结构，并对其进行能量最小化处理，优化初始结构；
S3、气体-钻井液体系退火去应力，完成步骤S2后再利用Materials Studio软件中的Forcite模块对气体-钻井液体系进行300K～500K、5ps的退火处理，消除周期性盒子内的局部应力；
S4、对气体-钻井液体系进行动力学弛豫；
S4(I)选择全局能量最低构象进行100ps的NVT动力学弛豫，使得气体-钻井液体系充分达到平衡；
S4(II)再对体系进行10ps的NVE动力学弛豫，以消除NVT动力学弛豫中的控温函数对气体-钻井液体系的影响；
S5、对气体-钻井液体系进行NPT分子动力学模拟，在指定温度、压力下对气体-钻井液体系进行NPT动力学模拟计算，设定时间为1000ps，设定时间步长1fs，每5000步输出一次轨迹数据；
S6、计算微观特征参量，在Materials Studio软件中的Forcite模块中对步骤S4中输出的分子动力学轨迹数据进行分析，计算气体-钻井液体系晶胞结构的相关微观特征参量，所述的微观特征参量包括自由体积、相互作用能和溶解自由能，即可通过分析自由体积、相互作用能和溶解自由能的值来分析气体在钻井液中溶解的微观机理；
S7、评价气体在钻井液中溶解特性，改变温度、压力和钻井液基液组分中的一项或者多项，再重复步骤S1～S6，对比分析不同模拟条件下晶胞结构的微观特征参量的变化规律，评价不同条件下气体在钻井液中的溶解特性。
2.根据权利要求1所述的基于分子动力学模拟气体在钻井液中溶解特性的评价方法，其特征在于：所述的步骤S1和步骤S2中能量最小化处理具体实现方法是在MaterialsStudio软件中选择Smart算法，设定力场COMPASSⅡ，设定精度Ultra-fine，且设定迭代步数为1000步，就可利用Forcite模块进行能量最小化处理。
3.根据权利要求1所述的基于分子动力学模拟气体在钻井液中溶解特性的评价方法，其特征在于：所述的步骤S2中构建气体-钻井液体系晶胞结构的具体方法是，控制总原子数为4000～4200，在Materials Studio的Amorphous Cell模块中按比例设定钻井液各组分的个数和气体的个数，根据钻井液的实际密度设定晶胞结构密度，设定精度Ultra-fine，即可通过Amorphous Cell模块构建出气体-钻井液体系无定形晶胞结构。
4.根据权利要求1所述的基于分子动力学模拟气体在钻井液中溶解特性的评价方法，其特征在于：所述的步骤S4和步骤S5中进行动力学计算的具体方法是，设定力场为COMPASSⅡ通用力场，温度控制的选项中选择Nose热浴法为，压力控制的选项中选择Berendsen恒压法，范德华作用力设定为Ewald法，静电相互作用力设定为PPPM法。
5.根据权利要求1所述的基于分子动力学模拟气体在钻井液中溶解特性的评价方法，其特征在于：所述的步骤S6中计算自由体积的具体方法是，根据气体分子动力学直径确定探针分子半径、并在Materials Studio软件中设定探针分子半径，设定网格间距即可计算出自由体积。
6.根据权利要求1所述的基于分子动力学模拟气体在钻井液中溶解特性的评价方法，其特征在于：所述的步骤S6中计算相互作用能的具体方法是，设混合体系能量为E混合体系，纯溶液体系能量为E纯溶液，纯气体体系能量为E纯气体，相互作用能为E相互作用，
则：E混合体系＝E纯溶液+E纯气体+E相互作用 (1)，
设定精度Ultra-fine，设定力场为COMPASSⅡ力场，就可以通过Materials Studio软件分别计算出混合体系能量、纯溶液体系能量和纯气体体系能量，
通过公式(1)得到相互作用能为：E相互作用＝E混合体系-E纯溶液-E纯气体 (2)，
即完成对相互作用能的计算。
7.根据权利要求1所述的基于分子动力学模拟气体在钻井液中溶解特性的评价方法，其特征在于：所述的步骤S6中计算溶解自由能的具体方法是，选择所有气体分子并将其设定为溶质分子，设定平衡步数为50000，设定生产步数为100000，设定耦合步数为5，选取Thermodynamic integration算法，即可由Materials Studio软件计算出溶解自由能。
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