CN111477283A - 一种基于软件利用分子动力学模拟稠油滴的乳化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于软件利用分子动力学模拟稠油滴的乳化方法,涉及分子动力学模拟技术领域,包括如下步骤:(一)构建模型:(1)建立稠油模型;(2)建立水包油乳化液模型;(3)建立表面活性剂驱油水包油乳化液模型;(二)分子动力学模拟。本发明提供一种从分子角度分析稠油乳化机理的方法;方法清洁环保,区别于传统实验方式;且其操作方便,整体成本低。
Description
技术领域
本发明涉及分子动力学模拟技术领域,具体是一种基于软件利用分子动力学模拟稠油滴的乳化方法。
背景技术
三次采油中为了提高采收率,需要对稠油降黏乳化。稠油中造成黏度大的主要原因是其中含有的沥青质和胶质分子,其中技术制约主要是由于沥青质与胶质结构的复杂性导致其黏度大造成的。沥青质具有多重芳香环及氮硫等原子的大分子片状化合物。研究表明,油田中的页岩层缝隙中能够形成稳定的水包油乳状液是因为沥青质的作用。因此,沥青质成为稠油中亟需研究其结构行为特点的重要组分。
实验室技术的发现使得各种仪器有了广泛应用。其中一些也已经应用于研究稠油中沥青质的性质和特点。比如,显微镜技术用于研究沥青质在油水界面的自聚集和分散等行为。使用原子力显微镜(AFM)观察沥青质在固液、液液界面上聚集成膜的结构,显示出的表观特点。
然而,常规实验至今仍无法给出稠油中成分的准确含量和组成。表面活性剂驱油乳化效果的微观机理在分子水平上也无法通过一些常规实验研究,沥青质在分子水平的性质无法得知。
发明内容
为了克服以上现有技术的不足,本发明的任务是提供一种基于软件利用分子动力学模拟稠油滴的乳化方法;通过设计表面活性剂驱油的模型,在分子水平上研究表面活性剂驱油乳化机理,为生产上三次驱油中的表面活性剂驱油提供理论参考。
本发明为实现上述目的,采用以下技术方案:
一种基于软件利用分子动力学模拟稠油滴的乳化方法,包括如下步骤:
(一)构建模型:
(1)建立稠油模型:
在GROMACS软件内,先构建10×10×10nm3的空格子,再将烃类、沥青质、胶质依次加入,然后使用最速下降法进行能量最小化程序,设置收敛标准为1000kJ·mol-1·nm-1,步数为5000步,设置温度为300K,压力为1atm,键长使用LINCS算法约束,随后进行30ns时长的NPT系统模拟,完成后得稠油模型;
(2)建立水包油乳化液模型:
将操作(1)建立的稠油模型放在另一个空盒子中心,控制此盒子的尺寸大于稠油模型的尺寸,随后将盒子剩余空间填满水,接着进行收敛标准为1000kJ·mol-1·nm-1的能量最小化,之后进行NVT系综模拟,设置温度为300K,压力为1atm,键长使用LINCS算法约束,完成后得水包油乳化液模型;
(3)建立表面活性剂驱油水包油乳化液模型:
删掉操作(2)所得的水包油乳化液模型中的水分子,得到一个稠油滴,然后将该稠油滴加入11×11×13nm3的空盒子中,接着为了得到表面活性剂浓度对乳化驱油的能力,随机添加表面活性剂分子到含有上述稠油滴的盒子中,最后将盒子剩余空隙填满水分子得到最后的表面活性剂驱油水包油乳化液模型;
(二)分子动力学模拟:
将步骤(一)得到的表面活性剂驱油水包油乳化液模型设置1000kJ·mol-1·nm-1收敛标准的能量最小化,之后进行至少50ns的NPT系统的动力学计算即可。
进一步的,步骤(一)操作(1)中所述的烃类包括烷烃、环烷烃、芳烃;所述的烷烃包括己烷、庚烷、辛烷和壬烷;环烷烃包括环己烷、环庚烷;芳烃包括苯、甲苯。
进一步的,步骤(一)操作(3)中所述的表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠。
进一步的,步骤(二)中所述的动力学计算中,温度设置为300K,压力为1atm,步长为2fs;压力耦合方式为Berendsen压力耦合,1ps的压力耦合方式;NPT系统的等温压缩系数为4.5×10-5bar-1,在X、Y方向上设置周期性边界调节,Z方向保持不变;velocityrescaling thermostat控温方式,0.1ps的温度耦合方式;particle-mesh Ewald求和计算静电作用,Van Der Waals与Lennard-Jones势的截断半径设置1.4nm;最初的原子速度由Maxwell-Boltzmann分布决定,蛙跳Verlet算法积分统计运动轨迹,Verlet近邻列表每10步更新一次。
进一步的,步骤(二)中所述的动力学计算中,温度设置为300K,压力为1atm,步长为2fs;压力耦合方式为Berendsen压力耦合,1ps的压力耦合方式;NVT系统的等温压缩系数为4.5×10-5bar-1,在X、Y、Z方向上设置周期性边界调节;velocity rescaling thermostat控温方式,0.1ps的温度耦合方式;particle-mesh Ewald求和计算静电作用,Van DerWaals与Lennard-Jones势的截断半径设置1.4nm;最初的原子速度由Maxwell-Boltzmann分布决定,蛙跳Verlet算法积分统计运动轨迹,Verlet近邻列表每10步更新一次。
本发明的有益效果是:
(1)本发明提供一种从分子角度分析稠油乳化机理的方法;(2)本发明方法清洁环保,区别于传统实验方式;(3)本发明操作方便,整体成本低,仅需要安装GROMACS软件和一台服务器即可永久使用,无需多次购买试剂研究。
附图说明
图1是本发明的工艺示意图。
图2是本发明中稠油分子的结构图。
图3是本发明各体系十二烷基苯磺酸钠与沥青质的库伦和VDW作用示意图。
图4是本发明各体系乳化油滴亲水/疏水表面比值示意图。
图5是本发明各体系乳化油滴表面的氢键数目示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明,本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的,并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是,在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换,但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
一种基于软件利用分子动力学模拟稠油滴的乳化方法,包括如下步骤:
(一)构建模型:
(1)建立稠油模型:
在GROMACS软件内,先构建10×10×10nm3的空格子,再将烃类、沥青质、胶质依次加入,然后使用最速下降法进行能量最小化程序,设置收敛标准为1000kJ·mol-1·nm-1,步数为5000步,设置温度为300K,压力为1atm,键长使用LINCS算法约束,随后进行30ns时长的NPT系统模拟,完成后得稠油模型;
(2)建立水包油乳化液模型:
将操作(1)建立的稠油模型放在另一个空盒子中心,控制此盒子的尺寸大于稠油模型的尺寸,随后将盒子剩余空间填满水,接着进行收敛标准为1000kJ·mol-1·nm-1的能量最小化,之后进行NVT系综模拟,设置温度为300K,压力为1atm,键长使用LINCS算法约束,完成后得水包油乳化液模型;
(3)建立表面活性剂驱油水包油乳化液模型:
删掉操作(2)所得的水包油乳化液模型中的水分子,得到一个稠油滴,然后将该稠油滴加入11×11×13nm3的空盒子中,接着为了得到表面活性剂浓度对乳化驱油的能力,随机添加表面活性剂分子到含有上述稠油滴的盒子中,最后将盒子剩余空隙填满水分子得到最后的表面活性剂驱油水包油乳化液模型;
(二)分子动力学模拟:
将步骤(一)得到的表面活性剂驱油水包油乳化液模型设置1000kJ·mol-1·nm-1收敛标准的能量最小化,之后进行至少50ns的NPT系统的动力学计算即可。
步骤(一)操作(1)中所述的烃类包括烷烃、环烷烃、芳烃;所述的烷烃包括己烷、庚烷、辛烷和壬烷;环烷烃包括环己烷、环庚烷;芳烃包括苯、甲苯。
步骤(一)操作(3)中所述的表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠。
步骤(二)中所述的动力学计算中,温度设置为300K,压力为1atm,步长为2fs;压力耦合方式为Berendsen压力耦合,1ps的压力耦合方式;NPT系统的等温压缩系数为4.5×10- 5bar-1,在X、Y方向上设置周期性边界调节,Z方向保持不变;velocity rescalingthermostat控温方式,0.1ps的温度耦合方式;particle-mesh Ewald求和计算静电作用,Van Der Waals与Lennard-Jones势的截断半径设置1.4nm;最初的原子速度由Maxwell-Boltzmann分布决定,蛙跳Verlet算法积分统计运动轨迹,Verlet近邻列表每10步更新一次。
步骤(二)中所述的动力学计算中,温度设置为300K,压力为1atm,步长为2fs;压力耦合方式为Berendsen压力耦合,1ps的压力耦合方式;NVT系统的等温压缩系数为4.5×10- 5bar-1,在X、Y、Z方向上设置周期性边界调节;velocity rescaling thermostat控温方式,0.1ps的温度耦合方式;particle-mesh Ewald求和计算静电作用,Van Der Waals与Lennard-Jones势的截断半径设置1.4nm;最初的原子速度由Maxwell-Boltzmann分布决定,蛙跳Verlet算法积分统计运动轨迹,Verlet近邻列表每10步更新一次。
本实施例处理工艺图如附图1中所示,所用的稠油分子的结构图如附图2中所示;各体系十二烷基苯磺酸钠(SDSn)与沥青质的库伦和VDW作用如附图3中所示;对应体系乳化油滴亲水/疏水表面比值如附图4中所示;各体系乳化油滴表面的氢键数目如附图5中所示;其中所用稠油分子模拟的配方和种类如表1所示;模拟中体系需要的十二烷基苯磺酸钠(SDSn)分子如表2所示。
表1
表2
结合附图3中可以看出,通过计算各体系表面活性剂与沥青质的非键相互作用,可以得出,A体系中带羧酸根的沥青质与SDSn分子的相互作用较强,且随着表面活性剂的增多作用吸引力越强。
结合附图4中可以看出,亲疏水面积比值表明了A体系乳化油滴的亲水面积始终大于B体系,说明A体系中带羧酸根的沥青质由于极性增加了油滴的亲水面积。同时随着SDSNn的增多,亲水/疏水面积比也逐渐增大,说明在一定范围加入SDSn能增加油滴的亲水性。
结合附图5中可以看出,统计个体系的乳化油滴表面的氢键数目可以看到其与水分子的氢键数目逐渐增大,因此,我们可以知道,增加SDSn是通过增加乳化油滴与水分子的氢键来使得其亲水性增强的。SDSn的磺酸根极性头能够增加乳化油滴的亲水性,进而增加其与水分子的氢键数目。
Claims (5)
1.一种基于软件利用分子动力学模拟稠油滴的乳化方法,其特征在于,包括如下步骤:
(一)构建模型:
(1)建立稠油模型:
在GROMACS软件内,先构建10×10×10nm3的空格子,再将烃类、沥青质、胶质依次加入,然后使用最速下降法进行能量最小化程序,设置收敛标准为1000kJ·mol-1·nm-1,步数为5000步,设置温度为300K,压力为1atm,键长使用LINCS算法约束,随后进行30ns时长的NPT系统模拟,完成后得稠油模型;
(2)建立水包油乳化液模型:
将操作(1)建立的稠油模型放在另一个空盒子中心,控制此盒子的尺寸大于稠油模型的尺寸,随后将盒子剩余空间填满水,接着进行收敛标准为1000kJ·mol-1·nm-1的能量最小化,之后进行NVT系综模拟,设置温度为300K,压力为1atm,键长使用LINCS算法约束,完成后得水包油乳化液模型;
(3)建立表面活性剂驱油水包油乳化液模型:
删掉操作(2)所得的水包油乳化液模型中的水分子,得到一个稠油滴,然后将该稠油滴加入11×11×13nm3的空盒子中,接着为了得到表面活性剂浓度对乳化驱油的能力,随机添加表面活性剂分子到含有上述稠油滴的盒子中,最后将盒子剩余空隙填满水分子得到最后的表面活性剂驱油水包油乳化液模型;
(二)分子动力学模拟:
将步骤(一)得到的表面活性剂驱油水包油乳化液模型设置1000kJ·mol-1·nm-1收敛标准的能量最小化,之后进行至少50ns的NPT系统的动力学计算即可。
2.根据权利要求1所述的一种基于软件利用分子动力学模拟稠油滴的乳化方法,其特征在于,步骤(一)操作(1)中所述的烃类包括烷烃、环烷烃、芳烃;所述的烷烃包括己烷、庚烷、辛烷和壬烷;环烷烃包括环己烷、环庚烷;芳烃包括苯、甲苯。
3.根据权利要求1所述的一种基于软件利用分子动力学模拟稠油滴的乳化方法,其特征在于,步骤(一)操作(3)中所述的表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠。
4.根据权利要求1所述的一种基于软件利用分子动力学模拟稠油滴的乳化方法,其特征在于,步骤(二)中所述的动力学计算中,温度设置为300K,压力为1atm,步长为2fs;压力耦合方式为Berendsen压力耦合,1ps的压力耦合方式;NPT系统的等温压缩系数为4.5×10- 5bar-1,在X、Y方向上设置周期性边界调节,Z方向保持不变;velocity rescalingthermostat控温方式,0.1ps的温度耦合方式;particle-mesh Ewald求和计算静电作用,Van Der Waals与Lennard-Jones势的截断半径设置1.4nm;最初的原子速度由Maxwell-Boltzmann分布决定,蛙跳Verlet算法积分统计运动轨迹,Verlet近邻列表每10步更新一次。
5.根据权利要求1所述的一种基于软件利用分子动力学模拟稠油滴的乳化方法,其特征在于,步骤(二)中所述的动力学计算中,温度设置为300K,压力为1atm,步长为2fs;压力耦合方式为Berendsen压力耦合,1ps的压力耦合方式;NVT系统的等温压缩系数为4.5×10- 5bar-1,在X、Y、Z方向上设置周期性边界调节;velocity rescaling thermostat控温方式,0.1ps的温度耦合方式;particle-mesh Ewald求和计算静电作用,Van Der Waals与Lennard-Jones势的截断半径设置1.4nm;最初的原子速度由Maxwell-Boltzmann分布决定,蛙跳Verlet算法积分统计运动轨迹,Verlet近邻列表每10步更新一次。
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CN112233728A (zh) * | 2020-09-29 | 2021-01-15 | 华南理工大学 | 基于乳化剂的沥青-集料粘附性的分子动力学评价方法 |
CN112951336A (zh) * | 2021-02-09 | 2021-06-11 | 中国石油天然气股份有限公司 | 模拟油藏乳状液的配制方法及应用 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20200731 |