CN113295723A - 一种岩石中粘土矿物的分子模拟表征方法 - Google Patents

一种岩石中粘土矿物的分子模拟表征方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113295723A
CN113295723A CN202110851788.7A CN202110851788A CN113295723A CN 113295723 A CN113295723 A CN 113295723A CN 202110851788 A CN202110851788 A CN 202110851788A CN 113295723 A CN113295723 A CN 113295723A
Authority
CN
China
Prior art keywords
clay mineral
rock
clay
rock sample
clay minerals
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110851788.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113295723B (zh
Inventor
刘建仪
文义民
袁华
余凡
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southwest Petroleum University
Original Assignee
Southwest Petroleum University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southwest Petroleum University filed Critical Southwest Petroleum University
Priority to CN202110851788.7A priority Critical patent/CN113295723B/zh
Publication of CN113295723A publication Critical patent/CN113295723A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113295723B publication Critical patent/CN113295723B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/20—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by using diffraction of the radiation by the materials, e.g. for investigating crystal structure; by using scattering of the radiation by the materials, e.g. for investigating non-crystalline materials; by using reflection of the radiation by the materials
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/20—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by using diffraction of the radiation by the materials, e.g. for investigating crystal structure; by using scattering of the radiation by the materials, e.g. for investigating non-crystalline materials; by using reflection of the radiation by the materials
    • G01N23/20008—Constructional details of analysers, e.g. characterised by X-ray source, detector or optical system; Accessories therefor; Preparing specimens therefor

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

本发明公开了一种岩石中粘土矿物的分子模拟表征方法。它包括对岩石样品进行粉末化处理；提取岩石样品中的粘土矿物并将其制片；对制片的样品进行X射线衍射，得到XRD图谱；提取XRD图谱中的粘土矿物晶体信息；利用XRD图谱获得岩石样品中粘土矿物含量及排列方式；根据粘土矿物晶体信息以及粘土矿物含量及排列方式，进行分子模拟建模；模型的调整与准确性验证。本发明全面获取了岩石中粘土矿物的物相种类、晶胞结构信息，保证了所建模型反应了岩石中粘土矿物分布的真实情况；可以对不同地区不同种类岩石中粘土矿物分子尺度的空间构型进行建模，同时对于岩石中其他矿物分子尺度的建模方法具有一定的指导作用。

Description

一种岩石中粘土矿物的分子模拟表征方法
技术领域
本发明涉及油气田地质领域，具体涉及一种岩石中粘土矿物的分子模拟表征方法。
背景技术
粘土矿物是自然界中重要的矿物类型之一，也是人类社会中不可或缺的重要资源。它的分布范围非常广泛，常见于土壤和沉积物中。岩石圈中多数的地质作用和生物地球化学过程都有粘土矿物的参与。虽然己经有多种实验方法可以用于研究粘土矿物的性质，但原子尺度的微观信息仍然欠缺，随着计算机的运算能力不断提高以及粘土矿物力场参数的优化，利用计算模拟的方法去研究粘土矿物成为一个优质的选择。通过分子模拟方法研究粘土矿物体系，可以精确地获得粘土矿物中的动力学信息。然而，目前对于粘土矿物的分子模拟研究多聚焦于对单一粘土矿物微观机理的研究，无法真实反应岩石中多种粘土矿物存在的复杂结构情况，从而导致最终的分子模拟结果无法反应岩石中粘土矿物真实的微观机理。因此，急需一种全新粘土矿物分子模拟表征方法，实现对于岩石中多种粘土矿物结构的表征，为后续对岩石中粘土矿物微观机理的分子模拟探究提供模型基础。
目前粘土矿物分子模拟表征方法存在的问题有：
（1）无法全面获取岩石中粘土矿物真实有效的晶胞信息；
（2）无法得到岩石中多种粘土矿物含量及排列方式等信息；
（3）无法将所获得的岩石中多种粘土矿物信息真实有效地应用到分子模拟晶体模型中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种岩石中粘土矿物的分子模拟表征方法，以解决现有技术中无法全面获取岩石中粘土矿物真实有效的晶胞信息、无法得到岩石中多种粘土矿物含量及排列方式等信息以及无法将所获得的岩石中多种粘土矿物信息真实有效地应用到分子模拟晶体模型中的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供的一种岩石中粘土矿物的分子模拟表征方法，包括下述步骤：
S1、对岩石样品进行粉末化处理；
S2、提取经过步骤S1处理后的岩石样品中的粘土矿物并将其制片；
S3、对步骤S2中制片的样品进行X射线衍射，得到XRD图谱；
S4、提取步骤S3中得到的XRD图谱中的粘土矿物晶体信息；
S5、利用步骤S3中得到的XRD图谱获得岩石样品中粘土矿物含量及排列方式；
S6、根据步骤S4中提取的粘土矿物晶体信息以及步骤S5中获得的粘土矿物含量及排列方式，进行分子模拟建模，得到粘土矿物分子模拟模型；
S7、对步骤S6中建立的粘土矿物分子模拟模型进行模型的调整与准确性验证。
进一步的，所述步骤S1中，对岩石样品进行粉末化处理为：将岩石样品清洗、烘干后粉碎至粉末粒径小于40μm。
进一步的，所述步骤S2中，制片包括下述子步骤：
S201、将经过步骤S1处理后的岩石样品在液体中分散；
S202、使粘土矿物颗粒悬浮，吸取粒径小于2μm的悬浮液；
S203、将悬浮液中的粘土矿物颗粒沉降、烘干、研磨；
S204、将研磨后的粉末制片。
进一步的，所述步骤S202中，若粘土矿物颗粒不悬浮，则按以下子步骤处理至粘土矿物颗粒悬浮：
（1）除去碳酸盐；
（2）除去有机质；
（3）湿磨；
（4）用蒸馏水反复冼涤；
（5）加入氨水或浓度为5%的六偏磷酸钠溶液。
进一步的，所述步骤S3中，将步骤S2中制片的样品进行X射线衍射测试条件为：CuKa辐射；发射狭缝与散射狭缝为1°-3°，接收狭缝为0.2mm-0.4mm；扫描速度为2°/min；采样步宽为0.02°；扫描范围为5°-45°。
进一步的，所述步骤S4中，采用MDI jade6软件提取XRD图谱中粘土矿物晶体信息，分别得到岩石样品中蒙脱石、伊利石、高岭石、绿泥石的晶胞信息，并得到岩石样品中每种粘土矿物的密度信息、衍射角、面间距d值、测量的峰强度、对应的物相和晶面指数，同时也列出了MDI jade6软件中标准卡片上的衍射角、计算得出标准衍射角与测量值之间的差值。
进一步的，所述步骤S4中，提取XRD图谱中粘土矿物晶体信息具体包括以下子步骤：
S401、将岩石样品中粘土矿物X射线衍射谱图原始文件导入MDI jade6中，进行物相检索；
S402、确定出岩石样品中4种粘土矿物的元素组成，对比出粘土矿物中必然存在的元素，采用限定条件检索的方法；
S403、右键点击“S/M”按钮，打开检索条件设置对话框，选择多种PDF子库。粘土矿物对应的PDF子库分别为：Organics、ICSD Patterns、Deleted Cards，限定条件主要是限定样品中存在的“元素”或化学成分，在“Use chemistry filter”选项前加上对号，进入到元素周期表对话框，检索对象选择为主相（S/M Focus on Major Phases）；
S404、如果检索尚未全部完成，即还有多余的衍射线未检定出相应的相来，可逐步减少元素个数，重复上面的步骤，或按某些元素的组合，尝试一些化合物的存在；
S405、进入“Search/Match Display”窗口，窗口的最下面是检索列表，从上至下列出最可能的100种物相，一般按“FOM”由小到大的顺序排列，FOM是匹配率的倒数，数值越小，表示匹配性越高；分别得到岩石中各粘土矿物的晶胞信息；
S406、寻峰，把图谱中的峰位标定出来，鉴别出图谱的某个起伏是否一个真正的峰；物相鉴定过程中会标定峰位；
S407、寻峰之后，观察和输出“寻峰报告”；选择菜单命令“Report-Peak SearchReport”，会列出报告，得到岩石样品中每种粘土矿物的衍射角、面间距d值、测量的峰强度、对应的物相和晶面指数，同时也列出了标准卡片上的衍射角、标准衍射角与测量值之间的差值。
进一步的，所述步骤S5中，利用步骤S3中得到的XRD图谱获得岩石样品中粘土矿物含量及排列方式的方法为：利用XRD谱图得到的每种粘土矿物的RIR值，根据RIR值计算粘土矿物中每种物相的含量；通过每种物相的含量，并结合每种粘土矿物测量的峰强度比例，获得每种粘土矿物所占比例。
进一步的，根据RIR值计算粘土矿物中每种物相的含量，具体包括下述子步骤：
S501、根据ICDD发表的PDF卡片上附加的RIR值，即K值，是按岩石样品重量与刚玉 按1:1的质量分数混合后，测量的样品最强峰的积分强度/刚玉最强峰的积分强度，可写为
Figure 367565DEST_PATH_IMAGE001
，称为以刚玉为内标时A相的K值；
S502、岩石样品中粘土矿物同时存在蒙脱石A、伊利石B、高岭石C相，绿泥石D值，选用A相作为标样，通过PDF卡片查到每个相的RIR，以下式（1）计算出以其中的A相为内标物时，样品中每个相的K值，即：
Figure 284706DEST_PATH_IMAGE003
根据“绝热法”，如果一个系统中存在N个相，其中X相的质量分数由下式（2）计算：
Figure 126760DEST_PATH_IMAGE004
其中，A是被选定的岩石样品中的任一相；I=A……N，表示岩石样品中有N个相；作为特例，样品中有两相A，B；其RIR都可查，则按下式（3）：
Figure 584286DEST_PATH_IMAGE005
进一步的，所述步骤S6中，进行分子模拟建模包括下述子步骤：
S601、构建岩石中粘土矿物晶胞：
利用步骤S4中所得到的粘土矿物晶体信息，建立晶胞，设置晶胞信息，分别为晶胞空间群、基本晶胞参数，并在每种粘土矿物晶胞中输入每种原子位置信息；
S602、划分岩石中粘土矿物晶面：
通过晶面划分模块，利用步骤S4中得到的岩石中每种粘土矿物的晶面指数与面间距d值，确定出岩石样品中每种粘土矿物的层间距与分割面；
S603、建立岩石样品中每种粘土矿物混层结构：
通过步骤S5中计算得出的岩石中粘土矿物每种物相含量，并结合每种物相测量的峰强度比例，获得每种粘土矿物所占比例，进而得出分子模拟中每种粘土矿物最小层间占比与分布情况；并通过Materials Studio中建立晶体层模块，对每种划分晶面后的粘土矿物进行空间布局。
进一步的，所述步骤S7中，模型的调整与准确性验证，具体包括以下子步骤：
S701、针对步骤S6中所构建的每种粘土矿物晶胞，通过Materials Studio分子模拟软件得到所建粘土矿物晶胞密度信息，并与步骤S4中得到的每种粘土矿物晶胞信息的密度值对比，通过微调晶体中原子位置、键长及增减原子个数的方式，使得通过所建模型得到的密度值与步骤S4中所测密度值相符；
S702、针对步骤S6中所构建的岩石样品中各粘土矿物最终的晶胞模型，通过MS分子模拟软件得到所建模型总的晶胞密度信息，并与步骤S4中得到的岩石中粘土矿物晶胞信息的密度值对比，通过调整每层粘土矿物层间距的方式，使得通过所建模型得到的密度值与步骤S4中所测密度值相符。
基于上述技术方案，本发明实施例至少可以产生如下技术效果：
（1）本发明提供的岩石中粘土矿物的分子模拟表征方法，全面获取了岩石中粘土矿物的物相种类、晶胞结构信息，衍射角、面间距d值、测量的峰强度（峰高）、对应的物相及晶面指数；并通过运用XRD谱图中测量峰强度信息进行计算，得出岩石中每种粘土矿物的占比与排列方式等信息。
（2）本发明提供的岩石中粘土矿物的分子模拟表征方法，基于获取的粘土矿物晶体信息，运用Materials Studio分子模拟软件以一种新的建模方式将获取的晶体信息有效的赋予建立的分子模拟模型当中；即先对单一晶体矿物建模并验证真实性，再将单一晶体矿物以计算得出的占比与排列方式进行空间布局，最终验证其真实性，保证了所建模型反应了岩石中粘土矿物分布的真实情况。
（3）本发明提供的岩石中粘土矿物的分子模拟表征方法，可以对不同地区不同种类岩石中粘土矿物分子尺度的空间构型进行建模，同时对于岩石中其他矿物分子尺度的建模方法具有一定的指导作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是本发明实施例1的表征方法流程图；
图2是本发明实施例1岩石样品中粘土矿物XRD曲线原始谱图；
图3是本发明实施例1岩石样品中粘土矿物寻峰后XRD曲线谱图一；
图4是本发明实施例1岩石样品中粘土矿物寻峰后XRD曲线谱图二；
图5是本发明实施例1岩石样品中粘土矿物寻峰后XRD曲线谱图三；
图6是本发明实施例1岩石样品中蒙脱石单晶胞模型图；
图7是本发明实施例1岩石样品中伊利石单晶胞模型图；
图8是本发明实施例1岩石样品中高岭石单晶胞模型图；
图9是本发明实施例1岩石样品中绿泥石单晶胞模型图；
图10是本发明实施例1岩石样品中粘土矿物单晶胞模型图。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，以四川省内江市威远23-1井页岩地层粘土矿物为例进行分子模拟表征：
一种岩石中粘土矿物的分子模拟表征方法，包括下述步骤：
S1、对岩石样品进行粉末化处理，具体包括以下子步骤：
S101、含油岩石样品应洗油处理至荧光四级以下；
S102、将岩石样品在低于60℃的温度下烘干，冷却至室温后粉碎待用；
S103、将粉碎后的岩石样品研磨至全部粒径小于40μm或手指搓捏无颗粒感；
S2、提取经过步骤S1处理后的岩石样品中的粘土矿物并将其制片，具体包括以下子步骤：
S201、把步骤S1处理后的样品放在40ml高型烧杯中，加10ml蒸馏水浸泡，采用CQX-25-06型（功率为250W，频率为25kHz）超声仪对样品进行超声分散；
S202、将超声分散后的样品倒入内径为64mm的沉淀量筒，加蒸馏水至 l000m1，每个沉淀量筒在 1000ml刻度往下10cm处有小孔，用注射器插入小孔吸取悬浮液样品，试验在20℃的恒温下进行，沉降时间为8-10小时。
S202、若黏土颗粒悬浮，吸取悬浮液，此时悬浮液粒径小于2μm；
S203、若黏土颗粒不悬浮，按下列步骤依次处理黏土颗粒悬浮：
（1）加入2ml-3ml盐酸除去岩石中碳酸盐；
（2）加入一定量双氧水除去有机质，使其PH=7；
（3）进行湿磨处理；
（4）用蒸馏水反复洗涤岩石粉末3-5次；
（5）加几滴氨水或浓度为5%的六偏磷酸钠溶液；
S204、将吸取的悬浮液离心，使粘土颗粒沉降；
S205、将离心后的样品在低于60℃电热干燥箱中烘干；
S206、将烘干后的样品用玛瑙研钵磨至手搓捏无颗粒感，用纸包好，标明样品编号；
S207、将样品粉末置于样品载片的凹槽中，使样品被测量面保持粗糙，与样品载片的表面保持平整均匀，避免晶体粉末择优取向；
S3、对步骤S2中制片的样品进行X射线衍射，得到XRD图谱，具体包括以下子步骤：
S301、测试条件包括：
（1）CuKa辐射；
（2）发射狭缝与散射狭缝为1°，接收狭缝宜为0.3mm；
（3）扫描速度：2为2°/min；
（4）采样步宽：20为0.02°；
（5）20扫描范围：5°-45°；
S302、测量样品，获取X射线衍射谱图，如图2所示；
S303、根据各型X射线衍射仪的特性和样品的特点，采用分析软件划定基线；
S304、计算X衍射峰强度，X衍射峰强度采用扣除背底后的积分强度；
S4、提取步骤S3中得到的XRD图谱中的粘土矿物晶体信息，具体包括以下子步骤：
S401、将岩石中粘土矿物X射线衍射谱图原始文件导入MDI jade6中，进行物相检索；
S402、确定出岩石样品中几种主要粘土矿物的元素组成，对比出粘土矿物中必然存在的元素，采用限定条件检索的方法；
S403、右键点击“S/M”按钮，打开检索条件设置对话框，选择多种PDF子库，粘土矿物PDF子库为：Organics、ICSD Patterns、Deleted Cards等，限定条件主要是限定样品中存在的“元素”或化学成分，在“Use chemistry filter”选项前加上对号，进入到元素周期表对话框，蒙脱石、伊利石、高岭石、绿泥石中共有的元素为H、O、Al、Si；蒙脱石、伊利石、高岭石中共有的元素中可能存在的元素为Na、Mg、K；绿泥石中独有的元素为Mg；检索对象选择为主相（S/M Focus on Major Phases）；
S404、如果检索尚未全部完成，即还有多余的衍射线未检定出相应的相来，可逐步减少元素个数，重复上面的步骤，或按某些元素的组合，尝试一些化合物的存在；伊利石中可能存在Fe，蒙脱石中可能存在Ca，在化学元素选定时可以适当添加可能存在的Fe、Ca元素；
S405、进入“Search/Match Display”窗口，窗口的最下面是检索列表，从上至下列出最可能的100种物相，一般按“FOM”由小到大的顺序排列，FOM是匹配率的倒数，数值越小，表示匹配性越高；分别得到岩石样品中蒙脱石、伊利石、高岭石、绿泥石的晶胞信息；以四川省内江市威远23-1井所在页岩地层粘土矿物晶体信息为例：
蒙脱石（AlSi2O6(OH)2）a=5.19 Å、b=9.0 Å、c=11.9 Å，属于三斜晶系，单位晶胞空间群为P ； 基本晶胞参数为α = β=γ=90°；密度为0.637g/cm3；
伊利石（KAl2(Si3AlO10) (OH)2）a=5.2 Å、b=9.0 Å、c=10.01 Å，属于单斜晶系，单位晶胞空间群为C2/m ；基本晶胞参数为α =γ=90°，β=101.3；密度为1.44g/cm3；
高岭石（H4Al2Si2O9）a=5.14 Å、b=8.93Å、c=7.37Å，属于三斜晶系，单位晶胞空间群为P；基本晶胞参数为α =91.13°、β=105°、γ=90°；密度为2.28g/cm3；
绿泥石（Mg5Al（Si3Al）O10（OH）8）a=5.3 Å、b=9.19Å、c=14.4Å，属于单斜晶系，单位晶胞空间群为C2/m；基本晶胞参数为α=90°、β=97.9°、γ=90°,密度为3.1g/cm3；
S406、寻峰就是把图谱中的峰位标定出来，鉴别图谱的某个起伏是否一个真正的峰；物相鉴定过程中会标定峰位，然而，并不是粘土矿物每一个衍射峰都能准确反应某区块岩石样品粘土矿物X射线衍射峰，需要进行适当的微调，对图2中黏土矿物X射线衍射谱图中三条XRD曲线进行寻峰处理，分别得到3张粘土矿物XRD曲线寻峰图，每张寻峰图下部分别标有粘土矿物种类与对应的衍射峰位置，如图3-图5所示。
S407、寻峰之后，观察和输出“寻峰报告”；选择菜单命令“Report-Peak SearchReport”，会列出报告，得到岩石样品中每种粘土的衍射角、面间距d值、测量的峰强度（峰高）、对应的物相和晶面指数，同时也列出了标准卡片上的衍射角、标准衍射角与测量值之间的差值；以四川省内江市威远23-1井地层粘土矿物为例，观察寻峰报告得出以下结论：
（1）该区块岩石样品中蒙脱石、伊利石、高岭石、绿泥石均是以（0 0 1）晶面为主；
（2）该区块岩石样品中蒙脱石的衍射角为8.883，面间距d=9.9280 Å，蒙脱石最大的衍射强度峰（I%=100）对应的测量的峰强度（峰高）为141；
（3）该区块岩石样品中伊利石的衍射角为10.1193，面间距d=10.1193Å，伊利石最大的衍射强度峰（I%=100）对应的测量的峰强度（峰高）为92；
（4）该区块岩石样品中高岭石的衍射角为12.089，面间距d=7.3152Å，高岭石最大的衍射强度峰（I%=100）对应的测量的峰强度（峰高）为49；
（5）该区块岩石样品中绿泥石的衍射角为26.648，面间距d=3.3396Å，绿泥石最大的衍射强度峰（I%=100）对应的测量的峰强度（峰高）为87；
S5、利用步骤S3中得到的XRD图谱获得岩石样品中粘土矿物含量及排列方式，具体包括以下子步骤：
（1）运用MDI jade6提取岩石样品中粘土矿物XRD曲线信息，根据每一种物相最大的衍射强度峰（I%=100）；这个峰的积分强度数据（在.IDE文件中），便是使用RIR（K值法）计算相含量的数据：
根据ICDD发表的PDF卡片上附加的RIR值，即K值；它是按样品重量与Al2O3(刚玉)按 1:1的质量分数混合后，测量的样品最强峰的积分强度/刚玉最强峰的积分强度，可写为
Figure 460975DEST_PATH_IMAGE006
；称为以刚玉为内标时A相的K值；
（2）岩石矿物中同时存在蒙脱石A、伊利石B、高岭石C、绿泥石D等相，我们可以选用A相作为标样，通过PDF卡片查到每个相的RIR，就可以计算出以其中的A相为内标物时，样品中每个相的K值；即：
Figure 283438DEST_PATH_IMAGE007
根据“绝热法”，如果一个系统中存在N个相，其中X相的质量分数为：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
其中A可以是被选定的样品中的任一相；I=A……N表示样品中有N个相；作为特例，样品中有两相A，B；其RIR都可查；则：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
根据上述计算方法，并利用XRD谱图得到的每个粘土矿物的RIR值，即可算出每种粘土矿物的含量占比；
（3）通过上述步骤中计算得出的岩石样品粘土矿物中每种物相含量，并结合每种物相测量的峰强度（峰高）比例，换算得出每种粘土矿物所占比例；具体以四川省内江市威远23-1井页岩地层岩石样品粘土矿物占比信息如下：
蒙脱石相对重量百分比含量16%，伊利石相对重量百分比含量72%，高岭石相对重量百分比含量5%，绿泥石相对重量百分比含量7%；其中伊蒙混层相对重量百分比含量为16%；
蒙脱石相对高度所占百分比为16%，伊利石相对高度所占百分比为68%，高岭石相对高度所占百分比为8%，绿泥石相对高度所占百分比为8%；其中伊蒙混层高度所占百分比为8%；
综上所述，得出岩石样品中粘土矿物的最小晶体结构为2层蒙脱石、1层高岭石、1层绿泥石、8层伊利石并且其中有一层伊蒙混层结构；
S6、根据步骤S4中提取的粘土矿物晶体信息以及步骤S5中获得的粘土矿物含量及排列方式，利用Materials Studio软件，进行分子模拟建模，得到粘土矿物分子模拟模型，具体包括以下子步骤：
运用分子模拟软件MS利用提取的岩石样品中粘土矿物晶体信息进行建模，
S601、构建岩石样品中粘土矿物晶胞：
首先，建立晶胞（Build Crystals），设置晶胞信息，分别为晶胞空间群、基本晶胞参数，并在每种粘土矿物晶胞中输入每种原子位置信息，通过调整晶体结构使其密度达到与测量值相符的密度；具体某区块岩石样品中粘土矿物晶胞信息如下：
蒙脱石（AlSi2O6(OH)2）a=5.19 Å、b=9.0 Å、c=11.9 Å，属于三斜晶系，单位晶胞空间群为P ； 基本晶胞参数为α = β=γ=90°；同时输入蒙脱石中每一原子信息，原子信息参照ICSD晶体结构数据库中蒙脱石晶体结构数据，建立蒙脱石晶体，如图6所示；
伊利石（KAl2(Si3AlO10) (OH)2）a=5.2 Å、b=9.0 Å、c=10.01 Å，属于单斜晶系，单位晶胞空间群为C2/m ； 基本晶胞参数为α =γ=90°，β=101.3°；同时输入伊利石中每一原子信息，原子信息参照ICSD晶体结构数据库中伊利石晶体结构数据，建立伊利石晶体，如图7所示；
高岭石（H4Al2Si2O9）a=5.14 Å、b=8.93Å、c=7.37Å，属于三斜晶系，单位晶胞空间群为P ； 基本晶胞参数为α =91.13°、β=105°、γ=90°；同时输入高岭石中每一原子信息，原子信息参照ICSD晶体结构数据库中高岭石晶体结构数据，建立高岭石晶体，如图8所示；
绿泥石（Mg5Al（Si3Al）O10（OH）8）a=5.3 Å、b=9.19Å、c=14.4Å，属于d单斜晶系，单位晶胞空间群为C2/m；基本晶胞参数为α=90°、β=97.9°、γ=90°；同时输入绿泥石中每一原子信息，原子信息参照ICSD晶体结构数据库中绿泥石晶体结构数据，建立绿泥石晶体，如图9所示；
S602、划分岩石样品中粘土矿物晶面：
通过晶面划分模块（Cleave Surface），利用岩石样品中每种粘土矿物的晶面指数与面间距d值，确定出岩石样品中每种粘土矿物层间距与分割面；具体每种粘土矿物晶面信息如下：
（1）该区块岩石样品中蒙脱石、伊利石、高岭石、绿泥石均是以（0 0 1）晶面为主；
（2）该区块岩石样品中蒙脱石的衍射角为8.883，面间距d=9.9280 Å；
（3）该区块岩石样品中伊利石的衍射角为10.1193，面间距d=10.1193Å；
（3）该区块岩石样品中高岭石的衍射角为12.089，面间距d=7.3152Å；
（4）该区块岩石样品中绿泥石的衍射角为26.68，面间距d=3.3396Å；
S603、建立岩石样品中每种粘土矿物混层结构：
通过上述步骤中计算得出的岩石样品粘土矿物中每种物相含量，并结合每种物相测量的峰强度（峰高）比例，换算得出每种粘土矿物所占比例；进而得出分子模拟中每种粘土矿物最小层间占比与分布情况；并通过MS中建立晶体层模块（Build Layers），对每种划分晶面过后的粘土矿物进行空间布局，如图10所示；
S7、对步骤S6中建立的粘土矿物分子模拟模型进行模型的调整与准确性验证，具体包括以下子步骤：
S701、针对步骤S6中所构建的每种粘土矿物晶胞，通过MS分子模拟软件得到所建粘土矿物晶胞密度信息，并与步骤S4中得到的每种粘土矿物密度测量值对比，通过微调晶体中原子位置，键长及增减原子个数的方式，使得所建模型密度值与所测密度值相符；即，蒙脱石晶体通过调整晶体结构使其密度达到0.637g/cm3；伊利石晶体通过调整晶体结构使其密度达到1.44g/cm3；高岭石晶体通过调整晶体结构使其密度达到2.28g/cm3；绿泥石晶体通过调整晶体结构使其密度达到3.1g/cm3；
S702、针对步骤S6中所构建的岩石中各粘土矿物最终的晶胞模型，通过MS分子模拟软件得到所建模型总的晶胞密度信息，并与步骤S4中得到的岩石中粘土矿物密度测量值对比，通过调整每层粘土矿物层间距的方式，使得所建模型密度值与所测密度值相符；即，蒙脱石晶体通过调整每层粘土矿物层间距使其密度达到0.637g/cm3；伊利石晶体通过调整每层粘土矿物层间距使其密度达到1.44g/cm3；高岭石晶体通过调整每层粘土矿物层间距使其密度达到2.28g/cm3；绿泥石晶体通过调整每层粘土矿物层间距使其密度达到3.1g/cm3。

Claims (9)

1.一种岩石中粘土矿物的分子模拟表征方法，其特征在于：包括下述步骤：
S1、对岩石样品进行粉末化处理；
S2、提取经过步骤S1处理后的岩石样品中的粘土矿物并将其制片；
S3、对步骤S2中制片的样品进行X射线衍射，得到XRD图谱；
S4、提取步骤S3中得到的XRD图谱中的粘土矿物晶体信息；
S5、利用步骤S3中得到的XRD图谱获得岩石样品中粘土矿物含量及排列方式；
S6、根据步骤S4中提取的粘土矿物晶体信息以及步骤S5中获得的粘土矿物含量及排列方式，进行分子模拟建模，得到粘土矿物分子模拟模型；
S7、对步骤S6中建立的粘土矿物分子模拟模型进行模型的调整与准确性验证。
2.根据权利要求1所述的岩石中粘土矿物的分子模拟表征方法，其特征在于：所述步骤S1中，对岩石样品进行粉末化处理为：将岩石样品清洗、烘干后粉碎至粉末粒径小于40μm。
3.根据权利要求1所述的岩石中粘土矿物的分子模拟表征方法，其特征在于：所述步骤S2中，制片包括下述子步骤：
S201、将经过步骤S1处理后的岩石样品在液体中分散；
S202、使粘土矿物颗粒悬浮，吸取粒径小于2μm的悬浮液；
S203、将悬浮液中的粘土矿物颗粒沉降、烘干、研磨；
S204、将研磨后的粉末制片。
4.根据权利要求3所述的岩石中粘土矿物的分子模拟表征方法，其特征在于：所述步骤S202中，若粘土矿物颗粒不悬浮，则按以下子步骤处理至粘土矿物颗粒悬浮：
（1）除去碳酸盐；
（2）除去有机质；
（3）湿磨；
（4）用蒸馏水反复冼涤；
（5）加入氨水或浓度为5%的六偏磷酸钠溶液。
5.根据权利要求1所述的岩石中粘土矿物的分子模拟表征方法，其特征在于：所述步骤S3中，将步骤S2中制片的样品进行X射线衍射测试条件为：CuKa辐射；发射狭缝与散射狭缝为1°-3°，接收狭缝为0.2mm-0.4mm；扫描速度为2°/min；采样步宽为0.02°；扫描范围为5°-45°。
6.根据权利要求1所述的岩石中粘土矿物的分子模拟表征方法，其特征在于：所述步骤S4中，采用MDI jade6软件提取XRD图谱中粘土矿物晶体信息，分别得到岩石样品中蒙脱石、伊利石、高岭石、绿泥石的晶胞信息，并得到岩石样品中每种粘土矿物的密度信息、衍射角、面间距d值、测量的峰强度、对应的物相和晶面指数，同时也列出了标准卡片上的衍射角、标准衍射角与测量值之间的差值。
7.根据权利要求6所述的岩石中粘土矿物的分子模拟表征方法，其特征在于：所述步骤S5中，利用步骤S3中得到的XRD图谱获得岩石样品中粘土矿物含量及排列方式的方法为：利用XRD谱图得到的每种粘土矿物的RIR值，根据RIR值计算粘土矿物中每种物相的含量；通过每种物相的含量、并结合每种粘土矿物测量的峰强度比例，获得每种粘土矿物所占比例。
8.根据权利要求1所述的岩石中粘土矿物的分子模拟表征方法，其特征在于：所述步骤S6中，进行分子模拟建模包括下述子步骤：
S601、构建岩石中粘土矿物晶胞：
利用步骤S4中所得到的粘土矿物晶体信息，利用Materials Studio分子模拟软件建立晶胞，设置晶胞信息，分别为晶胞空间群、基本晶胞参数，并在每种粘土矿物晶胞中输入每种原子位置信息；
S602、划分岩石中粘土矿物晶面：
通过晶面划分模块，利用步骤S4中得到的粘土矿物晶体信息中每种粘土矿物的晶面指数与面间距d值，确定出岩石样品中每种粘土矿物的层间距与分割面；
S603、建立岩石样品中每种粘土矿物混层结构：
通过步骤S5中计算得出的岩石样品中粘土矿物每种物相含量、并结合每种物相测量的峰强度比例，获得每种粘土矿物所占比例，进而得出分子模拟中每种粘土矿物最小层间占比与分布情况；并通过Materials Studio分子模拟软件建立晶体层模块，对每种划分晶面后的粘土矿物进行空间布局。
9.根据权利要求1所述的岩石中粘土矿物的分子模拟表征方法，其特征在于：所述步骤S7中，模型的调整与准确性验证，具体包括以下子步骤：
S701、针对步骤S6中所构建的每种粘土矿物晶胞，通过Materials Studio分子模拟软件得到所建粘土矿物晶胞密度信息，并与步骤S4中得到的每种粘土矿物晶胞信息的密度值对比，通过微调晶体中原子位置、键长及增减原子个数的方式，使得通过所建模型得到的密度值与步骤S4中所测密度值相符；
S702、针对步骤S6中所构建的岩石样品中各粘土矿物最终的晶胞模型，通过MaterialsStudio分子模拟软件得到所建模型总的晶胞密度信息，并与步骤S4中得到的岩石中粘土矿物晶胞信息的密度值对比，通过调整每层粘土矿物层间距的方式，使得通过所建模型得到的密度值与步骤S4中所测密度值相符。
CN202110851788.7A 2021-07-27 2021-07-27 一种岩石中粘土矿物的分子模拟表征方法 Active CN113295723B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110851788.7A CN113295723B (zh) 2021-07-27 2021-07-27 一种岩石中粘土矿物的分子模拟表征方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110851788.7A CN113295723B (zh) 2021-07-27 2021-07-27 一种岩石中粘土矿物的分子模拟表征方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113295723A true CN113295723A (zh) 2021-08-24
CN113295723B CN113295723B (zh) 2021-09-28

Family

ID=77331301

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110851788.7A Active CN113295723B (zh) 2021-07-27 2021-07-27 一种岩石中粘土矿物的分子模拟表征方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113295723B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117890184A (zh) * 2024-03-14 2024-04-16 中国科学院地质与地球物理研究所 一种模拟火星土壤及其制备方法

Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008106151A2 (en) * 2007-02-27 2008-09-04 Vertex Pharmaceuticals Incorporated Co-crystals and pharmaceutical compositions comprising the same
US20110009256A1 (en) * 2007-07-17 2011-01-13 Regents Of The University Of Minnesota Novel microporous silicate materials and methods for making and using the same
CN105651801A (zh) * 2015-12-30 2016-06-08 北京矿冶研究总院 一种矿浆矿物在线分析方法
CN106338424A (zh) * 2015-07-10 2017-01-18 中国石油化工股份有限公司 一种高石英含量岩石样品中的粘土矿物的分析方法
US20170152608A1 (en) * 2015-11-30 2017-06-01 Wisconsin Alumni Research Foundation Solution growth of single-crystal perovskite structures
CN108802075A (zh) * 2018-06-26 2018-11-13 湘潭大学 一种粉末渗锌层中各相含量的测量方法
CN110954942A (zh) * 2018-09-26 2020-04-03 中国石油化工股份有限公司 粘土含量识别的图版制作方法及系统
CN210239658U (zh) * 2019-08-29 2020-04-03 西南石油大学 一种高含硫气体元素硫沉积模拟装置
CN111033246A (zh) * 2017-08-09 2020-04-17 株式会社理学 晶相定量分析装置、晶相定量分析方法及晶相定量分析程序
CN111323439A (zh) * 2018-12-13 2020-06-23 核工业二0八大队 利用粘土矿物研究层间氧化带砂岩型铀矿床成矿过程的方法
CN111595710A (zh) * 2020-04-26 2020-08-28 中国石油天然气股份有限公司 在不同温度条件下碳酸盐岩溶蚀的水岩反应模拟实验方法
CN111672457A (zh) * 2020-06-17 2020-09-18 中国计量大学 一种基于分子动力学模拟和水处理的改性蒙脱石吸附性能预测方法
CN112365934A (zh) * 2020-11-23 2021-02-12 宁夏大学 原子分子尺度上高阶烟煤不同尺寸复合颗粒模型构建方法
CN112485278A (zh) * 2020-11-24 2021-03-12 洛阳理工学院 一种基于分子层面的岩石微观结构和性质的研究方法
CN112505154A (zh) * 2020-11-11 2021-03-16 中国地质大学（北京） 泥页岩储层矿物成分含量解析与岩相识别表征方法

Patent Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008106151A2 (en) * 2007-02-27 2008-09-04 Vertex Pharmaceuticals Incorporated Co-crystals and pharmaceutical compositions comprising the same
US20110009256A1 (en) * 2007-07-17 2011-01-13 Regents Of The University Of Minnesota Novel microporous silicate materials and methods for making and using the same
CN106338424A (zh) * 2015-07-10 2017-01-18 中国石油化工股份有限公司 一种高石英含量岩石样品中的粘土矿物的分析方法
US20170152608A1 (en) * 2015-11-30 2017-06-01 Wisconsin Alumni Research Foundation Solution growth of single-crystal perovskite structures
CN105651801A (zh) * 2015-12-30 2016-06-08 北京矿冶研究总院 一种矿浆矿物在线分析方法
CN111033246A (zh) * 2017-08-09 2020-04-17 株式会社理学 晶相定量分析装置、晶相定量分析方法及晶相定量分析程序
CN108802075A (zh) * 2018-06-26 2018-11-13 湘潭大学 一种粉末渗锌层中各相含量的测量方法
CN110954942A (zh) * 2018-09-26 2020-04-03 中国石油化工股份有限公司 粘土含量识别的图版制作方法及系统
CN111323439A (zh) * 2018-12-13 2020-06-23 核工业二0八大队 利用粘土矿物研究层间氧化带砂岩型铀矿床成矿过程的方法
CN210239658U (zh) * 2019-08-29 2020-04-03 西南石油大学 一种高含硫气体元素硫沉积模拟装置
CN111595710A (zh) * 2020-04-26 2020-08-28 中国石油天然气股份有限公司 在不同温度条件下碳酸盐岩溶蚀的水岩反应模拟实验方法
CN111672457A (zh) * 2020-06-17 2020-09-18 中国计量大学 一种基于分子动力学模拟和水处理的改性蒙脱石吸附性能预测方法
CN112505154A (zh) * 2020-11-11 2021-03-16 中国地质大学（北京） 泥页岩储层矿物成分含量解析与岩相识别表征方法
CN112365934A (zh) * 2020-11-23 2021-02-12 宁夏大学 原子分子尺度上高阶烟煤不同尺寸复合颗粒模型构建方法
CN112485278A (zh) * 2020-11-24 2021-03-12 洛阳理工学院 一种基于分子层面的岩石微观结构和性质的研究方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ARKADIUSZ DERKOWSKI 等: "Partial dissolution of glauconitic samples: implications for the methodology of K-Ar and Rb-Sr dating", 《CLAYS AND CLAY MINERALS》 *
MOHAMED A.M.ABDALLA 等: "Prediction of hydrophobic reagent for flotation process using molecular modeling", 《ACS OMEGA》 *
刘智勇: "氧化锌矿物在氨-铵盐-水体系中的浸出机理", 《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》 *
张荣科 等: "粘土矿物X射线衍射相定量分析方法与实验", 《铀矿地质》 *
杨华 等: "天然文石-方解石的高温相变及热膨胀性质", 《岩石矿物学杂志》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117890184A (zh) * 2024-03-14 2024-04-16 中国科学院地质与地球物理研究所 一种模拟火星土壤及其制备方法
CN117890184B (zh) * 2024-03-14 2024-05-28 中国科学院地质与地球物理研究所 一种模拟火星土壤及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN113295723B (zh) 2021-09-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110333200B (zh) 一种基于短波红外光谱圈定矿化中心方法
Revil et al. Electrical properties of zeolitized volcaniclastic materials
CN103852787B (zh) 一种砂岩储层成岩地震相表征方法
CN103869052B (zh) 一种砂岩储层成岩测井相定量表征的方法
Wu et al. Investigation of shale gas at nanoscale using scan electron microscopy, transmission electron microscopy and atomic force microscopy, and up-scaling to a petrophysical model for water saturation evaluation in shales
Micheelsen The structure of dark flint from Stevns, Denmark
CN113295723B (zh) 一种岩石中粘土矿物的分子模拟表征方法
CN104569343A (zh) 页岩储层脆性矿物测井定量表征方法
CN113670960B (zh) 一种基于分子模拟的真实页岩气吸附量预测方法
CN104569344A (zh) 页岩储层脆性矿物地震定量表征方法
CN114577833B (zh) 快速定量分析砂砾岩岩屑基质中黏土矿物的方法及应用
Zhang et al. The influence of depositional and diagenetic processes on rock electrical properties: A case study of the Longmaxi shale in the Sichuan Basin
Deon et al. Detection of interlayered illite/smectite clay minerals with XRD, SEM analyses and reflectance spectroscopy
Al-Morakhi et al. Multiscale pore system characterization utilizing electron and light microscopy: Middle/Upper Jurassic Najmah Formation, West Kuwait
CN109444189B (zh) 利用数字岩石分析技术开展复杂地层对比与定量评价方法
Ma et al. Geological controlling factors of low resistivity shale and their implications on reservoir quality: A case study in the Southern Sichuan Basin, China
Kojdecki et al. Crystalline microstructure of sepiolite influenced by grinding
Han et al. Controls of acid‐sensitive minerals on reservoir sensitivity testing: an example from the silurian kepingtage formation in tazhong area, tarim basin
Li et al. Effects of paleoenvironment on continental shale oil enrichment and producibility in the Biyang depression
Zaitseva et al. Structural and crystal-chemical features and Rb–Sr age of globular glauconite in the Ust-Il’ya Formation (Lower Riphean, Anabar Uplift)
Ivanovskaya et al. Mineralogical, crystal-chemical, and Rb–Sr isotope data on terrigenous globular phyllosilicates of the Maastakh formation (lower vendian, Olenek uplift)
Wang et al. Siliceous Origin of the Cambrian Qiongzhusi Formation Shale in the Middle Part of the Upper Yangtze Platform: Significance of Organic Matter Enrichment
Zhou et al. Comparative study and discussion of diagenetic facies and conductivity characteristics based on experiments
Kuzmin SEM Microstructural Studies of Oil-Saturated Rocks in the Simulation of Filtration Processes
Chen Microstructure study on Barnett shale

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant