一种基于分子间相互作用能的页岩油吸附强度评价方法技术

本发明专利技术公开了一种基于分子间相互作用能的页岩油吸附强度评价方法。本发明专利技术利用高岭石纳米孔隙分子模型和多组分页岩油分子模型构建多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型，经能量最小化和弛豫处理得到多组分页岩油纳米孔隙吸附模型，结合分子模拟方法获取平衡态下多组分页岩油在高岭石纳米孔隙中的吸附构型和过渡吸附数据文件，利用多组分页岩油纳米孔隙吸附模型模拟获取页岩油组分的分子分布数据和分子运动轨迹，确定页岩油中各组分在高岭石纳米孔隙内的密度分布曲线和吸附相质量，结合页岩油中各组分与高岭石孔隙间的总相互作用能、范德华相互作用能和库伦相互作用能，定量表征页岩油中各组分与孔隙壁面的吸附强度，为页岩油的高效开发奠定了基础。油的高效开发奠定了基础。油的高效开发奠定了基础。

【技术实现步骤摘要】
一种基于分子间相互作用能的页岩油吸附强度评价方法


[0001]本专利技术涉及油气田开发
，具体涉及一种基于分子间相互作用能的页岩油吸附强度评价方法。

技术介绍

[0002]随着传统油气资源的逐渐减少以及能源需求量的日益增长，页岩油作为一种非常重要的非常规油气资源，引起了广泛关注。页岩油储层与常规储层存在显著的差异，页岩油的赋存孔隙多为纳米级，传统的油藏评价方法和开采技术难以有效应用于页岩油储层的勘探开发中。此外，页岩油储层内复杂的页岩微观结构增大了油相分子与孔隙壁之间吸附(包括物理吸附和化学吸附)的表面积，吸附作用提升了页岩油在孔隙中的储集量，在储层评价和开发应用中起到至关重要的作用。研究物质吸附行为的方法主要为构建吸附等温线，常用的吸附等温线包括Langmuir等温线和Freundlich等温线；Langmuir等温线描述了单层吸附的理想情况，而Freundlich等温线适用于多层吸附的非理想情况。但是，页岩油赋存环境为纳米孔隙，强烈的纳米限域效应给通过实验获取页岩油吸附等温线带来了难题。
[0003]纳米限域条件下，流固间相互作用强度主要取决于页岩油在孔隙壁面的吸附强度。但是，物质间能量的量化是常规实验难以解决的问题。随着计算机技术的发展，分子模拟方法越来越多的被应用页岩油气吸附领域，利用分子模拟方法从原子层面揭示页岩油气在纳米孔隙中的吸附行为。
[0004]分子模拟技术中，相互作用能作为量化分子间相互作用强度的重要参数，包括范德华相互作用能和库伦相互作用能；范德华相互作用能主要是由分子间诱导力、色散力和取向力主导，库伦相互作用能主要是由分子正负电荷中心不重合所产生的库仑力控制，通常被称为极性分子。不同组分的页岩油与高岭石壁面之间的范德华相互作用能和库伦相互作用能是不同的，这取决于计算时的温压条件、极性基团大小、分子空间结构、相对分子质量、组分占比等一系列复杂物理化学特征。相互作用能的强弱影响着页岩油的吸附行为，并决定着页岩油在纳米孔隙中的吸附强度。
[0005]但是，现阶段分子模拟中，难以准确将页岩油各组分与纳米孔隙壁面之间的范德华相互作用能和库伦相互作用分离，无法联合页岩油密度分布特征定量表征页岩油的吸附强度。因此，亟需提出一种基于分子间相互作用能的页岩油吸附强度评价方法，实现对页岩油各组分吸附强度的准确量化，从分子层面指导油气田开采工艺。

技术实现思路

[0006]本专利技术旨在解决现有技术的不足，提出了一种基于分子间相互作用能的页岩油吸附强度评价方法，从分子层面利用相互作用能评价多组分页岩油在纳米孔隙的吸附强度，揭示了页岩油与纳米孔隙的吸附机理，为页岩油的高效开发奠定了基础。
[0007]本专利技术采用以下的技术方案：
[0008]一种基于分子间相互作用能的页岩油吸附强度评价方法，适用于纳米孔隙中，具
体包括以下步骤：
[0009]步骤1，利用Materials Studio软件，构建高岭石纳米孔隙分子模型；
[0010]步骤2，基于OPLS全原子力场库，结合页岩油的组分，构建多组分页岩油分子模型；
[0011]步骤3，将高岭石纳米孔隙分子模型与多组分页岩油分子模型相组合，形成多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型，通过对多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型进行能量最小化和弛豫处理，得到多组分页岩油纳米孔隙吸附模型；
[0012]步骤4，利用多组分页岩油纳米孔隙吸附模型，基于分子模拟方法模拟获取平衡态下多组分页岩油在高岭石纳米孔隙中的吸附构型和过渡吸附数据文件；
[0013]步骤5，利用分子模拟方法模拟将平衡态多组分页岩油在高岭石纳米孔隙中的吸附构型继续模拟，获取分子分布数据和分子运动轨迹，确定页岩油中各组分在高岭石纳米孔隙中的密度分布曲线，并生成分子运动轨迹文件；
[0014]步骤6，根据页岩油中各组分在高岭石纳米孔隙中的密度分布曲线，划分吸附相和游离相，计算页岩油中各组分的吸附相质量，同时，根据模拟得到的分子轨迹文件以及过渡吸附数据文件，计算页岩油中各组分与高岭石孔隙之间的总相互作用能、范德华相互作用能和库伦相互作用能；
[0015]步骤7，根据页岩油中各组分与高岭石孔隙之间的总相互作用能、范德华相互作用能和库伦相互作用能，结合页岩油中各组分的吸附相质量，分别计算页岩油中各组分与高岭石壁面之间的吸附强度，定量评价高岭石孔隙中各页岩油组分的吸附强度。
[0016]优选地，所述步骤1中，利用Materials Studio软件构建高岭石晶胞后，通过调用Materials Studio软件的Bulid模块切割出高岭石晶胞的晶面，得到高岭石晶胞模型，优化高岭石晶胞模型的晶格结构参数，生成高岭石晶胞模型文件；
[0017]将生成的高岭石晶胞模型文件进行格式转换后，得到高岭石晶胞数据文件，将高岭石晶胞数据文件导入Lammps分子模拟器中，将ClayFF力场参数施加到高岭石晶胞模型中，构建页岩高岭石纳米孔隙分子模型。
[0018]优选地，所述页岩高岭石纳米孔隙分子模型的ClayFF力场计算公式为：
[0019][0020][0021]U
bond
＝k1(r
ij
‑
r0)2ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0022]U
angle
＝k2(θ
ijk
‑
θ0)2ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0023]式中，U
Coul
为库伦相互作用能，单位为kcal/mol，U
vdW
为范德华相互作用能，单位为kcal/mol，U
bond
为键伸缩相互作用能，单位为kcal/mol，U
angle
为角弯曲相互作用能，单位为kcal/mol；e为点电荷，ε0为真空介电常数，取值为8.85419
×
10
‑
12
F/m；q
i
为原子i所带电荷量，q
j
为原子j所带电荷量，r
ij
为原子i和原子j之间的距离，单位为；D
0,ij
为原子i和原子j之间相互作用的第一拟合经验系数，单位为kcal/mol，R
0,ij
为原子i和原子j之间相互作用的第二拟合经验系数，单位为；k1为键伸缩相互作用经验系数，单位为k2为
角弯曲相互作用经验系数，单位为kcal/mol；r0为键伸缩平衡距离，单位为；θ
ijk
为原子i、原子j和原子k之间的角度，单位为deg，θ0为角弯曲平衡角度，单位为deg。
[0024]优选地，所述步骤2中，基于OPLS全原子力场库分别建立甲烷模型、正十二烷模型、沥青质分子模型和正癸胺分子模型，电荷平衡优化后生成甲烷模型文件、正十二烷模型文件、沥青质分子模型文件和正癸胺分子模型文件，根据页岩油各组分的比例设置甲烷模型、正十二烷模型、沥青质分子模型和正癸胺分子模型的数量，构建页岩油分子模型。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于分子间相互作用能的页岩油吸附强度评价方法，其特征在于，适用于纳米孔隙中，具体包括以下步骤：步骤1，利用Materials Studio软件，构建高岭石纳米孔隙分子模型；步骤2，基于OPLS全原子力场库，结合页岩油的组分，构建多组分页岩油分子模型；步骤3，将高岭石纳米孔隙分子模型与多组分页岩油分子模型相组合，形成多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型，通过对多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型进行能量最小化和弛豫处理，得到多组分页岩油纳米孔隙吸附模型；步骤4，利用多组分页岩油纳米孔隙吸附模型，基于分子模拟方法模拟获取平衡态下多组分页岩油在高岭石纳米孔隙中的吸附构型和过渡吸附数据文件；步骤5，利用分子模拟方法模拟将平衡态多组分页岩油在高岭石纳米孔隙中的吸附构型继续模拟，获取分子分布数据和分子运动轨迹，确定页岩油中各组分在高岭石纳米孔隙中的密度分布曲线，并生成分子运动轨迹文件；步骤6，根据页岩油中各组分在高岭石纳米孔隙中的密度分布曲线，划分吸附相和游离相，计算页岩油中各组分的吸附相质量，同时，根据模拟得到的分子轨迹文件以及过渡吸附数据文件，计算页岩油中各组分与高岭石孔隙之间的总相互作用能、范德华相互作用能和库伦相互作用能；步骤7，根据页岩油中各组分与高岭石孔隙之间的总相互作用能、范德华相互作用能和库伦相互作用能，结合页岩油中各组分的吸附相质量，分别计算页岩油中各组分与高岭石壁面之间的吸附强度，定量评价高岭石孔隙中各页岩油组分的吸附强度。2.根据权利要求1所述的基于分子间相互作用能的页岩油吸附强度评价方法，其特征在于，所述步骤1中，利用Materials Studio软件构建高岭石晶胞后，通过调用Materials Studio软件的Bulid模块切割出高岭石晶胞的晶面，得到高岭石晶胞模型，优化高岭石晶胞模型的晶格结构参数，生成高岭石晶胞模型文件；将生成的高岭石晶胞模型文件进行格式转换后，得到高岭石晶胞数据文件，将高岭石晶胞数据文件导入Lammps分子模拟器中，将ClayFF力场参数施加到高岭石晶胞模型中，构建页岩高岭石纳米孔隙分子模型。3.根据权利要求2所述的基于分子间相互作用能的页岩油吸附强度评价方法，其特征在于，所述页岩高岭石纳米孔隙分子模型的ClayFF力场计算公式为：在于，所述页岩高岭石纳米孔隙分子模型的ClayFF力场计算公式为：U
bond
＝k1(r
ij
‑
r0)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)U
angle
＝k2(θ
ijk
‑
θ0)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)式中，U
Coul
为库伦相互作用能，单位为kcal/mol，U
vdW
为范德华相互作用能，单位为kcal/mol，U
bond
为键伸缩相互作用能，单位为kcal/mol，U
angle
为角弯曲相互作用能，单位为kcal/mol；e为点电荷，ε0为真空介电常数，取值为8.85419
×
10
‑
12
F/m；q
i
为原子i所带电荷量，q
j
为
原子j所带电荷量，r
ij
为原子i和原子j之间的距离，单位为D
0,ij
为原子i和原子j之间相互作用的第一拟合经验系数，单位为kcal/mol，R
0,ij
为原子i和原子j之间相互作用的第二拟合经验系数，单位为k1为键伸缩相互作用经验系数，单位为k2为角弯曲相互作用经验系数，单位为kcal/mol；r0为键伸缩平衡距离，单位为θ
ijk
为原子i、原子j和原子k之间的角度，单位为deg，θ0为角弯曲平衡角度，单位为deg。4.根据权利要求1所述的基于分子间相互作用能的页岩油吸附强度评价方法，其特征在于，所述步骤2中，基于OPLS全原子力场库分别建立甲烷模型、正十二烷模型、沥青质分子模型和正癸胺分子模型，电荷平衡优化后生成甲烷模型文件、正十二烷模型文件、沥青质分子模型文件和正癸胺分子模型文件，根据页岩油各组分的比例设置甲烷模型、正十二烷模型、沥青质分子模型和正癸胺分子模型的数量，构建页岩油分子模型。5.根据权利要求1所述的基于分子间相互作用能的页岩油吸附强度评价方法，其特征在于，所述步骤3中，将高岭石纳米孔隙分子模型与多组分页岩油分子模型相组合，形成多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型，通过对多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型进行能量最小化处理消除重叠的原子构型，使得多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型能量最低化后，获取能量最小化状态下的多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型能量，得到能量最小化处理后的多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型；再对能量最小化处理后的多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型进行优化，设置多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型的弛豫步长和弛豫时间，在NVT正则系综下以预设的弛豫步长和弛豫时间对多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型进行弛豫处理，获取多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型稳定状态下的体系温度值，通过弛豫处理使得多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型稳定状态下的体系温度值与真实地层环境温度相一致，得到多组分页岩油纳米孔隙吸附模型。6.根据权利要求1所述的基于分子间相互作用能的页...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋怀森，杨永飞，梁超，尚振骁，王金雷，张磊，钟俊杰，孙海，张凯，姚军，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：