一种CO2-夹带剂复合体系吞吐的分子动力学模拟方法

一种co
2-夹带剂复合体系吞吐的分子动力学模拟方法
技术领域
1.本发明属于co2驱油技术领域，尤其涉及一种co
2-夹带剂复合体系吞吐的分子动力学模拟方法。


背景技术：

2.因页岩储层具有低孔、超低渗、纳米孔隙发育以及润湿性复杂等特点，导致页岩油的实验研究存在高温和高压条件的限制，很难从微观角度揭示分子颗粒渗流规律，只能从宏观角度观察原油驱替效果。
3.近年来，分子动力学模拟技术在原油运移行为、表面活性剂降低co2/原油界面张力行为、表面活性剂聚集与吸附行为等方面取得重要的研究成果。其中，co2吞吐不仅可以提高页岩油藏的采收率，而且有助于缓解温室效应，被认为是极具前景的提高页岩油藏采收率技术。然而，目前co2吞吐极具潜力却未在现场广泛应用，其主要原因在于：一是页岩油藏相较于常规油藏co2吞吐提高采收率机理和影响因素更复杂，导致co2与原油在页岩微纳米孔道中的渗流机理不明确；二是现有co2吞吐技术提高页岩油藏采收率效果有限，难以达到在现场规模应用的经济下限。因此，需要明确页岩油藏co2吞吐作用机理，完善co2吞吐提高采收率技术，以期实现页岩油藏更高效地开发。
4.但是，目前页岩油藏co2吞吐提高采收率研究相对较少，而且在提高采收率机理方面大都是借鉴常规油藏，更是未能形成针对页岩油藏co2复合体系协同作用机理的认识，co2复合体系的粗粒度分子动力学力场不够完善，无法完整表征co2复合体系与页岩有机质/矿物-原油的相互作用，严重制约了页岩油藏co2复合体系吞吐微观渗流理论方面的探讨和研究。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：提供一种co
2-夹带剂复合体系吞吐的分子动力学模拟方法，通过开发“co
2-夹带剂-原油-页岩有机质/矿物狭缝”体系的粗粒度分子动力学力场，并开展粗粒度分子动力学模拟，不仅可以模拟大尺度的动力学行为，而且能够更加全面地表征页岩油藏中分子间以及分子与壁面间相互作用；同时，通过引入多机理co
2-夹带剂复合体系与页岩有机质、矿物、原油的协同作用机制，在分子层面揭示分子间、分子与壁面等作用下页岩微纳米孔道内的分子颗粒流动规律，从而揭示多机理协同作用下页岩油藏动用机理。
6.为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：
7.第一方面，在本发明实施例中提供一种co
2-夹带剂复合体系吞吐的分子动力学模拟方法，包括以下步骤：
8.s101：提供co
2-夹带剂复合体系模型；
9.s102：开发并优化粗粒度分子动力学力场，具体包括：
10.将所述co
2-夹带剂复合体系模型模拟成全原子体系模型，并进行全原子分子动力
学模拟，得到全原子体系初始模型；
11.将所述全原子体系初始模型转化为粗粒度分子结构，并将所述粗粒度分子结构以预定义的珠子表示，得到粗粒度体系模型；
12.在所述粗粒度体系模型中统计粗粒度珠子结构的键长和键角，并利用公式(1)和(2)分别计算相同粗粒度珠子之间相互作用的势能参数kb、r0、k0和θ0；
[0013][0014][0015]
其中，公式(1)中，ub为键伸缩势能、kb为因子、r为键长、r0为键长平衡值；公式(2)中，u
θ
为键角弯曲势能、k0为因子、θ为键角、θ0为角度平衡值；
[0016]
利用公式(3)拟合不同粗粒度珠子之间相互作用的自由能曲线，得到lennar-jones势能参数d0和r0；
[0017][0018]
其中，公式(3)中，u
lj9-6
为范德华力、r为键长、r0为键长平衡值、d0为势阱深度；
[0019]
以及，利用公式(4)拟合不同相粗粒度珠子之间的润湿角参数θ；
[0020][0021]
其中，公式(4)中，θ为润湿角、σ
sg
为固气界面自由能，σ
sl
为固液界面自由能，σ
lg
为液气界面自由能。
[0022]
对lennar-jones势能参数d0和r0进行拟合优化，使得粗粒度体系模型的各种宏观性质与实验数据相吻合，得到粗粒度分子动力学力场；
[0023]
s103：开展分子动力学模拟，具体包括：
[0024]
基于所述粗粒度分子动力学力场，采用周期性边界条件，在正则系综下进行预模拟10ns，使体系达到弛豫平衡，然后对所述co
2-夹带剂复合体系模型开展模拟30ns，模拟步长为1fs，每隔5ps采集所需数据并进行计算分析，其中，所述数据包括：组分密度分布、均方位移等。
[0025]
结合第一方面，在本发明实施例优选的实施方案中，所述co
2-夹带剂复合体系模型的构建方法包括：
[0026]
提供原油分子模型、夹带剂分子模型和有机质-矿物狭缝模型；
[0027]
将co2、所述原油分子模型和所述夹带剂分子模型填充在所述有机质-矿物狭缝模型中，得到co
2-夹带剂复合体系模型。
[0028]
结合第一方面，在本发明实施例优选的实施方案中，所述co
2-夹带剂复合体系模型的构建方法还包括：
[0029]
利用共轭梯度算法对所述co
2-夹带剂复合体系模型进行能量最小化处理，以将能量收敛到1
×
10-4
kcal/mol。
[0030]
结合第一方面，在本发明实施例优选的实施方案中，所述原油分子的组分为正癸
烷。
[0031]
结合第一方面，在本发明实施例优选的实施方案中，所述夹带剂的组分为全乙酰葡萄糖十二烷烃。
[0032]
结合第一方面，在本发明实施例优选的实施方案中，所述有机质-矿物狭缝模型中，原油分子模型、co2和夹带剂分子模型的填充个数分别为500、1000-2000和10-30。
[0033]
结合第一方面，在本发明实施例优选的实施方案中，所述夹带剂分子模型的填充个数为20。
[0034]
结合第一方面，在本发明实施例优选的实施方案中，在开展分子动力学模拟中，弛豫平衡的温度为323.15-348.15k。
[0035]
结合第一方面，在本发明实施例优选的实施方案中，在开展分子动力学模拟中，截断半径为2nm。
[0036]
第二方面，在本发明实施例中，提供所述的co
2-夹带剂复合体系吞吐的分子动力学模拟方法在探究co
2-夹带剂复合体系提高页岩油藏采收率的协同作用机理中的应用。
[0037]
与现有技术相比，本发明实施例的优点或有益效果至少包括：
[0038]
本发明实施例提供了co
2-夹带剂复合体系吞吐的分子动力学模拟方法，通过开发并优化“co
2-夹带剂-原油-页岩有机质/矿物狭缝”体系的粗粒度分子动力学力场后开展粗粒度分子动力学模拟，相比相对全原子模拟，不仅可以模拟大尺度的动力学行为，而且能够更加全面地表征页岩油藏中分子间以及co2复合体系分子与页岩有机质/矿物壁面间相互作用，实现页岩油藏co2复合体系吞吐的微观渗流理论方面的探讨和研究；同时，通过引入多机理co
2-夹带剂复合体系与页岩有机质、矿物、原油的协同作用机制，在分子层面揭示co
2-夹带剂复合体系各组分分子间，以及co
2-夹带剂复合体系分子与页岩有机质/矿物壁面间相互作用，进一步明确co
2-夹带剂复合体系多机理协同作用机制及提高页岩油采收率机理，从而为页岩油藏的高效开发提供理论基础，对co2复合体系吞吐提高页岩油藏采收率的工业化应用具有重要意义。
附图说明
[0039]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0040]
图1是本发明实施例构建的co
2-夹带剂复合体系模型示意图；
[0041]
图2是本发明实施例提供的不同算例下复合体系中烷烃在矿物狭缝中的数密度曲线图；
[0042]
图3是本发明实施例提供的不同复合体系中烷烃在矿物狭缝中的扩散系数；
[0043]
图4是本发明实施例提供的夹带剂不同浓度条件下矿物狭缝中co2在z方向上的数密度分布图；
[0044]
图5是本发明实施例提供的夹带剂不同浓度条件下矿物狭缝中烷烃在z方向上的数密度分布图；
[0045]
图6是本发明实施例提供的同一夹带剂浓度相同温度不同压力条件下矿物狭缝中
co2在z方向上的数密度分布图；
[0046]
图7是本发明实施例提供的同一夹带剂浓度相同温度不同压力条件下矿物狭缝中烷烃在z方向上的数密度分布图；
[0047]
图8是本发明实施例提供的同一夹带剂浓度相同压力不同温度条件下有机质-矿物狭缝中co2在z方向上的数密度分布图；
[0048]
图9是本发明实施例提供的同一夹带剂浓度相同压力不同温度条件下有机质-矿物狭缝中烷烃在z方向上的数密度分布图；
[0049]
图10是本发明实施例提供的烷烃在有机质、矿物狭缝的密度分布图。
具体实施方式
[0050]
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显而易见地，以下所描述的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0051]
在本发明实施例中，提供一种co
2-夹带剂复合体系吞吐的分子动力学模拟方法，包括以下步骤s101-s103。
[0052]
s101-提供co
2-夹带剂复合体系模型：在material studio分子模拟软件中分别构建原油分子模型、夹带剂分子模型和有机质-矿物狭缝模型，并在有机质-矿物狭缝模型依次填充co2、原油分子模型和夹带剂分子模型，得到co
2-夹带剂复合体系模型，参见图1所示。
[0053]
s102-开发并优化粗粒度分子动力学力场：
[0054]
将所述co
2-夹带剂复合体系模型在material studio分子模拟软件中构建成全原子体系模型，并进行全原子分子动力学模拟，得到全原子体系初始模型；
[0055]
将所述全原子体系初始模型转化为粗粒度分子结构，并将所述粗粒度分子结构以预定义的珠子表示，得到粗粒度体系模型，其中，所述预定义的珠子类型如下表1所示；
[0056]
表1-预定义的珠子类型
[0057]
珠子名称代表全原子片段相对质量ctch
3-ch
2-ch
2-43ct2ch
3-ch229cm-ch
2-ch
2-ch
2-42co-coo-44cac-oac71cco244
[0058]
在所述粗粒度体系模型中统计粗粒度珠子结构的键长和键角，并利用公式(1)和(2)分别计算相同粗粒度珠子之间相互作用的势能参数kb、r0、k0和θ0；
[0059][0060][0061]
其中，公式(1)中，ub为键伸缩势能、kb为因子、r为键长、r0为键长平衡值；公式(2)
中，u
θ
为键角弯曲势能、k0为因子、θ为键角、θ0为角度平衡值；
[0062]
利用公式(3)计算各类粗粒度珠子之间的范德华力，并拟合不同珠子之间相互作用的自由能曲线，得到lennar-jones势能参数d0和r0；
[0063][0064]
其中，公式(3)中，u
lj9-6
为范德华力、r为键长、r0为键长平衡值、d0为势阱深度；
[0065]
以及，利用公式(4)拟合不同相粗粒度珠子之间的润湿角参数θ；
[0066][0067]
其中，公式(4)中，θ为润湿角、σ
sg
为固气界面自由能，σ
sl
为固液界面自由能，σ
lg
为液气界面自由能；
[0068]
对lennar-jones势能参数d0和r0进行拟合优化，使得粗粒度体系的各种宏观性质与实验数据吻合，得到粗粒度分子动力学力场，其中，实验数据包括密度测试、溶解性测试、接触角实验、界面张力实验和岩心吞吐实验结果；
[0069]
s103-开展分子动力学模拟：在material studio分子模拟软件中，基于所述粗粒度分子动力学力场，采用周期性边界条件，在正则系综(nvt)下进行预模拟10ns，使体系达到弛豫平衡，然后对所述co
2-夹带剂复合体系模型开展模拟30ns，模拟步长为1fs，每隔5ps采集数据，每隔5ps采集组分密度分布、均方位移等相关参数数据，并进行计算、分析、演化co2复合体系与页岩有机质/矿物-原油的协同作用机制。
[0070]
需要说明的是，开发粗粒度分子动力学力场包括键的相互作用和非键相互作用的定量表征。其中，键伸缩势能和键弯曲势能为键的相互作用，利用平均和标准偏差方法在粗粒度体系模型中统计粗粒度珠子结构的键长和键角后，通过公式(1)和公式(2)分别计算，得到珠子键的相互作用的势能参数；范德华力和润湿角为非键相互作用，通过公式(3)计算各类珠子两两之间的范德华力；同时，固-气、液-气界面自由能在模拟体系中恒定不变，通过调整两种珠子之间的lennar-jones势能参数d0和r0可以改变固-液界面的自由能，进而改变润湿角。另外，夹带剂亲油和亲co2基团不是实际分子，无法考察它们在固体表面的润湿角，因而近似地将亲油基团、亲co2基团与固体界面的相互作用参数用原油、co2与固体表面的参数设置相同。
[0071]
在本发明实施例中，所述原油分子模型的组分优选为正癸烷。但本领域技术人员应当理解的是，本发明实施例对所述原油分子模型的具体组分不作特别的限定，以得到符合化学成分要求的原油分子模型为准。
[0072]
在本发明实施例中，所述夹带剂分子模型的组分优选为全乙酰葡萄糖十二烷烃。但本领域技术人员应当理解的是，本发明实施例对所述夹带剂的具体组分不作特别的限定，以得到能有效提升页岩油藏采收率的co
2-夹带剂复合体系为准。
[0073]
在本发明实施例中，所述有机质-矿物狭缝模型优选以五层石墨烯和表面羟基化石英分别作为页岩储层中狭缝的有机质和矿物，并在分子模拟软件中，将所述五层石墨烯和所述表面羟基化石英进行模拟组合，得到有机质-矿物狭缝模型。其中，所述表面羟基化石英是在石英表面添加氢原子进行羟基化处理获得。
[0074]
在本发明实施例中，优选利用共轭梯度算法对所述co
2-夹带剂复合体系模型进行能量最小化处理，使其能量收敛到1
×
10-4
kcal/mol。
[0075]
在本发明实施例中，在所述有机质-矿物狭缝模型中填充原油分子模型、co2和夹带剂分子模型的个数分别优选为500、1000-2000和10-30。
[0076]
在本发明实施例中，在所述有机质-矿物狭缝模型中填充夹带剂分子模型的个数更优选为20。
[0077]
在本发明实施例中，利用material studio分子模拟软件开展分子动力学模拟，并采用正则系综(nvt)，使用nos
é‑
hoover算法控制计算体系的温度和压力，弛豫平衡的温度优选为323.15-348.15k；采用周期性边界条件，使用particle-particle-particle加和方法计算长程力静电相互作用，截断半径为2nm；体系的速度由麦克斯韦-玻尔兹曼分布初始分配，并由velocity-verlet算法控制。
[0078]
本发明实施例提供的co
2-夹带剂复合体系吞吐的分子动力学模拟方法应用于探讨和研究co
2-夹带剂复合体系提高页岩油藏采收率的协同作用机理。
[0079]
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细阐述。
[0080]
实施例1
[0081]
本实施例1提供一种co
2-夹带剂复合体系吞吐的分子动力学模拟方法，包括如下步骤s101-s103。
[0082]
s101-提供co
2-夹带剂复合体系模型：在material studio分子模拟软件中分别构建原油分子模型、夹带剂分子模型和有机质-矿物狭缝模型，并在有机质-矿物狭缝模型依次填充co2、原油分子模型和夹带剂分子模型，得到co
2-夹带剂复合体系模型，参见图1所示。
[0083]
s102-开发并优化粗粒度分子动力学力场：
[0084]
将所述co
2-夹带剂复合体系模型在material studio分子模拟软件中构建成全原子体系模型，并进行全原子分子动力学模拟，得到全原子体系初始模型；
[0085]
将所述全原子体系初始模型转化为粗粒度分子结构，并将所述粗粒度分子结构以预定义的珠子表示，得到粗粒度体系模型，其中，所述预定义的珠子类型如下表1所示；
[0086]
表1-预定义的珠子类型
[0087]
珠子名称代表全原子片段相对质量ctch
3-ch
2-ch
2-43ct2ch
3-ch229cm-ch
2-ch
2-ch
2-42co-coo-44cac-oac71cco244
[0088]
在所述粗粒度体系模型中统计粗粒度珠子结构的键长和键角，并利用公式(1)和(2)分别计算相同粗粒度珠子之间相互作用的势能参数kb、r0、k0和θ0；
[0089][0090]
[0091]
其中，公式(1)中，ub为键伸缩势能、kb为因子、r为键长、r0为键长平衡值；公式(2)中，u
θ
为键角弯曲势能、k0为因子、θ为键角、θ0为角度平衡值；
[0092]
利用公式(3)计算各类粗粒度珠子之间的范德华力，并拟合不同珠子之间相互作用的自由能曲线，得到lennar-jones势能参数d0和r0；
[0093][0094]
其中，公式(3)中，u
lj9-6
为范德华力、r为键长、r0为键长平衡值、d0为势阱深度；
[0095]
以及，利用公式(4)拟合不同相粗粒度珠子之间的润湿角参数θ；
[0096][0097]
其中，公式(4)中，θ为润湿角、σ
sg
为固气界面自由能，σ
sl
为固液界面自由能，σ
lg
为液气界面自由能；
[0098]
对lennar-jones势能参数d0和r0进行拟合优化，使得粗粒度体系的各种宏观性质与实验数据吻合，得到粗粒度分子动力学力场，其中，实验数据包括密度测试、溶解性测试、接触角实验、界面张力实验和岩心吞吐实验结果；
[0099]
s103-开展分子动力学模拟：在material studio分子模拟软件中，基于所述粗粒度分子动力学力场，采用正则系综(nvt)，使用nos
é‑
hoover算法控制计算体系的温度和压力，弛豫平衡的温度为323.15-348.15k；采用周期性边界条件，使用particle-particle-particle加和方法计算长程力静电相互作用，截断半径为2nm；体系的速度由麦克斯韦-玻尔兹曼分布初始分配，并由velocity-verlet算法控制。对所述co
2-夹带剂复合体系模型开展模拟30ns，模拟步长为1fs，每隔5ps采集数据并分析模拟体系的组分密度分布、均方位移等相关分子性质的参数数据，并计算、分析、演化co2复合体系与页岩有机质/矿物-原油的协同作用机制。
[0100]
基于以上分子动力学模拟，本实施例可实现的研究内容如下：
[0101]
1)通过co2和原油分子在页岩有机质壁面的吸附数目变化曲线图，定量分析co2吸附和原油分子从壁面剥离过程，评价原油的置换效率；
[0102]
2)通过爱因斯坦方程，结合均方位移计算原油的自扩散系数，定量表征其在微纳米孔道内的扩散及运移过程；
[0103]
3)通过模拟页岩有机质壁面吸附的原油分子的密度分布，评价夹带剂不同浓度、不同温度及不同压力条件下注入co
2-夹带剂复合体系后，孔道内原油的采收率，并分析影响采收率的因素；
[0104]
图2至图10示出了研究结果，具体而言：
[0105]
根据图2可以看出：当石英孔道中只存在正癸烷时，正癸烷吸附在石英壁面，存在明显的吸附层，这意味着石英孔道内的正癸烷难以扩散，不利于石油开采；当加入co2分子后，吸附层的峰值降低，一部分正癸烷被co2置换向石英孔道中间运移；当继续加入夹带剂后，吸附层峰值继续降低，被置换到石英孔道中央正癸烷的数密度增加，置换效率提高，说明加入co2和夹带剂能够提高页岩油采收率。
[0106]
根据图3可以看出：在co
2-烷烃体系中加入一定量的夹带剂，更有利于正癸烷在石
英孔道中的扩散。同时，根据图4至图5可以看出：在加入co2和夹带剂后，co2吸附在石英壁面，此时石英壁面的大部分烷烃被置换到co
2-夹带剂复合体系中央，少部分留在吸附层之间，且随着夹带剂浓度的增加，烷烃的置换率增加，但夹带剂浓度过量会导致体系的压强增高，从而使石英孔内过于拥挤，烷烃无法更快的扩散。因此，夹带剂的填充剂的填充量优选为20个。
[0107]
根据图6至图7可以看出：随着压力的增加，更多的烷烃被co2置换到体相区中，孔道内原油的采收率增加。同时，根据图8至图9可以看出：模拟体系温度越高，被置换出来的烷烃越少。因此，模拟温度优选为323.15-348.15k。
[0108]
根据图10可以看出：在有机质-矿物狭缝中，有机质壁面对烷烃的吸附能力强于矿物壁面。
[0109]
根据以上分析可知，本实施例首次开发“co
2-夹带剂-原油-页岩有机质/矿物狭缝"体系的粗粒度分子动力学力场，并基于该粗粒度分子动力学力场开展粗粒度分子动力学模拟，相对于全原子动力学模拟，本实施例可实现模拟大尺度的动力学行为，以及相对于介观模拟，本实施例可更多地反映微观层次上的信息。与目前针对表面活性剂-原油-水-石英体系、co
2-原油-表面活性剂体系等建立的粗粒度力场相比，本实施例能更加全面地表征页岩油藏中分子间、分子与壁面间相互作用，为co2复合体系提高页岩油采收率的微观机理研究提供技术支撑。同时，目前的co2吞吐提高采收率机理研究主要集中在co2吸附、置换和扩散等作用机理，未涉及夹带剂的协同作用。本实施例首次引入多机理co
2-夹带剂复合体系与页岩有机质、矿物、原油的协同作用机制，从分子层面上揭示分子间、分子与壁面等作用下页岩微纳米孔道内的分子颗粒流动规律。与目前单一机理研究相比，本实施例实现了揭示多机理协同作用下页岩油藏动用机理。
[0110]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。