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技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及气体溶解特性评价
，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。
技术介绍
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(MolecularDynamics)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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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MaterialsStudio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MaterialsStudio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MaterialsStudio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MaterialsStudio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。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MaterialsStudio的AmorphousCell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AmorphousCell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MaterialsStudio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MaterialsStudio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Thermodynamicintegration算法，即可由MaterialsStudio软件计算出溶解自由能。本专利技术的有益效果是：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为本专利技术方法的流程框图；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专利技术的技术方案，但本专利技术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MaterialsStudio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Forc本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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MaterialsStudio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MaterialsStudio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MaterialsStudio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MaterialsStudio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...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯剑，付建红，陈平，秦莉兰，廖婉媚，宋宇，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川,51