一种页岩油藏干酪根膨胀行为的分子模拟方法技术

本发明专利技术提供一种页岩油藏干酪根膨胀行为的分子模拟方法，包括以下步骤：S1.模拟装置初始化；S2.模拟装置凝聚化；S3.模拟装置定型化；S4.干酪根膨胀模拟；S5.液体分子赋存和干酪根膨胀的耦合机理分析。本发明专利技术通过构建干酪根膨胀微观模拟装置并结合提出的几何限制插入

【技术实现步骤摘要】
一种页岩油藏干酪根膨胀行为的分子模拟方法


[0001]本专利技术属于石油勘探
，具体涉及一种页岩油藏干酪根膨胀行为的分子模拟方法。

技术介绍

[0002]页岩油藏中的各类烃类组分主要由页岩干酪根分解产生。干酪根为无定形的有机质，其大分子结构由芳环、脂肪族单元和杂原子官能团构成。干酪根的热成熟演化既包括了成键反应，也包括了断键反应。成键反应有助于提高干酪根结构网络的交联程度，断键反应使得干酪根骨架上的有机碳转换为各类烃类组分。常见的烃类组分包括正烷烃，环烷烃以及芳香烃等。由于具有丰富的纳米孔以及巨大的比表面积，干酪根可储集大量分解产生的烃类组分。这些烃类组分主要以吸附相、溶解相和自由相三种形式赋存于干酪根中。干酪根具有柔性的孔隙结构，各类烃类组分与干酪根的相互作用会使得干酪根发生不同程度的膨胀。烃类组分的赋存和干酪根的膨胀处于动态的平衡。明确干酪根在不同烃类组分中的膨胀行为，摸清烃类赋存形式和干酪根膨胀的耦合机理，不仅可以深化对干酪根中化学分离现象的认识，还可以为页岩油藏储量的准确评价奠定理论基础。
[0003]目前国内外学者针对干酪根在各类液态溶剂中的膨胀行为，采用试管膨胀装置开展了大量的实验测试。干酪根试管膨胀实验原理简单，操作方便，测试成本低，是目前普遍采用的膨胀测试方法。该方法基本的操作流程是：首先称量0.2g干酪根粉末样品，投入外径为3mm的厚度均匀的玻璃圆管；接着多次轻拍干酪根样品，实现颗粒间紧密的堆积；然后以2500转/分的转速对样品管进行两次5min的离心，当样品高度在5小时内没有变化时，记录干燥样品的初始高度；随后将液体烃类组分缓慢加入玻璃圆管中，试剂加入的同时对样品进行拍压、超声和低速离心操作，目的是挤压出样品中的空气，实现干酪根样品和试剂的充分混合，另外，为确保样品在试剂中充分膨胀，需要加入过剩的试剂，试剂顶端液面应超出干酪根端面3-4cm；最后将装入样品和试剂的试管垂直放置24小时，以5000转/分的速度对样品管进行5min的离心，重复离心步骤直到试管中的样品高度不再变化，记录最后样品高度，并结合干酪根初始高度计算干酪根的体积膨胀率。在报道的干酪根膨胀实验研究中，膨胀测试通常是基于多种不同类型的干酪根样品以及多种不同类型的液体试剂开展，单一类型的干酪根在类型相同而尺寸不同的液态烃类组分中的差异膨胀行为尚未形成清晰认识。最近，我们系统测试了Kimmeridge干酪根分别在不同尺寸正烷烃、环烷烃以及芳香烃中的膨胀行为，完善了干酪根膨胀理论。实验测试是研究干酪根膨胀行为最直接的方法，而分子模拟方法是探究干酪根膨胀微观机理的强有力手段。目前，在分子尺度上研究干酪根膨胀行为的研究极少。部分学者分别针对干酪根和煤在溶剂中的膨胀行为进行了分子模拟研究的尝试，但模拟中无法实现干酪根和煤与过剩溶剂的接触，使得膨胀不充分。
[0004]目前针对有机质在液态溶剂中膨胀行为的分子模拟研究极少，Pathak等人采用分子动力学(MD)方法研究了干酪根在一系列液态流体分子中的膨胀行为，基本方案为：将干酪根分子以及流体分子一起随机投放到一个大的立方体盒子，其中流体分子的质量约为
20％干酪根分子的质量，然后采用严格的MD退火流程对干酪根和流体分子的混合物进行结构驰豫，最后得到平衡后的干酪根体积，并结合无流体分子的干酪根体积计算干酪根在流体分子中的膨胀率。类似地，Niekerk等人也采用了MD方法研究煤分子在液体溶剂中的膨胀行为，基本方案为：将煤分子和500个溶剂分子一起混合，投放至一个大盒子里，然后采用一系列的MD步骤对混合物的结构进行驰豫，最后基于平衡的结构体积计算煤分子的膨胀率。这两种技术方案类似，第一种方案是在干酪根分子中混合固定质量分数的液体溶剂分子，第二种方案是在煤分子中混合固定数量的溶剂分子。这两种技术方案的主要缺点是由于不能模拟干酪根或煤与过剩液体分子的相互作用，干酪根或煤膨胀不充分，不能反映真实的膨胀率。
[0005]目前部分学者采用巨正则蒙特卡洛和分子动力学的耦合方法(GCMC-MD)研究了干酪根吸附气体小分子的膨胀行为。这种方法采用GCMC算法实现气体分子在干酪根内的插入和删除，采用MD算法实现干酪根的膨胀以及气体分子的运动。具体地，这种方法是间隔地开展GCMC和MD模拟，即先固定孔隙结构进行一定步数的GCMC模拟，然后停止GCMC模拟开展一定步数的MD模拟，接着再停掉MD模拟开展GCMC模拟，如此重复。这种方法不能直接应用于干酪根在液体溶剂中的膨胀研究，这是因为GCMC-MD方法通过化学势或压力控制分子的加载，而在干酪根试管膨胀实验中，测试压力为1atm，过低的压力无法实现液体分子的加载。另外，除了算法效率低和计算成本高外，GCMC-MD方法在应用于液体大分子时还可能存在采样概率过低，并行计算错误以及产生不正确的轨迹等技术问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种页岩油藏干酪根膨胀行为的分子模拟方法。该方法可还原试管膨胀实验中干酪根在液体溶剂中膨胀的物理过程，复制实验中观察得到的干酪根膨胀行为并解释干酪根膨胀和液态分子赋存方式耦合的微观机理。特别地，该套方法可同时实现以下功能：(1)通过还原干酪根与过剩液体分子的相互作用，实现干酪根的充分膨胀；(2)有效区分液态分子在膨胀干酪根中的赋存形式；(3)显著加速膨胀干酪根与过剩烃类组分的平衡过程。
[0007]一种页岩油藏干酪根膨胀行为的分子模拟方法，包括以下步骤：
[0008]S1.模拟装置初始化
[0009]确定装置初始模拟盒子尺寸，其中x和y方向的尺寸设定为最终目标值，z方向的尺寸设定为足够大；向初始模拟盒子里投放一定数量的干酪根分子和不同尺寸的虚粒子；将模拟盒子在z方向的两个端面分别与活塞和石英层结合，形成初始化的模拟装置。
[0010]S2.模拟装置凝聚化
[0011]在模拟装置的活塞上沿z方向施加一定的压缩作用力，模拟NPT系综中的压力，基于严格的退火模拟流程开展干酪根基质的结构驰豫，使干酪根基质发生凝聚。模拟装置在x和y方向的尺寸保持固定，在z方向的尺寸随模拟逐渐减小并达到平衡。
[0012]S3.模拟装置定型化
[0013]针对步骤S2中达到凝聚化的模拟装置，将活塞延z方向拉伸一定距离形成过剩流体区，将系统中的虚粒子删除形成干酪根内部不规则大孔隙，然后将模拟系统在NVT系综下进行结构驰豫，消除应力集中。接着围绕干酪根内部不规则大孔隙四周选取一定数量的碳
骨架原子进行固定，固定原子的位置在随后的模拟过程中始终保持不变，目的是防治大孔隙在膨胀模拟过程中发生崩塌。对固定原子的位置和浓度进行优化调整，使得固定原子既能有效保存大孔隙，又能对干酪根膨胀率产生较小的影响。构建的微观模拟装置由石英层、干酪根基质、过剩流体区和活塞片顺次结合，可最大化程度还原干酪根试管膨胀实验的物理过程，其中石英层代表实验测试中的试管底部，模拟过程中保持固定；干酪根基质对应于实验中紧密堆积的粉末样品；过剩流体区可实现干酪根和过剩液体分子的接触，进而实现干酪根的充分膨胀；活塞片中在膨胀过本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种页岩油藏干酪根膨胀行为的分子模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.模拟装置初始化确定装置初始模拟盒子尺寸，其中x和y方向的尺寸设定为最终目标值，z方向的尺寸设定为足够大；向初始模拟盒子里投放一定数量的干酪根分子和不同尺寸的虚粒子；将模拟盒子在z方向的两个端面分别与活塞和石英层结合，形成初始化的模拟装置；S2.模拟装置凝聚化在模拟装置的活塞上沿z方向施加一定的压缩作用力，模拟NPT系综中的压力，基于严格的退火模拟流程开展干酪根基质的结构驰豫，使干酪根基质发生凝聚；模拟装置在x和y方向的尺寸保持固定，在z方向的尺寸随模拟逐渐减小并达到平衡；S3.模拟装置定型化针对步骤S2中达到凝聚化的模拟装置，将活塞延z方向拉伸一定距离形成过剩流体区，将系统中的虚粒子删除形成干酪根内部不规则大孔隙，然后将模拟系统在NVT系综下进行结构驰豫，消除应力集中；接着围绕干酪根内部不规则大孔隙四周选取一定数量的碳骨架原子进行固定，固定原子的位置在随后的模拟过程中始终保持不变，目的是防治大孔隙在膨胀模拟过程中发生崩塌；对固定原子的位置和浓度进行优化调整，使得固定原子既能有效保存大孔隙，又能对干酪根膨胀率产生较小的影响；构建的微观模拟装置由石英层、干酪根基质、过剩流体区和活塞片顺次结合，可最大化程度还原干酪根试管膨胀实验的物理过程，其中石英层代表实验测试中的试管底部，模拟过程中保持固定；干酪根基质对应于实验中紧密堆积的粉末样品；过剩流体区实现干酪根和过剩液体分子的接触，进而实现干酪根的充分膨胀；活塞片中在膨胀过程中通过添加外部作用力，反映实验测试中的外部环境压力；S4.干酪根膨胀模拟基于步骤S3构建的干酪根膨胀微观模拟装置，采用提出的几何限制插入-分子动力学耦合方法开展干酪根的膨胀模拟，模拟过程中在活塞上施加对应于实验环境压力的外部作用力；S5.液体分子赋存和干酪根膨胀的耦合机理分析联...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄亮，周文，王璐，徐浩，周秋媚，邹杰，
申请(专利权)人：成都理工大学，
类型：发明
国别省市：