一种基于分子动力学模拟的表面活性剂复配体系评价方法技术

本发明专利技术提供一种基于分子动力学模拟的表面活性剂复配体系评价方法。该评价方法借助分子动力学理论和仿真计算软件构建出油/表面活性剂/水三相体系模型，以此模拟评价不同表面活性剂复配体系的界面行为，包括界面结构与界面性质，该方法不仅简便、省时，大大缩短实验周期，还能研究不同表面活性剂复配体系的微观原理，为表面活性剂复配体系的研究提供了理论上的指导，同时有利于三次采油中表面活性剂复配体系的快速筛选，为提高原油采收率具有重要价值。值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于分子动力学模拟的表面活性剂复配体系评价方法


[0001]本专利技术属于胶体界面科学领域，具体包含一种基于分子动力学模拟的表面活性剂复配体系评价方法。

技术介绍

[0002]原油是一种重要的不可再生能源，在社会发展中发挥着不可替代的作用。原油成分复杂且在地层中的分布多样化，大量原油分布在储层岩石的孔隙中不易采出，因此需要进行更加深入的研究来提高石油采收率。在三次采油中，利用表面活性剂、聚合物等化学剂的化学驱油技术，一直是我国提高石油采收率的主要方向。表面活性剂的界面行为来源于分子特殊的亲水亲油结构，能够吸附到体系的界面处，显著降低油/水界面的界面张力，甚至降至超低界面张力；能够改变岩石表面的润湿性，有利于石油从岩石表面脱附，从而提高采收率。
[0003]在实际应用中，单一表面活性剂的作用往往不理想，不同类型的表面活性剂通常组合使用，以提供更好的性能，获得优异的协同作用。一些复杂的复配体系很难用实验室手段直接精细地研究其界面性质，因此对于不同类型的表面活性剂，从微观的角度研究复杂体系的界面结构与性质及在驱油过程中的微观机理具有重大意义。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的上述问题，本专利技术的目的在于提供一种基于分子模拟的表面活性剂复配体系评价方法。该评价方法从分子层面上研究了表面活性剂复配体系的界面行为，包括界面结构与界面性质，为表面活性剂复配体系的研究提供了理论上的指导，同时对提高原油采收率具有重要价值。
[0005]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案包括：<br/>[0006]本专利技术公开一种基于分子动力学模拟的表面活性剂复配体系评价方法，包括以下步骤：
[0007](1)构建复配体系的表面活性剂、水和油的分子模型，水分子模型采用SPC模型，将建立的表面活性剂和油的初始拓扑结构进行结构优化，并计算出分子内每个原子的RESP电荷，从AMBER分子力场中生成相应的力场参数；
[0008](2)构建表面活性剂盒子，并沿XY方向进行堆积；
[0009](3)对堆积后的表面活性剂盒子进行初步处理，将表面活性剂的亲水性离子头进行位置约束，并保证复配体系的表面活性剂在预处理过程中的相对位置不变，然后进行能量最小化处理和预平衡模拟，得到初步平衡的表面活性剂盒子，即.mdp文件；
[0010]这种位置约束一方面是将每个表面活性剂分子的位置固定下来，另一方面，为了缩短后续平衡的时间，在初步处理时可选择性地将表面活性剂的亲水基团靠近水分子，表面活性剂的疏水基团靠近油分子，以一种更接近于平衡的状态进行能量最小化处理和预平衡模拟。
[0011](4)构建水盒子和油盒子，然后与初步平衡的表面活性剂盒子沿Z方向组装成油/表面活性剂/水三相体系模型；
[0012](5)对所述油/表面活性剂/水三相体系模型进行能量最小化处理，消除模型搭建产生的不合理接触，得到最小化结构文件；以所述最小化结构文件作为输入文件进行分子动力学模拟，确定稳定状态下的油/表面活性剂/水三相体系模型，并收集分子轨迹文件和三维坐标文件，导出.xtc和.gro格式的文件；
[0013](6)对得到的分子轨迹文件和三维坐标文件进行分析，研究其体系密度、界面排布和相互作用，得到复配体系中表面活性剂分子的界面行为的评价结果。
[0014]进一步，步骤(1)的具体步骤为：
[0015]利用仿真软件Gaussian 09构建表面活性剂和油的分子模型，导出.pdb格式的坐标文件，在B3LYP/6
‑
31+g(d)水平上对表面活性剂和油的初始拓扑结构进行几何优化计算，使用AmberTools 19程序中的GAFF，通过B3LYP/6
‑
31+g(d,p)方法计算所有分子的RESP电荷，从AMBER分子力场中直接获取每个原子的范德华参数和成键参数；
[0016]其中AMBER分子力场中使用的势能函数形式为：
[0017][0018]其中，E为分子的势能，K
r
、K
θ
和V
n
分别表示键长、键角和二面角的力常数；r
eq
和θ
eq
分别表示平衡键长和键角；r、θ和γ分别表示键长、键角和初始相角；n为倍数，φ为相位角；i、j为体系中任意两个不同原子，ε
ij
和σ
ij
为两原子之间的Lennard
‑
Jones参数，ε0为真空介电常数，q
i
和q
j
分别表示两个原子上的净电荷，r
ij
表示两个原子之间的距离。
[0019]进一步，步骤(2)的具体步骤为：
[0020]利用Packmol软件，引入步骤(1)得到的表面活性剂分子的坐标文件，将复配体系的表面活性剂分子按照一定比例均匀排布，周期性在XY方向进行堆积。示例性地，当复配体系中存在两种不同类型的表面活性剂(A和B)，如果占比为1：1，此时均匀排布指的是以AB为周期进行排布，如果占比为1：2，此时均匀排布指的是以BAB这种穿插排列的方式进行周期性排布，以避免由于表面活性剂的位置带来的不可控因素，本领域技术人员还可以根据表面活性剂的数量和占比的不同涉及其他规则的排布形式，像传统方法中在构建表面活性剂盒子时采用的随机填充的方法由于随机性、偶然性的原因，并不适用于两种或两种以上的表面活性剂复配体系。
[0021]进一步，所述能量最小化采用GROMACS软件中的最陡下降法；能量最小化处理的收敛标准为：体系能量收敛至小于100kJ/mol；所述预平衡模拟采用的方式为NVT系综模拟，预平衡模拟时间为50
‑
100ps。
[0022]进一步，步骤(5)中所述进行分子动力学模拟过程进一步包括：根据体系大小，进行500ps
‑
1ns的NVT系综模拟，得到NVT结构文件；以NVT结构文件作为输入文件进行1ns的NPT系综模拟，得到NPT结构文件；待模型平衡后，进行5ns的NPT系综模拟以收集平衡体系的数据并计算。在NVT系综模拟和NPT系综模拟的持续时间的选择上不局限于前文所公开的时间，只要可以使体系达到稳定即可，只是本专利技术由于达到稳定的时间较短，所以选择的NVT系综模拟和NPT系综模拟的持续时间也较短。
[0023]进一步，所述分子动力学模拟采用V
‑
rescale温度控制方法控制系统温度，系统温度选择为325K，耦合时间常数设置为0.1ps。
[0024]进一步，所述进行分子动力学模拟进一步包括：
[0025]采用Berendsen压力控制方法和V
‑
rescale温度控制方法分别对所述1ns的NPT系综模拟的压力和温度进行控制；
[0026]采用Parrinello
‑
Rahman压力控制方法和V
‑
rescale温度控制方法分别对所述5ns的NPT系综模拟的压力和温度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于分子动力学模拟的表面活性剂复配体系评价方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)构建复配体系的表面活性剂、水和油的分子模型，水分子模型采用SPC模型，将建立的表面活性剂和油的初始拓扑结构进行结构优化，并计算出分子内每个原子的RESP电荷，从AMBER分子力场中生成相应的力场参数；(2)构建表面活性剂盒子，并沿XY方向进行堆积；(3)对堆积后的表面活性剂盒子进行初步处理，将表面活性剂的亲水性离子头进行位置约束，并保证复配体系的表面活性剂在预处理过程中的相对位置不变，然后进行能量最小化处理和预平衡模拟，得到初步平衡的表面活性剂盒子；(4)构建水盒子和油盒子，然后与初步平衡的表面活性剂盒子沿Z方向组装成油/表面活性剂/水三相体系模型；(5)对所述油/表面活性剂/水三相体系模型进行能量最小化处理，消除模型搭建产生的不合理接触，得到最小化结构文件；以所述最小化结构文件作为输入文件进行分子动力学模拟，确定稳定状态下的油/表面活性剂/水三相体系模型，并收集分子轨迹文件和三维坐标文件，导出.xtc和.gro格式的文件；(6)对得到的分子轨迹文件和三维坐标文件进行分析，研究其体系密度、界面排布和相互作用，得到复配体系中表面活性剂分子的界面行为的评价结果。2.根据权利要求1所述的评价方法，其特征在于，步骤(1)的具体步骤为：利用仿真软件Gaussian09构建表面活性剂和油的分子模型，导出.pdb格式的坐标文件，在B3LYP/6
‑
31+g(d)水平上对表面活性剂和油的初始拓扑结构进行几何优化计算，使用AmberTools19程序中的GAFF，通过B3LYP/6
‑
31+g(d,p)方法计算所有分子的RESP电荷，从AMBER分子力场中直接获取每个原子的范德华参数和成键参数；其中AMBER分子力场中使用的势能函数形式为：其中，E为分子的势能，K
r
、K
θ
和V
n
分别表示键长、键角和二面角的力常数；r
eq
和θ
eq
分别表示平衡键长和键角；r、θ和γ分别表示键长、键角和初始相角；n为倍数，φ为相位角；i、j为体系中任意两个不同原子，ε
ij
和σ
ij
为两原子之间的Lennard
‑
Jones参数，ε0为真空介电常数，q
i
和q
j
分别表示两个原子上的净电荷，r
ij
表示...

【专利技术属性】
技术研发人员：张路，任嘉，肖红艳，张磊，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：