本發(fā)明涉及氣體溶解特性評(píng)價(jià)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于分子動(dòng)力學(xué)模擬氣體在鉆井液中溶解特性的評(píng)價(jià)方法。

背景技術(shù)：

井控安全是油氣勘探開發(fā)作業(yè)過(guò)程中的關(guān)鍵問題之一。油氣井鉆井過(guò)程中發(fā)生溢流，若沒有及時(shí)采取合理有效的井控措施，極易引發(fā)惡性井噴事故，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。精確的井筒壓力控制是確保井控作業(yè)安全的核心。油氣井溢流條件下，地層氣體在鉆井液中存在一定的溶解度，其會(huì)影響環(huán)空自由氣量以及多相流流態(tài)分布，特別是在油基和合成基鉆井液中溶解度非常大的情況下，溢流氣體在部分井段甚至可能完全溶于鉆井液中，出現(xiàn)單相流狀態(tài)。針對(duì)上述問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在實(shí)驗(yàn)研究和理論模型方面做了大量工作，取得了一定的有益認(rèn)識(shí)，但受制于實(shí)驗(yàn)條件的制約，目前的研究成果還是存在一定的局限性。此外，盡管相關(guān)的研究工作被相繼報(bào)道，但是仍缺乏對(duì)氣體-鉆井液體系相行為的一個(gè)全面認(rèn)識(shí)，氣體在鉆井液中的溶解機(jī)理尚未明確。

分子動(dòng)力學(xué)模擬(moleculardynamics)基于經(jīng)典力學(xué)方法，通過(guò)力場(chǎng)(勢(shì)能函數(shù))從分子角度來(lái)表征體系的構(gòu)象和能量，研究分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而得到體系的熱力學(xué)性質(zhì)及其它宏觀特性。分子動(dòng)力學(xué)模擬目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于氣液相平衡體系的微觀結(jié)構(gòu)和傳質(zhì)機(jī)理研究領(lǐng)域。氣體在鉆井液中的溶解擴(kuò)散行為本質(zhì)上屬于氣液傳質(zhì)范疇，現(xiàn)階段對(duì)于不同溫度、壓力條件下氣體在不同體系和組分鉆井液中溶解特性差異的內(nèi)在機(jī)理研究尚未見相關(guān)報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于分子動(dòng)力學(xué)模擬氣體在鉆井液中溶解特性的評(píng)價(jià)方法，有助于全面的認(rèn)識(shí)氣體-鉆井液體系相行為、明確氣體在鉆井液中的溶解機(jī)理、評(píng)價(jià)不同條件下氣體在鉆井液中的溶解特性。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：

基于分子動(dòng)力學(xué)模擬氣體在鉆井液中溶解特性的評(píng)價(jià)方法，它包括以下步驟；

s1、構(gòu)建鉆井液基液分子模型并進(jìn)行幾何優(yōu)化，采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀對(duì)鉆井液基液進(jìn)行組分定量分析，確定各組分的分子結(jié)構(gòu)式，利用materialsstudio軟件中的visualizer模塊構(gòu)建鉆井液各組分分子模型，并對(duì)其進(jìn)行能量最小化處理，優(yōu)化幾何結(jié)構(gòu)；

s2、構(gòu)建氣體-鉆井液體系晶胞結(jié)構(gòu)并進(jìn)行幾何優(yōu)化，根據(jù)鉆井液配方，確定各添加劑比例及分子結(jié)構(gòu)，結(jié)合鉆井液基液分子模型，利用materialsstudio軟件中的amorphouscell建立氣體-鉆井液體系晶胞結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行能量最小化處理，優(yōu)化初始結(jié)構(gòu)；

s3、氣體-鉆井液體系退火去應(yīng)力，完成步驟s2后再利用materialsstudio軟件中的forcite模塊對(duì)氣體-鉆井液體系進(jìn)行300k～500k、5ps的退火處理，消除周期性盒子內(nèi)的局部應(yīng)力；

s4、對(duì)氣體-鉆井液體系進(jìn)行動(dòng)力學(xué)弛豫：

s4(i)選擇全局能量最低構(gòu)象進(jìn)行100ps的nvt動(dòng)力學(xué)弛豫，使得氣體-鉆井液體系充分達(dá)到平衡；

s4(ii)再對(duì)體系進(jìn)行10ps的nve動(dòng)力學(xué)弛豫，以消除nvt動(dòng)力學(xué)弛豫中的控溫函數(shù)對(duì)氣體-鉆井液體系的影響；

s5、對(duì)氣體-鉆井液體系進(jìn)行npt分子動(dòng)力學(xué)模擬，在指定溫度、壓力下對(duì)氣體-鉆井液體系進(jìn)行npt動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算，設(shè)定時(shí)間為1000ps，設(shè)定時(shí)間步長(zhǎng)1fs，每5000步輸出一次軌跡數(shù)據(jù)；

s6、計(jì)算微觀特征參量，在materialsstudio軟件中的forcite模塊中對(duì)步驟s4中輸出的分子動(dòng)力學(xué)軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算氣體-鉆井液體系晶胞結(jié)構(gòu)的相關(guān)微觀特征參量，所述的微觀特征參量包括自由體積、相互作用能和溶解自由能，即可通過(guò)分析自由體積、相互作用能和溶解自由能的值來(lái)分析氣體在鉆井液中溶解的微觀機(jī)理；

s7、評(píng)價(jià)氣體在鉆井液中溶解特性，改變溫度、壓力和鉆井液基液組分中的一項(xiàng)或者多項(xiàng)，再重復(fù)步驟s1～s6，對(duì)比分析不同模擬條件下晶胞結(jié)構(gòu)的微觀特征參量的變化規(guī)律，評(píng)價(jià)不同條件下氣體在鉆井液中的溶解特性。

所述的步驟s1和步驟s2中能量最小化處理具體實(shí)現(xiàn)方法是在materialsstudio軟件中選擇smart算法，設(shè)定力場(chǎng)compassⅱ，設(shè)定精度ultra-fine，且設(shè)定迭代步數(shù)為1000步，就可利用forcite模塊進(jìn)行能量最小化處理。

所述的步驟s2中構(gòu)建氣體-鉆井液體系晶胞結(jié)構(gòu)的具體方法是，控制總原子數(shù)為4000～4200，在materialsstudio的amorphouscell模塊中按比例設(shè)定鉆井液各組分的個(gè)數(shù)和氣體的個(gè)數(shù)，將鉆井液的實(shí)際密度設(shè)定為密度，設(shè)定精度ultra-fine，即可通過(guò)amorphouscell模塊構(gòu)建出氣體-鉆井液體系無(wú)定形晶胞結(jié)構(gòu)。

所述的步驟s4和步驟s5中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算的具體方法是，設(shè)定力場(chǎng)為compassⅱ通用力場(chǎng)，溫度控制的選項(xiàng)中選擇nose熱浴法為，壓力控制的選項(xiàng)中選擇berendsen恒壓法，范德華作用力設(shè)定為ewald法，靜電相互作用力設(shè)定為pppm法。

所述的步驟s6中計(jì)算自由體積的具體方法是，根據(jù)氣體分子動(dòng)力學(xué)直徑確定探針分子半徑、并在materialsstudio軟件中設(shè)定探針分子半徑，設(shè)定網(wǎng)格間距即可計(jì)算出自由體積；

所述的步驟s6中計(jì)算相互作用能的具體方法是，設(shè)混合體系能量為e混合體系，純?nèi)芤后w系能量為e純?nèi)芤?，純氣體體系能量為e純氣體，相互作用能為e相互作用，

則：e混合體系＝e純?nèi)芤?e純氣體+e相互作用(1)，

設(shè)定精度ultra-fine，設(shè)定力場(chǎng)為compassⅱ力場(chǎng)，就可以通過(guò)materialsstudio軟件分別計(jì)算出混合體系能量、純?nèi)芤后w系能量和純氣體體系能量，

通過(guò)公式(1)得到相互作用能為：e相互作用＝e混合體系-e純?nèi)芤?e純氣體(2)，

即完成對(duì)相互作用能的計(jì)算。

所述的步驟s6中計(jì)算溶解自由能的具體方法是，選擇所有氣體分子并將其設(shè)定為溶質(zhì)，設(shè)定平衡步數(shù)為50000，設(shè)定生產(chǎn)步數(shù)為100000，設(shè)定耦合步數(shù)為5，選取thermodynamicintegration算法，即可由materialsstudio軟件計(jì)算出溶解自由能。

本發(fā)明的有益效果是：在分子層面深入研究氣體在鉆井液中溶解微觀行為，揭示氣體在鉆井液中的溶解機(jī)理，加強(qiáng)對(duì)氣體-鉆井液相行為的認(rèn)識(shí)；提供一種簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)氣體在鉆井液中溶解特性的方法，特別是可對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備無(wú)法達(dá)到的高溫、高壓情況進(jìn)行模擬研究，可減少相關(guān)的實(shí)驗(yàn)工作量，節(jié)約研究成本，經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明方法的流程框圖；

圖2為實(shí)施例1中甲烷-白油基鉆井液體系晶胞單元的自由體積分布示意圖；

圖3為實(shí)施例1中單個(gè)甲烷分子受到的相互作用能分布示意圖；

圖4為實(shí)施例1中單個(gè)甲烷分子的溶解自由能分布示意圖；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于以下所述。

實(shí)施例1

選取甲烷-白油基鉆井液體系作為氣體-鉆井液體系，基于分子動(dòng)力學(xué)模擬甲烷在白油基鉆井液中的溶解特性，具體實(shí)施步驟包括：

s1、白油分子模型及幾何優(yōu)化：采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀對(duì)5#白油進(jìn)行組分定量分析，確定各組分的分子結(jié)構(gòu)式，利用materialsstudio中的visualizer模塊構(gòu)建白油各組分分子模型，并選擇smart算法，設(shè)定compassⅱ力場(chǎng)，設(shè)定精度ultra-fine，設(shè)定迭代步數(shù)1000步，即可通過(guò)forcite模塊進(jìn)行能量最小化處理，優(yōu)化白油各組分分子模型的幾何結(jié)構(gòu)。

s2、甲烷-白油基鉆井液體系晶胞結(jié)構(gòu)及幾何優(yōu)化：根據(jù)白油基鉆井液配方，確定各添加劑比例及分子結(jié)構(gòu)，結(jié)合白油分子模型，在materialsstudio軟件的amorphouscell模塊建立甲烷-白油基鉆井液體系無(wú)定形晶胞結(jié)構(gòu)，按比例設(shè)定各組分的個(gè)數(shù)，確定最終總原子數(shù)為4183，然后選擇smart算法，設(shè)定力場(chǎng)compassⅱ，設(shè)定精度ultra-fine，設(shè)定迭代步數(shù)為1000步，通過(guò)forcite模塊對(duì)甲烷-白油基鉆井液體系模型進(jìn)行能量最小化處理，優(yōu)化甲烷-白油基鉆井液體系的初始結(jié)構(gòu)。

s3、退火去應(yīng)力：利用materialsstudio軟件中的的forcite模塊對(duì)甲烷-白油基鉆井液體系進(jìn)行溫度為300k-500k，時(shí)間為5ps的退火處理，以消除周期性盒子內(nèi)的局部應(yīng)力。

s4、動(dòng)力學(xué)弛豫：設(shè)定力場(chǎng)為compassⅱ通用力場(chǎng)，溫度控制的選項(xiàng)中選擇nose熱浴法為，壓力控制的選項(xiàng)中選擇berendsen恒壓法，范德華作用力設(shè)定為ewald法，靜電相互作用力設(shè)定為pppm法，即可對(duì)甲烷-白油基鉆井液體系全局能量最低構(gòu)象進(jìn)行時(shí)間為100ps的nvt動(dòng)力學(xué)弛豫，使得甲烷-白油基鉆井液體系充分平衡；再對(duì)甲烷-白油基鉆井液體系進(jìn)行時(shí)間為10ps的nve動(dòng)力學(xué)弛豫，以消除nvt動(dòng)力學(xué)弛豫中溫度控制對(duì)甲烷-白油基鉆井液體系的影響。

s5、npt分子動(dòng)力學(xué)模擬：在30℃、10mpa下對(duì)甲烷-白油基鉆井液體系進(jìn)行時(shí)間為1000ps的npt動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算，壓力控制采用berendsen恒壓法，范德華作用力采用ewald法表征，靜電相互作用力采用pppm法表征，設(shè)定時(shí)間步長(zhǎng)1fs，設(shè)定每5000步輸出一次軌跡數(shù)據(jù)。

s6、計(jì)算微觀特征參量：根據(jù)軌跡數(shù)據(jù)可以得出相關(guān)微觀特征參量，微觀特征參量包括自由體積、相互作用能和溶解自由能。

其中，如圖2所示，自由體積即體系中未被原子占據(jù)的空隙體積?？障扼w積越多，代表可供氣體分子填充的空間也就越多，在宏觀上反映出來(lái)就是相同條件下能夠溶解的氣體更多，鉆井液中自由體積的大小決定了氣體分子可充填空間的多少，也就是鉆井液對(duì)氣體分子的“容量”。

根據(jù)氣體分子動(dòng)力學(xué)直徑確定探針分子半徑、并在materialsstudio軟件中設(shè)定探針分子半徑，設(shè)定網(wǎng)格間距即可計(jì)算出自由體積?？梢缘玫饺鐖D2所示的單個(gè)甲烷分子的自由體積分布示意圖。

設(shè)混合體系能量為e混合體系，純?nèi)芤后w系能量為e純?nèi)芤?，純氣體體系能量為e純氣體，相互作用能為e相互作用，

則：e混合體系＝e純?nèi)芤?e純氣體+e相互作用(1)，

設(shè)定精度ultra-fine，設(shè)定力場(chǎng)為compassⅱ力場(chǎng)，就可以通過(guò)materialsstudio軟件分別計(jì)算出混合體系能量、純?nèi)芤后w系能量和純氣體體系能量，

通過(guò)公式(1)得到相互作用能為：e相互作用＝e混合體系-e純?nèi)芤?e純氣體(2)，

計(jì)算出相互作用能。可以得到如圖3所示的單個(gè)甲烷分子的相互作用能分布示意圖。

選擇所有甲烷氣體分子并將其設(shè)定為溶質(zhì)分子，設(shè)定平衡步數(shù)為50000，設(shè)定生產(chǎn)步數(shù)為100000，設(shè)定耦合步數(shù)為5，選取thermodynamicintegration算法，即可由materialsstudio軟件計(jì)算出溶解自由能?？梢缘玫饺鐖D4所示的單個(gè)甲烷分子的溶解自由能分布示意圖。

相互作用能可以表征溶質(zhì)分子與溶劑分子間的相互作用機(jī)制，相互作用能為負(fù)代表粒子與溶劑之間為相互吸引作用，其絕對(duì)值越大相互吸引作用越強(qiáng)，鉆井液對(duì)氣體分子的吸引結(jié)合作用驅(qū)動(dòng)氣體分子填充在鉆井液空隙中，通俗上講就是驅(qū)動(dòng)氣體溶解的“能量”。溶解自由能是指把溶質(zhì)從氣態(tài)放到溶液中所需要做的功，單個(gè)氣體分子溶解在鉆井液中所需要做的功，其實(shí)可以理解為“路徑”，單個(gè)氣體分子在不同條件下溶解的“路徑”不同，每種路徑所需要做的功不同。因此，當(dāng)“容量”(自由體積)和“能量”(相互作用能)越大，“路徑”越好(溶解自由能越低)，則溶解度越高。因此可通過(guò)分析自由體積、相互作用能和溶解自由能的值來(lái)分析氣體在鉆井液中溶解的微觀機(jī)理。

s7、評(píng)價(jià)甲烷氣體在白油基鉆井液中的溶解特性：溫度設(shè)定不變，依次將壓力設(shè)置為15mpa、30mpa、45mpa和60mpa，分別重復(fù)步驟s1～s6；再將溫度改為70℃或者120℃，并依次將壓力設(shè)置為10mpa、15mpa、30mpa、45mpa和60mpa，分別重復(fù)上述步驟s1～s6。最后可以得到多組不同溫度、壓力條件下的微觀特征參量。對(duì)比分析不同模擬條件下微觀特征參量的變化規(guī)律，就可以評(píng)價(jià)不同溫度和不同壓力條件下甲烷在白油基鉆井液中的溶解特性。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明并非局限于本文所披露的形式，不應(yīng)看作是對(duì)其他實(shí)施例的排除，而可用于各種其他組合、修改和環(huán)境，并能夠在本文所述構(gòu)想范圍內(nèi)，通過(guò)上述教導(dǎo)或相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)或知識(shí)進(jìn)行改動(dòng)。而本領(lǐng)域人員所進(jìn)行的改動(dòng)和變化不脫離本發(fā)明的精神和范圍，則都應(yīng)在本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。