[發(fā)明專利]基于分子動力學模擬氣體在鉆井液中溶解特性的評價方法

有效

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• 申請日: 2017-04-24
• 公開（公告）號: CN107133458B
• 公開（公告）日: 2019-07-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 馮劍;付建紅;陳平;秦莉蘭;廖婉媚;宋宇
• 申請（專利權(quán)）人: 西南石油大學
• 主分類號: G16C10/00
• 分類號: G16C10/00;G16C20/00
• 代理公司: 成都金英專利代理事務(wù)所(普通合伙) 51218
• 代理人: 袁英

1.基于分子動力學模擬氣體在鉆井液中溶解特性的評價方法，其特征在于：它包括以下步驟；

S1、構(gòu)建鉆井液基液分子模型并進行幾何優(yōu)化，采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀對鉆井液基液進行組分定量分析，確定各組分的分子結(jié)構(gòu)式，利用Materials Studio軟件中的Visualizer模塊構(gòu)建鉆井液各組分分子模型，并對其進行能量最小化處理，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Materials Studio軟件中的AmorphousCell建立氣體-鉆井液體系晶胞結(jié)構(gòu)，并對其進行能量最小化處理，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Materials Studio軟件中的Forcite模塊對氣體-鉆井液體系進行300K～500K、5ps的退火處理，消除周期性盒子內(nèi)的局部應(yīng)力；

S4、對氣體-鉆井液體系進行動力學弛豫；

S4(I)選擇全局能量最低構(gòu)象進行100ps的NVT動力學弛豫，使得氣體-鉆井液體系充分達到平衡，設(shè)定力場為COMPASS Ⅱ通用力場，溫度控制的選項中選擇Nose熱浴法為，壓力控制的選項中選擇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；

S4(II)再對體系進行10ps的NVE動力學弛豫，以消除NVT動力學弛豫中的控溫函數(shù)對氣體-鉆井液體系的影響；

S5、對氣體-鉆井液體系進行NPT分子動力學模擬，在指定溫度、壓力下對氣體-鉆井液體系進行NPT動力學模擬計算，設(shè)定時間為1000ps，設(shè)定時間步長1fs，每5000步輸出一次軌跡數(shù)據(jù)；

S6、計算微觀特征參量，在Materials Studio軟件中的Forcite模塊中對步驟S4中輸出的分子動力學軌跡數(shù)據(jù)進行分析，計算氣體-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，即可通過分析自由體積、相互作用能和溶解自由能的值來分析氣體在鉆井液中溶解的微觀機理,計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)芤海儦怏w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)定力場為COMPASS Ⅱ力場，就可以通過Materials Studio軟件分別計算出混合體系能量、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)，

即完成對相互作用能的計算；

S7、評價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或者多項，再重復步驟S1～S6，對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，評價不同條件下氣體在鉆井液中的溶解特性。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分子動力學模擬氣體在鉆井液中溶解特性的評價方法，其特征在于：所述的步驟S1和步驟S2中能量最小化處理具體實現(xiàn)方法是在MaterialsStudio軟件中選擇Smart算法，設(shè)定力場COMPASS Ⅱ，設(shè)定精度Ultra-fine，且設(shè)定迭代步數(shù)為1000步，就可利用Forcite模塊進行能量最小化處理。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分子動力學模擬氣體在鉆井液中溶解特性的評價方法，其特征在于：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Materials Studio的Amorphous Cell模塊中按比例設(shè)定鉆井液各組分的個數(shù)和氣體的個數(shù)，根據(jù)鉆井液的實際密度設(shè)定晶胞結(jié)構(gòu)密度，設(shè)定精度Ultra-fine，即可通過Amorphous Cell模塊構(gòu)建出氣體-鉆井液體系無定形晶胞結(jié)構(gòu)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分子動力學模擬氣體在鉆井液中溶解特性的評價方法，其特征在于：所述的步驟S6中計算自由體積的具體方法是，根據(jù)氣體分子動力學直徑確定探針分子半徑、并在Materials Studio軟件中設(shè)定探針分子半徑，設(shè)定網(wǎng)格間距即可計算出自由體積。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分子動力學模擬氣體在鉆井液中溶解特性的評價方法，其特征在于：所述的步驟S6中計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)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Thermodynamic integration算法，即可由Materials Studio軟件計算出溶解自由能。