[發明專利]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

• 申請號: 201710273811.2
• 申請日: 2017-04-24
• 公開（公告）號: CN107133458B
• 公開（公告）日: 2019-07-12
• 發明（設計）人: 馮劍;付建紅;陳平;秦莉蘭;廖婉媚;宋宇
• 申請（專利權）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所(普通合伙) 51218
• 代理人: 袁英

本發明公開了一種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，它包括以下步驟；S1、構建鉆井液基液分子模型并進行幾何優化，S2、構建氣體?鉆井液體系晶胞結構并進行幾何優化，S3、氣體?鉆井液體系退火去應力，S4、對氣體?鉆井液體系進行動力學弛豫，S5、對氣體?鉆井液體系進行NPT分子動力學模擬，S6、計算微觀特征參量，S7、評價氣體在鉆井液中溶解特性。本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種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，有助于全面的認識氣體?鉆井液體系相行為、明確氣體在鉆井液中的溶解機理、評價不同條件下氣體在鉆井液中的溶解特性。

技術領域

本發明涉及氣體溶解特性評價技術領域，具體涉及一種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。

背景技術

井控安全是油氣勘探開發作業過程中的關鍵問題之一。油氣井鉆井過程中發生溢流，若沒有及時采取合理有效的井控措施，極易引發惡性井噴事故，造成重大人員傷亡和財產損失。精確的井筒壓力控制是確保井控作業安全的核心。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，其會影響環空自由氣量以及多相流流態分布，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，出現單相流狀態。針對上述問題，國內外學者在實驗研究和理論模型方面做了大量工作，取得了一定的有益認識，但受制于實驗條件的制約，目前的研究成果還是存在一定的局限性。此外，盡管相關的研究工作被相繼報道，但是仍缺乏對氣體-鉆井液體系相行為的一個全面認識，氣體在鉆井液中的溶解機理尚未明確。

分子動力學模擬(Molecular Dynamics)基于經典力學方法，通過力場(勢能函數)從分子角度來表征體系的構象和能量，研究分子的運動規律，從而得到體系的熱力學性質及其它宏觀特性。分子動力學模擬目前已經廣泛應用于氣液相平衡體系的微觀結構和傳質機理研究領域。氣體在鉆井液中的溶解擴散行為本質上屬于氣液傳質范疇，現階段對于不同溫度、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在機理研究尚未見相關報道。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種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，有助于全面的認識氣體-鉆井液體系相行為、明確氣體在鉆井液中的溶解機理、評價不同條件下氣體在鉆井液中的溶解特性。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：

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，它包括以下步驟；

S1、構建鉆井液基液分子模型并進行幾何優化，采用氣相色譜-質譜聯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構式，利用Materials Studio軟件中的Visualizer模塊構建鉆井液各組分分子模型，并對其進行能量最小化處理，優化幾何結構；

S2、構建氣體-鉆井液體系晶胞結構并進行幾何優化，根據鉆井液配方，確定各添加劑比例及分子結構，結合鉆井液基液分子模型，利用Materials Studio軟件中的Amorphous Cell 建立氣體-鉆井液體系晶胞結構，并對其進行能量最小化處理，優化初始結構；

S3、氣體-鉆井液體系退火去應力，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，消除周期性盒子內的局部應力；

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；

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對氣體-鉆井液體系的影響；