一种基于分子间相互作用能的页岩油吸附强度评价方法

1.本发明涉及油气田开发技术领域，具体涉及一种基于分子间相互作用能的页岩油吸附强度评价方法。


背景技术：

2.随着传统油气资源的逐渐减少以及能源需求量的日益增长，页岩油作为一种非常重要的非常规油气资源，引起了广泛关注。页岩油储层与常规储层存在显著的差异，页岩油的赋存孔隙多为纳米级，传统的油藏评价方法和开采技术难以有效应用于页岩油储层的勘探开发中。此外，页岩油储层内复杂的页岩微观结构增大了油相分子与孔隙壁之间吸附(包括物理吸附和化学吸附)的表面积，吸附作用提升了页岩油在孔隙中的储集量，在储层评价和开发应用中起到至关重要的作用。研究物质吸附行为的方法主要为构建吸附等温线，常用的吸附等温线包括langmuir等温线和freundlich等温线；langmuir等温线描述了单层吸附的理想情况，而freundlich等温线适用于多层吸附的非理想情况。但是，页岩油赋存环境为纳米孔隙，强烈的纳米限域效应给通过实验获取页岩油吸附等温线带来了难题。
3.纳米限域条件下，流固间相互作用强度主要取决于页岩油在孔隙壁面的吸附强度。但是，物质间能量的量化是常规实验难以解决的问题。随着计算机技术的发展，分子模拟方法越来越多的被应用页岩油气吸附领域，利用分子模拟方法从原子层面揭示页岩油气在纳米孔隙中的吸附行为。
4.分子模拟技术中，相互作用能作为量化分子间相互作用强度的重要参数，包括范德华相互作用能和库伦相互作用能；范德华相互作用能主要是由分子间诱导力、色散力和取向力主导，库伦相互作用能主要是由分子正负电荷中心不重合所产生的库仑力控制，通常被称为极性分子。不同组分的页岩油与高岭石壁面之间的范德华相互作用能和库伦相互作用能是不同的，这取决于计算时的温压条件、极性基团大小、分子空间结构、相对分子质量、组分占比等一系列复杂物理化学特征。相互作用能的强弱影响着页岩油的吸附行为，并决定着页岩油在纳米孔隙中的吸附强度。
5.但是，现阶段分子模拟中，难以准确将页岩油各组分与纳米孔隙壁面之间的范德华相互作用能和库伦相互作用分离，无法联合页岩油密度分布特征定量表征页岩油的吸附强度。因此，亟需提出一种基于分子间相互作用能的页岩油吸附强度评价方法，实现对页岩油各组分吸附强度的准确量化，从分子层面指导油气田开采工艺。


技术实现要素：

6.本发明旨在解决现有技术的不足，提出了一种基于分子间相互作用能的页岩油吸附强度评价方法，从分子层面利用相互作用能评价多组分页岩油在纳米孔隙的吸附强度，揭示了页岩油与纳米孔隙的吸附机理，为页岩油的高效开发奠定了基础。
7.本发明采用以下的技术方案：
8.一种基于分子间相互作用能的页岩油吸附强度评价方法，适用于纳米孔隙中，具
体包括以下步骤：
9.步骤1，利用materials studio软件，构建高岭石纳米孔隙分子模型；
10.步骤2，基于opls全原子力场库，结合页岩油的组分，构建多组分页岩油分子模型；
11.步骤3，将高岭石纳米孔隙分子模型与多组分页岩油分子模型相组合，形成多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型，通过对多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型进行能量最小化和弛豫处理，得到多组分页岩油纳米孔隙吸附模型；
12.步骤4，利用多组分页岩油纳米孔隙吸附模型，基于分子模拟方法模拟获取平衡态下多组分页岩油在高岭石纳米孔隙中的吸附构型和过渡吸附数据文件；
13.步骤5，利用分子模拟方法模拟将平衡态多组分页岩油在高岭石纳米孔隙中的吸附构型继续模拟，获取分子分布数据和分子运动轨迹，确定页岩油中各组分在高岭石纳米孔隙中的密度分布曲线，并生成分子运动轨迹文件；
14.步骤6，根据页岩油中各组分在高岭石纳米孔隙中的密度分布曲线，划分吸附相和游离相，计算页岩油中各组分的吸附相质量，同时，根据模拟得到的分子轨迹文件以及过渡吸附数据文件，计算页岩油中各组分与高岭石孔隙之间的总相互作用能、范德华相互作用能和库伦相互作用能；
15.步骤7，根据页岩油中各组分与高岭石孔隙之间的总相互作用能、范德华相互作用能和库伦相互作用能，结合页岩油中各组分的吸附相质量，分别计算页岩油中各组分与高岭石壁面之间的吸附强度，定量评价高岭石孔隙中各页岩油组分的吸附强度。
16.优选地，所述步骤1中，利用materials studio软件构建高岭石晶胞后，通过调用materials studio软件的bulid模块切割出高岭石晶胞的晶面，得到高岭石晶胞模型，优化高岭石晶胞模型的晶格结构参数，生成高岭石晶胞模型文件；
17.将生成的高岭石晶胞模型文件进行格式转换后，得到高岭石晶胞数据文件，将高岭石晶胞数据文件导入lammps分子模拟器中，将clayff力场参数施加到高岭石晶胞模型中，构建页岩高岭石纳米孔隙分子模型。
18.优选地，所述页岩高岭石纳米孔隙分子模型的clayff力场计算公式为：
[0019][0020][0021]ubond
＝k1(r
ij-r0)2ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0022]uangle
＝k2(θ
ijk-θ0)2ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0023]
式中，u
coul
为库伦相互作用能，单位为kcal/mol，u
vdw
为范德华相互作用能，单位为kcal/mol，u
bond
为键伸缩相互作用能，单位为kcal/mol，u
angle
为角弯曲相互作用能，单位为kcal/mol；e为点电荷，ε0为真空介电常数，取值为8.85419
×
10-12
f/m；qi为原子i所带电荷量，qj为原子j所带电荷量，r
ij
为原子i和原子j之间的距离，单位为；d
0,ij
为原子i和原子j之间相互作用的第一拟合经验系数，单位为kcal/mol，r
0,ij
为原子i和原子j之间相互作用的第二拟合经验系数，单位为；k1为键伸缩相互作用经验系数，单位为k2为
角弯曲相互作用经验系数，单位为kcal/mol；r0为键伸缩平衡距离，单位为；θ
ijk
为原子i、原子j和原子k之间的角度，单位为deg，θ0为角弯曲平衡角度，单位为deg。
[0024]
优选地，所述步骤2中，基于opls全原子力场库分别建立甲烷模型、正十二烷模型、沥青质分子模型和正癸胺分子模型，电荷平衡优化后生成甲烷模型文件、正十二烷模型文件、沥青质分子模型文件和正癸胺分子模型文件，根据页岩油各组分的比例设置甲烷模型、正十二烷模型、沥青质分子模型和正癸胺分子模型的数量，构建页岩油分子模型。
[0025]
优选地，所述步骤3中，将高岭石纳米孔隙分子模型与多组分页岩油分子模型相组合，形成多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型，通过对多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型进行能量最小化处理消除重叠的原子构型，使得多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型能量最低化后，获取能量最小化状态下的多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型能量，得到能量最小化处理后的多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型；
[0026]
再对能量最小化处理后的多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型进行优化，设置多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型的弛豫步长和弛豫时间，在nvt正则系综下以预设的弛豫步长和弛豫时间对多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型进行弛豫处理，获取多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型稳定状态下的体系温度值，通过弛豫处理使得多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型稳定状态下的体系温度值与真实地层环境温度相一致，得到多组分页岩油纳米孔隙吸附模型。
[0027]
优选地，所述步骤4中，基于分子模拟方法，设置分子模拟的模拟时长、计算步长和模拟条件，模拟过程中固定多组分页岩油纳米孔隙吸附模型中的高岭石壁面，利用多组分页岩油纳米孔隙吸附模型在nvt正则系综下以预设的模拟时间和计算步长进行模拟，获取平衡态下多组分页岩油在高岭石纳米孔隙中的吸附构型和过渡吸附数据文件。
[0028]
优选地，所述步骤5中，沿多组分页岩油纳米孔隙吸附模型的高度方向等间隔划分得到多个数据统计箱后，按照预设的模拟时长和计算步长模拟，根据多组分页岩油纳米孔隙吸附模型内各数据统计箱所确定页岩油组分的质量，获取页岩油质量分布情况以及每一步模拟得到的分子运动轨迹，根据页岩油中各组分的质量分布情况，分别针对页岩油中各组分，通过计算所有数据统计箱所测量质量的平均值，得到页岩油中各组分在高岭石纳米孔隙中的密度分布曲线；
[0029]
所述平衡态下页岩油的吸附压力计算公式为：
[0030][0031]
式中，p为页岩油吸附压力，单位为atm，p
j,k
为页岩油中组分j在k方向上产生的压力，单位为atm，vk为原子在k方向上的速度，单位为n
p
为目标原子周围待计算邻居原子的总数，n为目标原子周围待计算邻居原子的序号，dk为k方向上原子之间的距离，r为原子之间的距离，单位为，φ
′
(
·
)为原子间相互作用能的一阶导数，k为页岩油吸附压力计算方向，x为多组分页岩油纳米孔隙吸附模型的长度方向，y为多组分页岩油纳米孔隙吸附模型的宽度方向，z为多组分页岩油纳米孔隙吸附模型的高度方向。
[0032]
优选地，所述步骤6中，具体包括以下步骤：
[0033]
步骤6.1，根据页岩油中各组分在高岭石纳米孔隙中的密度分布曲线，划分吸附相
和游离相，分别计算页岩油中各组分的吸附相质量，如公式(7)所示：
[0034][0035]
其中，
[0036][0037]
式中，j为页岩油中组分的序号，i为数据统计箱的序号，ρ
0ij
为页岩油中组分j在第i个数据统计箱内的平均密度，单位为g/cm3，n
ij
为页岩油中组分j在第i个数据统计箱内的个数，mj为页岩油中组分j的相对分子质量，单位为g/mol，na为阿伏伽德罗常数，vi为第i个数据统计箱的体积，cj为页岩油中组分j的页岩油吸附相质量，单位为g，ρ
ij
为页岩油中组分j的页岩油吸附相在第i个数据统计箱内的平均密度，单位为g/cm3，n为数据统计箱的总数。
[0038]
步骤6.2，根据模拟得到的分子运动轨迹生成分子轨迹文件，获取多个时刻多组分页岩油纳米孔隙吸附模型内页岩油中各组分的分布，并得到页岩油中各组分与高岭石孔隙之间的总相互作用能；
[0039]
步骤6.3，在过渡吸附数据文件中删除库伦相互作用参数后，重现分子运动轨迹，分别针对页岩油中各组分，计算页岩油中各组分的分布，得到页岩油中各组分与高岭石孔隙之间的范德华相互作用能；
[0040]
步骤6.4，在过渡吸附数据文件中删除范德华相互作用参数后，重现分子运动轨迹，分别针对页岩油中各组分，计算页岩油中各组分的分布，得到页岩油中各组分与高岭石孔隙之间的库伦相互作用能。
[0041]
优选地，所述页岩油中组分与高岭石孔隙的总相互作用能、范德华相互作用能和库伦相互作用能之间的关系为：
[0042]etotal
＝e
vdw
+e
coul
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0043][0044][0045]
式中，e
total
为页岩油组分分子与高岭石孔隙之间的总相互作用能，单位为kcal/mol；e
vdw
为页岩油组分分子与高岭石孔隙之间的范德华相互作用能，单位为kcal/mol；e
coul
为页岩油组分分子与高岭石孔隙之间的库伦相互作用能，单位为kcal/mol；ε
ij
为势阱深度，单位为kcal/mol，σ
ij
为碰撞半径，单位为。
[0046]
优选地，所述步骤7中，页岩油中各组分与高岭石壁面之间吸附强度的计算公式为：
[0047]
[0048][0049][0050]
式中，p
total
为总相互作用贡献吸附强度，单位为kcal/(mol
·
10-21
g)；p
vdw
为范德华相互作用贡献吸附强度，单位为kcal/(mol
·
10-21
g)；p
coul
为库伦相互作用贡献吸附强度，单位为kcal/(mol
·
10-21
g)；c为页岩油中组分的吸附相质量。
[0051]
本发明具有如下有益效果：
[0052]
本发明利用高岭石纳米孔隙分子模型和多组分页岩油分子模型构建多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型，通过对多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型进行能量最小化和弛豫处理，得到多组分页岩油纳米孔隙吸附模型后，利用分子模拟方法获取平衡态多组分页岩油在纳米孔隙的分子轨迹，获取页岩油中各组分在纳米孔隙中被吸附后的密度分布，实现了对页岩油中各组分在纳米孔隙内吸附强度的准确量化。
[0053]
本发明从分子层面出发，基纳米孔隙内页岩油中各组分的相互作用能于评价吸附强度，通过将页岩油各组分与纳米孔隙壁面之间的范德华相互作用能和库伦相互作用分离，并结合页岩油内各组分的密度分布特征定量化表征吸附强度，解决了现有技术中难以将页岩油内各组分的吸附强度准确表征的难题，揭示了页岩油与纳米孔隙的吸附机理，为页岩油藏的高效开发提供了理论指导，具有广阔的应用前景。
附图说明
[0054]
图1为一种基于分子间相互作用能的页岩油吸附强度评价方法的流程图。
[0055]
图2为页岩高岭石纳米孔隙分子模型。
[0056]
图3为页岩油组分的结构示意图。
[0057]
图4为页岩油分子模型。
[0058]
图5为多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型。
[0059]
图6为体系能量最小化处理过程的示意图。
[0060]
图7为弛豫过程体系温度。
[0061]
图8为平衡过程中体系的能量变化曲线和温度变化曲线。
[0062]
图9为页岩油中各组分在高岭石纳米孔隙中的密度分布曲线。
具体实施方式
[0063]
下面结合附图和实际砂岩储层压实成岩过程物理演化数值模拟过程为例，详细说明本发明提出的一种基于分子间相互作用能的页岩油吸附强度评价方法，如图1所示，适用于纳米孔隙中，具体包括以下步骤：
[0064]
步骤1，利用materials studio软件，构建高岭石纳米孔隙分子模型。
[0065]
利用materials studio软件构建高岭石晶胞后，通过调用materials studio软件的bulid模块切割出高岭石晶胞的晶面，使得能量最低化得到高岭石晶胞模型，优化高岭石晶胞模型的晶格结构参数，生成高岭石晶胞模型文件。
[0066]
将生成的高岭石晶胞模型文件进行格式转换后，得到高岭石晶胞数据文件，将高
岭石晶胞数据文件导入lammps分子模拟器中，设置高岭石矿物的clayff力场参数，clayff力场参数中原子间参数如表1所示。
[0067]
将clayff力场参数施加到高岭石晶胞模型中，构建页岩高岭石纳米孔隙分子模型，如图2所示，页岩高岭石纳米孔隙分子模型中包括铝原子、硅原子、桥架氧、羟基氧和羟基氢。
[0068]
根据高岭石矿物的clayff力场参数，针对键参数，将羟基氧原子、羟基氢原子的键伸缩相互作用经验系数k1设置为554.1349将羟基氧原子、羟基氢原子键的伸缩平衡距离r0设置为针对角参数，将铝原子、羟基氧原子和羟基氢原子的角弯曲相互作用经验系数k2设置为30.0kcal/mol，将铝原子、羟基氧原子和羟基氢原子的角弯曲平衡角度θ0设置为109.47deg。
[0069]
表1高岭石矿物的clayff力场参数
[0070][0071]
所述页岩高岭石纳米孔隙分子模型中，clayff力场计算公式为：
[0072][0073][0074]ubond
＝k1(r
ij-r0)2ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0075]uangle
＝k2(θ
ijk-θ0)2ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0076]
式中，u
coul
为库伦相互作用能，单位为kcal/mol，u
vdw
为范德华相互作用能，单位为kcal/mol，u
bond
为键伸缩相互作用能，单位为kcal/mol，u
angle
为角弯曲相互作用能，单位为kcal/mol；e为点电荷，ε0为真空介电常数，取值为8.85419
×
10-12
f/m；qi为原子i所带电荷量，qj为原子j所带电荷量，r
ij
为原子i和原子j之间的距离，单位为；d
0,ij
为原子i和原子j之间相互作用的第一拟合经验系数，单位为kcal/mol，r
0,ij
为原子i和原子j之间相互作用的第二拟合经验系数，单位为；k1为键伸缩相互作用经验系数，单位为k2为角弯曲相互作用经验系数，单位为kcal/mol；r0为键伸缩平衡距离，单位为；θ
ijk
为原子i、原子j和原子k之间的角度，单位为deg，θ0为角弯曲平衡角度，单位为deg。
[0077]
步骤2，基于ligpargen网站获取opls全原子力场库，分别建立甲烷模型、正十二烷
模型、沥青质分子模型和正癸胺分子模型，如图3所示，电荷平衡优化后生成甲烷模型文件、正十二烷模型文件、沥青质分子模型文件和正癸胺分子模型文件，获取页岩油中各组分的比例，如表2所示，根据页岩油各组分的比例设置甲烷模型、正十二烷模型、沥青质分子模型和正癸胺分子模型的数量，构建多组分页岩油分子模型，如图4所示。
[0078]
表2页岩油内各组分的占比数据
[0079][0080][0081]
步骤3，将高岭石纳米孔隙分子模型与多组分页岩油分子模型相组合，形成多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型。本实施例中，多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型的页岩油分子模型内设置有990个甲烷模型、809个正十二烷模型、75个沥青质模型和86个正癸胺模型，多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型的高岭石纳米孔隙分子模型中孔隙尺寸设置为5.92nm
×
8.81nm
×
9.39nm，以多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型的长度方向作为x轴、宽度方向作为y轴、高度方向作为z轴，在多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型中建立三维坐标，如图5所示。
[0082]
将力场截断半径设置为1.1nm，即忽略两个原子在截断半径以外的相互作用，从而减少计算时间，并将多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型的边界设置为周期性边界，从而保证了分子运动出多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型边界时，存在相同数目的分子从相反的界面回到模型中，维持模拟系统内粒子数的恒定，有效减小了因模拟体系规模限制所导致的边界效应。
[0083]
通过对多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型进行能量最小化处理消除重叠的原子构型，使得多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型能量最低化，如图6所示，获取能量最小化状态下的多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型能量，得到能量最小化处理后的多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型。
[0084]
再对能量最小化处理后的多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型进行优化，设置多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型的弛豫步长和弛豫时间，本实施例中设置弛豫步长为1fs、弛豫时间为0.5ns，在nvt正则系综下以363k温度、弛豫步长为1fs运行0.5ns，对多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型进行弛豫处理，获取多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型稳定状态下的体系温度，如图7所示，通过弛豫处理使得多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型稳定状态下的体系温度值与真实地层环境温度相一致，得到多组分页岩油纳米孔隙吸附模型，从而保证了模拟计算数据的准确性。
[0085]
步骤4，利用多组分页岩油纳米孔隙吸附模型，基于分子模拟方法模拟获取平衡态下多组分页岩油在高岭石纳米孔隙中的吸附构型和过渡吸附数据文件。
[0086]
本实施例中，基于分子模拟方法，设置分子模拟的模拟时长为10nm、计算步长为1飞秒、模拟温度为363k，为了防止模拟过程中多组分页岩油纳米孔隙吸附模型的壁面发生漂移影响计算的准确性，将多组分页岩油纳米孔隙吸附模型中的高岭石壁面固定，利用多组分页岩油纳米孔隙吸附模型在nvt正则系综在363k温度下按照预设步长1飞秒运行10nm，如图8所示，图8中记录了平衡过程中体系的能量变化和温度变化，获取平衡态下多组分页岩油在高岭石纳米孔隙中的吸附构型和过渡吸附数据文件。
[0087]
步骤5，利用分子模拟方法模拟获取平衡态下多组分页岩油在高岭石纳米孔隙中的吸附构型继续模拟，本实施例中，为了获取页岩油中各组分在高岭石纳米孔隙中的分子分布数据，利用平衡态下多组分页岩油在高岭石纳米孔隙中的吸附构型继续以500飞秒的步长模拟2nm，获取400张分子轨迹图。
[0088]
同时，沿多组分页岩油纳米孔隙吸附模型的高度方向以0.025nm的间隔等间隔划分，得到多个数据统计箱后，以1飞秒的计算步长模拟计算，利用多组分页岩油纳米孔隙吸附模型内的各数据统计箱获取密度分布数据，共计得到2000000组页岩油质量，并根据多组分页岩油纳米孔隙吸附模型内各数据统计箱所确定页岩油组分的质量，获取页岩油质量分布情况，根据页岩油中各组分的质量分布情况，分别针对页岩油中各组分，通过计算所有数据统计箱所测量质量的平均值，得到页岩油中各组分在高岭石纳米孔隙中的密度分布曲线，如图9所示。
[0089]
同时，为了获取页岩油吸附平衡时的体系压力，利用平衡态下页岩油的吸附压力计算公式计算得到吸附压力为48.8mpa，可有效表征多组分页岩油吸附特征。
[0090]
步骤6，根据页岩油中各组分在高岭石纳米孔隙中的密度分布曲线，划分吸附相和游离相，计算页岩油中各组分的吸附相质量，同时，根据模拟得到的分子运动轨迹生成分子轨迹文件以及过渡吸附数据文件，计算页岩油中各组分与高岭石孔隙之间的总相互作用能、范德华相互作用能和库伦相互作用能，具体包括以下步骤：
[0091]
步骤6.1，根据页岩油中各组分在高岭石纳米孔隙中的密度分布曲线，划分吸附相和游离相，利用公式(7)分别计算页岩油中各组分的吸附相质量，计算结果如表3所示。
[0092]
表3页岩油内各组分的吸附相质量
[0093][0094]
步骤6.2，基于页岩油中组分与高岭石孔隙的总相互作用能、范德华相互作用能和库伦相互作用能之间的关系为：
[0095]etotal
＝e
vdw
+e
coul
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0096]
[0097][0098]
式中，e
total
为页岩油组分分子与高岭石孔隙之间的总相互作用能，单位为kcal/mol；e
vdw
为页岩油组分分子与高岭石孔隙之间的范德华相互作用能，单位为kcal/mol；e
coul
为页岩油组分分子与高岭石孔隙之间的库伦相互作用能，单位为kcal/mol；ε
ij
为势阱深度，单位为(kcal/mol)，σ
ij
为碰撞半径，单位为。
[0099]
本实施例中以2ns模拟所获取的分子轨迹生成分子轨迹文件，以500飞秒为步长取400组数据的平均值获取页岩油中各组分与高岭石孔隙之间的总相互作用能，如表4所示，表4中，正数代表相互作用能为吸引能，负数表示相互作用能为排斥能。
[0100]
表4页岩油内各组分的总相互作用能、范德华相互作用能、库伦相互作用能
[0101][0102]
步骤6.3，在过渡吸附数据文件中删除库伦相互作用参数后，将步长设置为500飞秒重现分子运动轨迹，获取400组多组分页岩油纳米孔隙吸附模型内数据统计箱所测量的页岩油中各组分的质量，分别针对页岩油中各组分，计算所有数据统计箱所测量质量的平均值，得到页岩油中各组分与高岭石孔隙之间的范德华相互作用能，如表4所示。
[0103]
步骤6.4，在过渡吸附数据文件中删除范德华相互作用参数后，将步长设置为500飞秒重现分子运动轨迹，获取400组多组分页岩油纳米孔隙吸附模型内数据统计箱所测量的页岩油中各组分的质量，分别针对页岩油中各组分，计算所有数据统计箱所测量质量的平均值，得到页岩油中各组分与高岭石孔隙之间的库伦相互作用能，如表4所示。
[0104]
特别需要注意的是，本实施例中的库伦相互作用能包括长程的库伦相互作用能，从而保证了页岩油与高岭石之间库伦力所贡献相互作用能(即库伦相互作用能)计算的准确性。
[0105]
步骤7，根据页岩油中各组分与高岭石孔隙之间的总相互作用能、范德华相互作用能和库伦相互作用能，结合页岩油中各组分的吸附相质量，分别计算页岩油中各组分与高岭石壁面之间的吸附强度，定量评价高岭石孔隙中各页岩油组分的吸附强度。
[0106]
本实施例中，页岩油中各组分与高岭石壁面之间吸附强度的计算公式为：
[0107][0108]
[0109][0110]
式中，p
total
为总相互作用贡献吸附强度，单位为kcal/(mol
·
10-21
g)；p
vdw
为范德华相互作用贡献吸附强度，单位为kcal/(mol
·
10-21
g)；p
coul
为库伦相互作用贡献吸附强度，单位为kcal/(mol
·
10-21
g)；c为页岩油中组分的吸附相质量。
[0111]
分别针对页岩油中各组分，利用公式(11)～公式(13)计算各组分与高岭石壁面之间吸附强度，计算结果如表5所示。
[0112]
表5页岩油内各组分与高岭石壁面的吸附强度
[0113][0114]
分析表5可得，页岩油在高岭石纳米孔隙内的吸附强度与页岩油中组分相关。由于高岭石纳米孔隙表面分布有大量的具有极性特征的羟基基团，使得其表面为亲水性。因此，页岩油中的活性组分(例如带有极性n原子的正癸胺)，能够与高岭石壁面产生强烈的库伦相互作用进而产生强烈的吸附强度，最难被解吸附。同时，页岩油中的重质组分(例如沥青质)，由于其分子结构复杂、分子质量较大，能够与高岭石壁面产生较强烈的范德华相互作用能所贡献的吸附强度。页岩油中的轻质组分和中质组分(例如甲烷和正十二烷)，与壁面间的吸附强度较低，且在页岩油中占比较高，为页岩油开发过程中开采主力组分。
[0115]
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于分子间相互作用能的页岩油吸附强度评价方法，其特征在于，适用于纳米孔隙中，具体包括以下步骤：步骤1，利用materials studio软件，构建高岭石纳米孔隙分子模型；步骤2，基于opls全原子力场库，结合页岩油的组分，构建多组分页岩油分子模型；步骤3，将高岭石纳米孔隙分子模型与多组分页岩油分子模型相组合，形成多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型，通过对多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型进行能量最小化和弛豫处理，得到多组分页岩油纳米孔隙吸附模型；步骤4，利用多组分页岩油纳米孔隙吸附模型，基于分子模拟方法模拟获取平衡态下多组分页岩油在高岭石纳米孔隙中的吸附构型和过渡吸附数据文件；步骤5，利用分子模拟方法模拟将平衡态多组分页岩油在高岭石纳米孔隙中的吸附构型继续模拟，获取分子分布数据和分子运动轨迹，确定页岩油中各组分在高岭石纳米孔隙中的密度分布曲线，并生成分子运动轨迹文件；步骤6，根据页岩油中各组分在高岭石纳米孔隙中的密度分布曲线，划分吸附相和游离相，计算页岩油中各组分的吸附相质量，同时，根据模拟得到的分子轨迹文件以及过渡吸附数据文件，计算页岩油中各组分与高岭石孔隙之间的总相互作用能、范德华相互作用能和库伦相互作用能；步骤7，根据页岩油中各组分与高岭石孔隙之间的总相互作用能、范德华相互作用能和库伦相互作用能，结合页岩油中各组分的吸附相质量，分别计算页岩油中各组分与高岭石壁面之间的吸附强度，定量评价高岭石孔隙中各页岩油组分的吸附强度。2.根据权利要求1所述的基于分子间相互作用能的页岩油吸附强度评价方法，其特征在于，所述步骤1中，利用materials studio软件构建高岭石晶胞后，通过调用materials studio软件的bulid模块切割出高岭石晶胞的晶面，得到高岭石晶胞模型，优化高岭石晶胞模型的晶格结构参数，生成高岭石晶胞模型文件；将生成的高岭石晶胞模型文件进行格式转换后，得到高岭石晶胞数据文件，将高岭石晶胞数据文件导入lammps分子模拟器中，将clayff力场参数施加到高岭石晶胞模型中，构建页岩高岭石纳米孔隙分子模型。3.根据权利要求2所述的基于分子间相互作用能的页岩油吸附强度评价方法，其特征在于，所述页岩高岭石纳米孔隙分子模型的clayff力场计算公式为：在于，所述页岩高岭石纳米孔隙分子模型的clayff力场计算公式为：u
bond
＝k1(r
ij-r0)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)u
angle
＝k2(θ
ijk-θ0)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)式中，u
coul
为库伦相互作用能，单位为kcal/mol，u
vdw
为范德华相互作用能，单位为kcal/mol，u
bond
为键伸缩相互作用能，单位为kcal/mol，u
angle
为角弯曲相互作用能，单位为kcal/mol；e为点电荷，ε0为真空介电常数，取值为8.85419
×
10-12
f/m；q
i
为原子i所带电荷量，q
j
为
原子j所带电荷量，r
ij
为原子i和原子j之间的距离，单位为d
0,ij
为原子i和原子j之间相互作用的第一拟合经验系数，单位为kcal/mol，r
0,ij
为原子i和原子j之间相互作用的第二拟合经验系数，单位为k1为键伸缩相互作用经验系数，单位为k2为角弯曲相互作用经验系数，单位为kcal/mol；r0为键伸缩平衡距离，单位为θ
ijk
为原子i、原子j和原子k之间的角度，单位为deg，θ0为角弯曲平衡角度，单位为deg。4.根据权利要求1所述的基于分子间相互作用能的页岩油吸附强度评价方法，其特征在于，所述步骤2中，基于opls全原子力场库分别建立甲烷模型、正十二烷模型、沥青质分子模型和正癸胺分子模型，电荷平衡优化后生成甲烷模型文件、正十二烷模型文件、沥青质分子模型文件和正癸胺分子模型文件，根据页岩油各组分的比例设置甲烷模型、正十二烷模型、沥青质分子模型和正癸胺分子模型的数量，构建页岩油分子模型。5.根据权利要求1所述的基于分子间相互作用能的页岩油吸附强度评价方法，其特征在于，所述步骤3中，将高岭石纳米孔隙分子模型与多组分页岩油分子模型相组合，形成多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型，通过对多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型进行能量最小化处理消除重叠的原子构型，使得多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型能量最低化后，获取能量最小化状态下的多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型能量，得到能量最小化处理后的多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型；再对能量最小化处理后的多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型进行优化，设置多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型的弛豫步长和弛豫时间，在nvt正则系综下以预设的弛豫步长和弛豫时间对多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型进行弛豫处理，获取多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型稳定状态下的体系温度值，通过弛豫处理使得多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型稳定状态下的体系温度值与真实地层环境温度相一致，得到多组分页岩油纳米孔隙吸附模型。6.根据权利要求1所述的基于分子间相互作用能的页岩油吸附强度评价方法，其特征在于，所述步骤4中，基于分子模拟方法，设置分子模拟的模拟时长、计算步长和模拟条件，模拟过程中固定多组分页岩油纳米孔隙吸附模型中的高岭石壁面，利用多组分页岩油纳米孔隙吸附模型在nvt正则系综下以预设的模拟时间和计算步长进行模拟，获取平衡态下多组分页岩油在高岭石纳米孔隙中的吸附构型和过渡吸附数据文件。7.根据权利要求1所述的基于分子间相互作用能的页岩油吸附强度评价方法，其特征在于，所述步骤5中，沿多组分页岩油纳米孔隙吸附模型的高度方向等间隔划分得到多个数据统计箱后，按照预设的模拟时长和计算步长模拟，根据多组分页岩油纳米孔隙吸附模型内各数据统计箱所确定页岩油组分的质量，获取页岩油质量分布情况以及每一步模拟得到的分子运动轨迹，根据页岩油中各组分的质量分布情况，分别针对页岩油中各组分，通过计算所有数据统计箱所测量质量的平均值，得到页岩油中各组分在高岭石纳米孔隙中的密度分布曲线；所述平衡态下页岩油的吸附压力计算公式为：式中，p为页岩油吸附压力，单位为atm，p
j,k
为页岩油中组分j在k方向上产生的压力，单
位为atm，v
k
为原子在k方向上的速度，单位为n
p
为目标原子周围待计算邻居原子的总数，n为目标原子周围待计算邻居原子的序号，d
k
为k方向上原子之间的距离，r为原子之间的距离，单位为φ
′
(
·
)为原子间相互作用能的一阶导数，k为页岩油吸附压力计算方向，x为多组分页岩油纳米孔隙吸附模型的长度方向，y为多组分页岩油纳米孔隙吸附模型的宽度方向，z为多组分页岩油纳米孔隙吸附模型的高度方向。8.根据权利要求1所述的基于分子间相互作用能的页岩油吸附强度评价方法，其特征在于，所述步骤6中，具体包括以下步骤：步骤6.1，根据页岩油中各组分在高岭石纳米孔隙中的密度分布曲线，划分吸附相和游离相，分别计算页岩油中各组分的吸附相质量，如公式(7)所示：其中，式中，j为页岩油中组分的序号，i为数据统计箱的序号，ρ
0ij
为页岩油中组分j在第i个数据统计箱内的平均密度，单位为g/cm3，n
ij
为页岩油中组分j在第i个数据统计箱内的个数，m
j
为页岩油中组分j的相对分子质量，单位为g/mol，n
a
为阿伏伽德罗常数，v
i
为第i个数据统计箱的体积，c
j
为页岩油中组分j的页岩油吸附相质量，单位为g，ρ
ij
为页岩油中组分j的页岩油吸附相在第i个数据统计箱内的平均密度，单位为g/cm3，n为数据统计箱的总数。步骤6.2，根据模拟得到的分子运动轨迹生成分子轨迹文件，获取多个时刻多组分页岩油纳米孔隙吸附模型内页岩油中各组分的分布，并得到页岩油中各组分与高岭石孔隙之间的总相互作用能；步骤6.3，在过渡吸附数据文件中删除库伦相互作用参数后，重现分子运动轨迹，分别针对页岩油中各组分，计算页岩油中各组分的分布，得到页岩油中各组分与高岭石孔隙之间的范德华相互作用能；步骤6.4，在过渡吸附数据文件中删除范德华相互作用参数后，重现分子运动轨迹，分别针对页岩油中各组分，计算页岩油中各组分的分布，得到页岩油中各组分与高岭石孔隙之间的库伦相互作用能。9.根据权利要求8所述的基于分子间相互作用能的页岩油吸附强度评价方法，其特征在于，所述页岩油中组分与高岭石孔隙的总相互作用能、范德华相互作用能和库伦相互作用能之间的关系为：e
total
＝e
vdw
+e
coul
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)(8)
式中，e
total
为页岩油组分分子与高岭石孔隙之间的总相互作用能，单位为kcal/mol；e
vdw
为页岩油组分分子与高岭石孔隙之间的范德华相互作用能，单位为kcal/mol；e
coul
为页岩油组分分子与高岭石孔隙之间的库伦相互作用能，单位为kcal/mol；ε
ij
为势阱深度，单位为kcal/mol，σ
ij
为碰撞半径，单位为10.根据权利要求9所述的基于分子间相互作用能的页岩油吸附强度评价方法，其特征在于，所述步骤7中，页岩油中各组分与高岭石壁面之间吸附强度的计算公式为：在于，所述步骤7中，页岩油中各组分与高岭石壁面之间吸附强度的计算公式为：在于，所述步骤7中，页岩油中各组分与高岭石壁面之间吸附强度的计算公式为：式中，p
total
为总相互作用贡献吸附强度，单位为kcal/(mol
·
10-21
g)；p
vdw
为范德华相互作用贡献吸附强度，单位为kcal/(mol
·
10-21
g)；p
coul
为库伦相互作用贡献吸附强度，单位为kcal/(mol
·
10-21
g)；c为页岩油中组分的吸附相质量。

技术总结
本发明公开了一种基于分子间相互作用能的页岩油吸附强度评价方法。本发明利用高岭石纳米孔隙分子模型和多组分页岩油分子模型构建多组分页岩油纳米孔隙吸附初始模型，经能量最小化和弛豫处理得到多组分页岩油纳米孔隙吸附模型，结合分子模拟方法获取平衡态下多组分页岩油在高岭石纳米孔隙中的吸附构型和过渡吸附数据文件，利用多组分页岩油纳米孔隙吸附模型模拟获取页岩油组分的分子分布数据和分子运动轨迹，确定页岩油中各组分在高岭石纳米孔隙内的密度分布曲线和吸附相质量，结合页岩油中各组分与高岭石孔隙间的总相互作用能、范德华相互作用能和库伦相互作用能，定量表征页岩油中各组分与孔隙壁面的吸附强度，为页岩油的高效开发奠定了基础。油的高效开发奠定了基础。油的高效开发奠定了基础。


技术研发人员：宋怀森 杨永飞 梁超 尚振骁 王金雷 张磊 钟俊杰 孙海 张凯 姚军
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：2023.06.01
技术公布日：2023/10/6