一种CO2作用下岩石润湿性动态演化的分子模拟方法

本发明涉及石油工程分子动力学模拟，尤其涉及一种co2作用下岩石润湿性动态演化的分子模拟方法。

背景技术：

1、在co2强化采油和co2地质封存过程中，co2、水、原油和岩石矿物表面共同构成复杂的多相界面体系。石英或二氧化硅是砂岩储层及相关多孔介质中的重要矿物组分，其表面硅羟基在水相环境中可呈现质子化的si-oh状态或去质子化的si-o-状态。表面去质子化位点带来的负电荷会稳定近壁水膜并吸引na+等正离子，从而影响油相靠近壁面的程度、油水固三相接触状态以及整体润湿性。

2、co2溶入水相后可形成酸化环境，使局部质子化学势发生变化，从而推动部分si-o-位点转变为si-oh位点。该过程会削弱表面负电荷和正离子水化层，进而改变水膜稳定性、油-壁接触和润湿滞后。对于co2-eor等石油工程过程而言，表面电荷状态不是预先固定的常量，而是会随局部co2和水的空间分布发生动态演化。

3、现有经典分子动力学研究通常采用固定羟基化比例或固定表面电荷比例来描述石英表面。该类方法能够比较不同静态表面状态下的润湿行为，但难以表征co2到达界面后表面位点逐步质子化、反应前沿推进、局部水膜变化和油相接触随时间演化的过程。第一性原理方法或全反应性力场虽然能够描述局部反应细节，但其体系尺度和时间尺度通常难以覆盖油-水-co2-石英多相界面中的润湿演化过程。

4、另一方面，在纳米尺度分子动力学盒子中显式统计h3o+、hco3-、co3--等碳酸反应物种通常存在粒子数过少和统计噪声大的问题。若直接将co2、水合质子和碳酸根全部作为显式反应物处理，会显著增加模型复杂度和计算成本，也难以稳定获得可用于润湿性动态分析的界面演化结果。

5、因此，亟需一种面向co2-油-水-石英界面的分子动力学模拟方法，在不依赖全体系反应性力场的前提下，将co2诱导的局部酸化效应转化为表面位点的动态质子化规则，并与正离子电荷补偿和润湿性指标输出结合，从而表征石油工程背景下石英表面润湿性的动态演化。

技术实现思路

1、为解决现有固定表面电荷分子动力学模型无法描述富含co2的盐水诱导的石英表面状态动态演化，以及显式碳酸反应物种在纳米盒子中统计不足的技术问题，本发明公开了一种co2作用下岩石润湿性动态演化的分子模拟方法。该方法通过拓扑守恒的o-/oh表面位点切换、co2/水局部门控反应概率、酸化平衡上限和正离子电荷补偿，将co2-水局部环境与石英表面电荷状态动态耦合，并输出油水润湿性随表面状态变化的动态指标。

2、为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种co2作用下岩石润湿性动态演化的分子模拟方法，具体包括以下步骤：s1，构建co2石英界面模拟体系；构建含有石英或二氧化硅表面、水相、co2和正离子的分子动力学模型；s2，设置表面两态反应位点；在石英或二氧化硅表面设置具有o-态和oh态的表面反应位点，表面反应位点通过原子类型及部分电荷的切换实现o-态到oh态的动态质子化；s3，计算co2/水局部门控反应概率；根据表面反应位点的局部水配位和局部co2配位，确定该位点的反应接受概率，局部水配位为反应发生的必要门控条件，反应接受概率随局部co2配位增大；s4，设置酸化平衡上限；根据目标ph、等效酸化程度或表面电离度参考关系，设置o-位点剩余比例或最大反应数，使表面状态动态演化不会无条件转化为全oh状态；s5，执行动态质子化和电荷补偿；在分子动力学过程中按所述反应接受概率对表面反应位点执行o-态到oh态的动态质子化事件，并根据质子化事件数删除相应数量的一价阳离子，使体系保持电中性；s6，输出润湿性动态演化指标；输出表征表面o-/oh状态和润湿性动态演化的指标。

3、进一步地，步骤s1中的体系还包含油相，油相与水相及石英或二氧化硅表面形成油-水-固界面；分子动力学模型选自平板层状体系、狭缝孔隙体系以及在表面上设置水滴用于接触角测量的液滴体系；当co2位于油相一侧而对应表面位点缺少水配位时，该表面位点不发生动态质子化事件。

4、优选地，表面羟基密度按目标矿物的实验参考口径设定，例如约2.4-4.7 oh/nm²的结晶二氧化硅表面；体系温度和co2压力可按储层或封存条件设定，例如333 k和约10mpa量级的超临界co2条件。

5、进一步地，步骤s2中，每个表面反应位点包含同一组si-o-h原子，si-o-h原子id在o-态和oh态之间保持不变；o-态下h原子为电荷为零的占位氢，oh态下h原子为真实硅羟基氢，且不在反应过程中创建或删除该表面位点中的h原子。

6、进一步地，步骤s3中，反应接受概率表示：；其中，为第i个表面位点的反应接受概率；为概率前因子；为水门控函数；为co2配位数，为co2半饱和配位数；当表面位点在水门控半径内存在水分子时取1、否则，取0；当时，表面位点的反应接受概率为0；由此，co2和水共同构成局部门控条件，避免油相一侧或干表面中的孤立co2错误触发表面质子化。

7、进一步地，步骤s4中，根据目标ph或等效酸化程度设置表面o-位点剩余比例或最大反应数，使动态质子化过程在达到预设o-剩余比例后停止或趋于停止。

8、进一步地，步骤s5中，每次质子化事件更新o、h和边缘si的原子类型及部分电荷，一次o-到oh转化会使表面位点总电荷增加一个单位正电荷，在一个反应窗口结束后统计新增质子化事件数，并从na+等一价阳离子池中删除相同数量的正离子，恢复体系电中性。

9、进一步地，步骤s6中，在动态质子化模拟过程中和模拟结束后，对表面o-/oh比例、反应事件位置、近壁水膜厚度、na+近壁分布、co2-水-壁面配位、油-壁接触、近壁油相密度和动态接触角或附着趋势进行统计，用于分析富含co2的盐水诱导的表面电荷状态变化如何影响油-水-石英界面润湿性。

10、本发明的有益效果是，（1）本发明将富含co2的盐水对石英表面的酸化作用转化为局部co2/水共同门控的动态质子化规则，使经典分子动力学能够描述固定表面电荷模型无法给出的表面状态动态演化；（2）本发明通过同一组si-o-h原子的o-/oh两态切换实现拓扑守恒反应，不需要在表面位点中动态创建或删除h原子，降低了反应模板切换和长程静电计算的不稳定风险；（3）本发明明确将水和co2分为两个门控因素：水决定位点是否处于可反应环境，co2以浓度依赖概率形式决定局部酸化触发强度，从而避免油相或干表面中co2的误触发；（4）本发明通过反应窗口后的正离子删除实现电荷补偿，使动态质子化后的体系保持电中性，适合使用长程静电算法进行油-水-co2-石英界面模拟；（5）本发明面向石油工程中的co2-eor和co2封存场景，可输出动态接触角、油-壁接触、水膜厚度、表面o-/oh动态比例和润湿滞后等指标，为分析co2作用下岩石表面润湿性动态演化提供分子尺度方法，并可推广至co2注入条件下的驱替相关过程分析。

1.一种co2作用下岩石润湿性动态演化的分子模拟方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的co2作用下岩石润湿性动态演化的分子模拟方法，其特征在于，步骤s1中的体系还包含油相，油相与水相及石英或二氧化硅表面形成油-水-固界面；分子动力学模型选自平板层状体系、狭缝孔隙体系以及在表面上设置水滴用于接触角测量的液滴体系；

3.如权利要求2所述的co2作用下岩石润湿性动态演化的分子模拟方法，其特征在于，步骤s2中，每个表面反应位点包含同一组si-o-h原子，si-o-h原子id在o-态和oh态之间保持不变；o-态下h原子为电荷为零的占位氢，oh态下h原子为真实硅羟基氢，且不在反应过程中创建或删除该表面位点中的h原子。

4.如权利要求3所述的co2作用下岩石润湿性动态演化的分子模拟方法，其特征在于，步骤s3中，反应接受概率表示：

5.如权利要求4所述的co2作用下岩石润湿性动态演化的分子模拟方法，其特征在于，步骤s4中，根据目标ph或等效酸化程度设置表面o-位点剩余比例或最大反应数，使动态质子化过程在达到预设o-剩余比例后停止或趋于停止。

6.如权利要求5所述的co2作用下岩石润湿性动态演化的分子模拟方法，其特征在于，步骤s5中，每次质子化事件更新o、h和边缘si的原子类型及部分电荷，一次o-到oh转化会使表面位点总电荷增加一个单位正电荷，在一个反应窗口结束后统计新增质子化事件数，并从na+等一价阳离子池中删除相同数量的正离子，恢复体系电中性。

7.如权利要求6所述的co2作用下岩石润湿性动态演化的分子模拟方法，其特征在于，步骤s6中，在动态质子化模拟过程中和模拟结束后，对表面o-/oh比例、反应事件位置、近壁水膜厚度、na+近壁分布、co2-水-壁面配位、油-壁接触、近壁油相密度和动态接触角或附着趋势进行统计。