一种泡沫体系微观模型的建立方法与流程

1.本发明属于油田化学工程技术领域，特别涉及一种泡沫体系微观模型的建立方法。


背景技术：

2.在三次采油过程中，利用co2，n2等气体形成的泡沫体系可以有效提高驱替过程中的波及系数，降低孔隙中的原油黏度，从而提高油藏孔隙中剩余油在储层中的移动能力，达到提高石油采收率的目标。
3.然而，泡沫体系在高温高压的储层条件下很容易发生破灭，因此提高油藏条件下泡沫的稳定性对于泡沫驱油过程具有极其重要的影响。在增强泡沫体系稳定性的研究中，传统的实验方法由于空间和时间尺度的限制，无法研究泡沫体系在地层孔隙结构中的生成-演化-破灭的行为；目前现有的分子模拟方法时利用液膜界面模型研究的是泡沫体系的局部液膜界面，即水和气接触的界面处气体分子，水分子和表活剂分子的热力学和动力学行为。传统的实验方法过于宏观，而现有的分子模拟方法又太过于局部，无法表征一个独立完整的圆形泡沫整体与油组分的相互作用及在此过程中的不同演化阶段。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种泡沫体系微观模型的建立方法，能够实现建立完整圆形泡沫体系模型，利用本发明提供的技术方案建立的圆形泡沫体系模型进行分子模拟研究能够较好的解决现有技术无法表征一个独立完整的圆形泡沫体系的演化过程的问题。
5.为了实现上述目的，本发明提供了一种泡沫体系微观模型的建立方法，其中，该方法包括：
6.获取目标泡沫体系的构成组分；
7.基于目标泡沫体系的构成组分，构建目标泡沫体系的气液两相界面模型；
8.对气液两相界面模型进行压力和温度耦合控制实现分子动力学平衡，获得一级平衡结构；
9.对一级平衡结构进行非平衡分子动力学模拟，在一级平衡结构一侧施加垂直于气液两相界面的单向剪切应变，调整剪切应变速率，选择产生圆形泡沫时的结构数据(分子坐标文件)，得到二级模拟结构；
10.复制多个二级模拟结构，将各二级模拟结构进行平移、拼接得到三级模拟结构；
11.对三级模拟结构进行旋转裁剪，得到圆形泡沫体系微观模型。
12.在上述泡沫体系微观模型的建立方法中，优选地，目标泡沫体系的构成组分包括水、气体、起泡剂；
13.更优选地，所述目标泡沫体系的构成组分进一步包括稳泡剂。
14.在上述泡沫体系微观模型的建立方法中，优选地，目标泡沫体系的气液两相界面模型具备aba“三明治”结构；其中，b为水相，a为co2相。
15.在上述泡沫体系微观模型的建立方法中，优选地，基于目标泡沫体系的构成组分，构建目标泡沫体系的气液两相界面模型步骤包括：
16.构建目标泡沫体系的构成组分的分子结构模型；
17.基于目标泡沫体系的构成组分的分子结构模型构建气液两相界面初始模型；
18.对气液两相界面初始模型进行能量最小化模拟得到优化结构体系即为气液两性界面模型；
19.更优选地，构建目标泡沫体系的构成组分的分子结构模型步骤使用materials studio软件进行；
20.更优选地，基于目标泡沫体系的构成组分的分子结构模型构建气液两相界面初始模型步骤使用gromacs软件进行；进一步优选地，基于目标泡沫体系的构成组分的分子结构模型构建气液两相界面初始模型通过下述方式实现：采用gromacs软件，建立模拟盒子；向模拟盒子中加入目标泡沫体系的构成组分的分子结构模型构建气液两相界面初始模型；
21.更优选地，对气液两相界面初始模型进行能量最小化模拟得到优化结构体系步骤使用gromacs软件进行；进一步优选地，对气液两相界面初始模型进行能量最小化模拟得到优化结构体系通过下述方式实现：采用gromacs软件，设置模拟参数，设置合适的力场；对气液两相界面初始模型应用最速下降算法将体系能量最小化得到优化结构体系。
22.在上述泡沫体系微观模型的建立方法中，优选地，对气液两相界面模型进行压力和温度耦合控制实现动力学平衡，获得一级平衡结构步骤包括：
23.对气液两相界面模型进行等温-等压-等截面积系综模拟，其中采用berendsen算法进行压力和温度耦合控制，使气液两相界面模型进行充分的动力学平衡得到一级平衡结构；
24.更优选地，对气液两相界面模型进行压力和温度耦合控制实现动力学平衡，获得一级平衡结构步骤使用gromacs软件进行；
25.进一步优选地，对气液两相界面模型进行等温-等压-等截面积(npnat)系综模拟，其中采用berendsen算法进行压力和温度耦合控制，使气液两相界面模型进行充分的动力学平衡得到一级平衡结构通过下述方式实现：
26.采用gromacs软件，对气液两相界面模型采取npnat系综模拟，使气液两相界面模型进行充分的动力学平衡得到一级平衡结构；其中，压力和温度控制采用berendsen耦合方法、库伦相互作用采用pme法、范德华力作用采用兰纳-琼斯(l-j)势；
27.在一具体实施方式中，对气液界面模型气液两相界面模型采取npnat系综模拟的模拟时间步长为1fs。
28.在上述泡沫体系微观模型的建立方法中，优选地，对一级平衡结构进行非平衡分子动力学模拟，在一级平衡结构一侧施加单向剪切应变，调整剪切应变速率，选择产生圆形泡沫时的结构数据(分子坐标文件)，得到二级模拟结构步骤使用gromacs软件进行；
29.更优选地，对一级平衡结构进行非平衡分子动力学模拟，在一级平衡结构一侧施加垂直于气液两相界面的单向剪切应变，调整剪切应变速率，选择产生圆形泡沫时的结构数据，得到二级模拟结构步骤通过下述方式实现：
30.采用gromacs软件，对一级平衡结构采取正则(nvt)系综模拟，在一级平衡结构一侧施加垂直于气液两相界面的单向剪切应变，调整剪切应变速率，选择产生圆形泡沫时的
结构数据，得到二级模拟结构；其中，采用nose-hoover耦合控制温度参数、库伦相互作用采用pme法、范德华力作用采用兰纳-琼斯(l-j)势；
31.在一具体实施方式中，对一级平衡结构采取正则(nvt)系综模拟的模拟时间步长为1fs。
32.在上述泡沫体系微观模型的建立方法中，优选地，复制多个二级模拟结构，将各二级模拟结构进行平移、拼接得到三级模拟结构步骤包括：
33.根据圆形泡沫的形状需要，结合二级模拟结构的剪切应变大小，复制多个二级模拟结构并进行平移、拼接，得到三级模拟结构；
34.更优选地，复制多个二级模拟结构，将各二级模拟结构进行平移、拼接得到三级模拟结构步骤使用gromacs软件进行；
35.进一步优选地，根据圆形泡沫的形状需要，结合二级模拟结构的剪切应变大小，复制多个二级模拟结构并进行平移、拼接，得到三级模拟结构步骤通过下述方式实现：根据圆形泡沫的形状需要，基于二级模拟结构的剪切应变大小，使用gromacs中gmx editconf-box-center命令和linux系统的cat命令，将二级模拟结构重复复制多个并进行平移，进而拼接成一个整体，得到三级模拟结构。
36.在上述泡沫体系微观模型的建立方法中，优选地，对三级模拟结构进行旋转裁剪，得到圆形泡沫体系微观模型步骤包括：
37.根据二级模拟结构的剪切应变大小和二级模拟结构在垂直于气液两相界面的平面上不同坐标方向的尺寸，对三级模拟结构进行旋转裁剪得到圆形泡沫体系微观模型；
38.更优选地，对三级模拟结构进行旋转裁剪，得到圆形泡沫体系微观模型步骤使用gromacs软件进行；
39.进一步优选地，根据二级模拟结构的剪切应变大小和二级模拟结构在垂直于气液两相界面的平面上不同坐标方向的尺寸，对三级模拟结构进行旋转裁剪得到圆形泡沫体系微观模型步骤通过下述方式实现：利用gromacs软件，根据二级模拟结构的剪切应变大小与二级模拟结构在垂直于气液两相界面的平面上不同坐标方向的长度比值(旋转角度的正切值)，使用gmx editconf-rotate命令，旋转三级模拟结构的坐标文件；使用gmx select命令选择圆形泡沫区域生成索引组；根据索引组生成裁剪后结构文件，得到四级模拟结构的文件，即为圆形泡沫体系微观模型的文件；调整拓扑文件(文件名后缀为top)和分子坐标文件(文件名后缀为gro)中各原子顺序，组合得到新的力场参数文件，完成圆形泡沫体系微观模型的建立。
40.本发明提供的技术方案是一种构建完整圆形泡沫体系模型的方法，该方法基于目标泡沫体系的构成组分构建目标泡沫体系的气液两相界面模型并进行动力学平衡得到一级平衡结构，进而在一级平衡结构一侧施加单向剪切应变对一级平衡结构进行非平衡分子动力学模拟得到二级模拟结构，对二级模拟结构进行复制、平移、拼接得到三级模拟结构，对三级模拟结构进行旋转裁剪得到圆形泡沫构型的纳米尺度模型。本发明提供的技术方案能够快速、有效地构建得到纳米尺度的圆形泡沫体系的微观模型，为针对完整圆形泡沫体系的分子动力学模拟提供了标准的输入模型。可以利用本发明提供的技术方案构建得到的泡沫体系微观模型进行基于分子动力学模拟的泡沫在储层孔隙中的热力学与动力学行为研究，可以利用本发明提供的技术方案构建得到的泡沫体系微观模型进行基于分子动力学
studio软件进行；使用materials studio软件构建目标泡沫体系的构成组分的分子结构模型采用本领域常规方式进行即可；
63.其中，步骤s22基于目标泡沫体系的构成组分的分子结构模型构建气液两相界面初始模型可以使用gromacs软件进行；使用gromacs软件基于目标泡沫体系的构成组分的分子结构模型构建气液两相界面初始模型采用本领域常规方式进行即可；例如，采用gromacs软件，建立模拟盒子；向模拟盒子中加入目标泡沫体系的构成组分的分子结构模型构建气液两相界面初始模型；
64.其中，步骤s23对气液两相界面初始模型进行能量最小化模拟得到优化结构体系可以使用gromacs软件进行；使用gromacs软件对气液两相界面初始模型进行能量最小化模拟得到优化结构体系采用本领域常规方式进行即可；例如，采用gromacs软件，设置能量优化计算的步长、能量上限值(优化后的系统总势能不大于此数值)等模拟参数，设置合适的力场如co2分子用epm2力场模型、水分子用spce力场模型、表面活性剂sds用charmm力场模型、sio2用clayff力场模型；对气液两相界面初始模型应用最速下降算法将体系能量最小化得到优化结构体系。
65.在一优选实施方式中，目标泡沫体系的构成组分包括水、气体(co2)、起泡剂(sds)；
66.进一步地，所述目标泡沫体系的构成组分进一步包括稳泡剂(sio2纳米颗粒)。
67.在一优选实施方式中，目标泡沫体系的气液两相界面模型具备aba“三明治”结构(即中间b为水相，左右两边a为co2相)。
68.在一优选实施方式中，步骤s3对气液两相界面模型进行压力和温度耦合控制实现动力学平衡，获得一级平衡结构包括：
69.对气液两相界面模型进行等温-等压-等截面积(npnat)系综模拟，其中采用berendsen算法进行压力和温度耦合控制，使气液两相界面模型进行充分的动力学平衡得到一级平衡结构；
70.其中，步骤s3对气液两相界面模型进行压力和温度耦合控制实现动力学平衡，获得一级平衡结构可以使用gromacs软件进行；
71.例如，采用gromacs软件，对气液两相界面模型采取npnat系综模拟，使气液两相界面模型进行充分的动力学平衡得到一级平衡结构；其中，采用berendsen压力和温度耦合控制方法、库伦相互作用采用pme法、范德华力作用采用兰纳-琼斯(l-j)势；其中，对气液界面模型气液两相界面模型采取npnat系综模拟的模拟时间步长优选为1fs。
72.在一优选实施方式中，步骤s4对一级平衡结构进行非平衡分子动力学模拟，在一级平衡结构一侧施加垂直于气液两相界面的单向剪切应变，调整剪切应变速率，选择产生圆形泡沫时的结构数据，得到二级模拟结构使用gromacs软件进行；
73.例如，采用gromacs软件，对一级平衡结构采取正则(nvt)系综模拟，在一级平衡结构一侧施加垂直于气液两相界面的单向剪切应变，调整剪切应变速率，选择产生圆形泡沫时的结构数据，得到二级模拟结构；其中，采用nose-hoover耦合控制温度参数、库伦相互作用采用pme法、范德华力作用采用兰纳-琼斯(l-j)势；其中，对一级平衡结构采取正则(nvt)系综模拟的模拟时间步长为1fs；
74.例如，采用gromacs软件，对一级平衡结构采取正则(nvt)系综模拟，应变施加在zy
方向(z坐标轴与y坐标轴之间的方向)上；应变大小为2.1，应变速率为5.59
×
10-3
nm/ps，模拟2时间为10ns得到二级模拟结构；其中，采用nose-hoover耦合控制温度参数、库伦相互作用采用pme法、范德华力作用采用兰纳-琼斯(l-j)势、模拟时间步长为1fs。
75.在一优选实施方式中，步骤s5复制多个二级模拟结构，将各二级模拟结构进行平移、拼接得到三级模拟结构包括：
76.根据圆形泡沫的形状需要，结合二级模拟结构的剪切应变大小，复制多个二级模拟结构并进行平移、拼接，得到三级模拟结构；
77.其中，步骤s5复制多个二级模拟结构，将各二级模拟结构进行平移、拼接得到三级模拟结构可以使用gromacs软件进行；
78.例如，根据圆形泡沫的形状需要，基于二级模拟结构的剪切应变大小，使用gromacs中gmx editconf-box-center命令和linux系统的cat命令，将二级模拟结构重复复制多个并进行平移，进而拼接成一个整体，得到三级模拟结构。
79.在一优选实施方式中，步骤s6对三级模拟结构进行旋转裁剪，得到圆形泡沫体系微观模型包括：
80.根据二级模拟结构的剪切应变大小和二级模拟结构在垂直于气液两相界面的平面上不同坐标方向的尺寸，对三级模拟结构进行旋转裁剪得到圆形泡沫体系微观模型；
81.其中，步骤s6对三级模拟结构进行旋转裁剪，得到圆形泡沫体系微观模型可以使用gromacs软件进行；
82.例如，利用gromacs软件，根据二级模拟结构上施加的剪切应变大小与二级模拟结构在垂直于气液两相界面的平面上不同坐标方向的长度比值(旋转角度的正切值)，使用gmx editconf-rotate命令，旋转三级模拟结构的坐标文件；使用gmx select命令选择圆形泡沫区域生成索引组；根据索引组生成裁剪后结构文件，得到四级模拟结构的文件，即为圆形泡沫体系微观模型的文件；调整拓扑文件(文件名后缀为top)和分子坐标文件(文件名后缀为gro)中各原子顺序，组合得到新的力场参数文件，完成圆形泡沫体系微观模型的建立。
83.实施例1
84.本实施例提供了一种泡沫体系微观模型的建立方法，该方法包括：
85.1、获取目标泡沫体系的构成组分；具体而言：
86.目标泡沫体系的构成组分包括二氧化碳气体、水、十二烷基硫酸钠(sds)起泡剂和二氧化硅纳米颗粒稳泡剂。
87.2、使用materials studio软件构建co2分子结构模型、水分子结构模型、十二烷基硫酸钠分子结构模型、二氧化硅纳米颗粒分子结构模型；具体而言：
88.采用materials studio软件构建co2分子结构、水分子结构、十二烷基硫酸钠分子结构、二氧化硅纳米颗粒分子结构，将得到的分子结构坐标转化为分子模拟软件所需要的输入坐标文件，完成co2分子分子结构模型、水分子结构模型、十二烷基硫酸钠分子结构模型、二氧化硅纳米颗粒分子结构模型构建。
89.3、基于co2分子结构模型、水分子结构模型、十二烷基硫酸钠分子结构模型、二氧化硅纳米颗粒分子结构模型构建气液两相界面初始模型；具体而言：
90.采用gromacs软件，建立7
×7×
20nm的模拟盒子，向模拟盒子中加入10000个水分子结构模型(居中放在盒子中间)、3000个co2分子结构模型(放在盒子的左右两边)、132个
十二烷基硫酸钠分子结构模型(放在水体相和co2体相的中间)、8个二氧化硅纳米颗粒分子结构模型(溶解在水相中)构建气液两相界面初始模型；其中，气液两相界面初始模型为aba“三明治”结构(中间为含有sio2纳米颗粒的水相，左右两侧为co2体相)；
91.气液两相界面初始模型如图2所示。
92.4、对气液两相界面初始模型进行能量最小化模拟得到优化结构体系即为气液两相界面模型；具体而言：
93.采用gromacs软件，设置模拟参数，采用co2分子用epm2力场模型，水分子用spce力场模型，表面活性剂sds用charmm力场模型，sio2用clayff力场模型；对气液两相界面初始模型应用最速下降算法将体系能量最小化得到优化结构体系即为气液两相界面模型；其中，能量限度为800kj mol-1
nm-1
。
94.5、对气液两相界面模型进行压力和温度耦合控制实现动力学平衡，获得一级平衡结构；具体而言：
95.采用gromacs软件，对气液两相界面模型采取npnat系综模拟，得到一级平衡结构体系；其中，采用berendsen压力和温度耦合控制方法，温度设置为323.15k、压力设置为20mpa；库伦相互作用采用pme方法计算，范德华力作用采用兰纳-琼斯(l-j)势，库仑力与范德华力作用的截断半径为1.1nm、模拟步长为1fs、模拟总时长5ns；
96.一级平衡结构参见图3。
97.6、对一级平衡结构进行非平衡分子动力学模拟，在一级平衡结构一侧施加垂直于气液两相界面的单向剪切应变，调整剪切应变速率，选择产生圆形泡沫时的结构数据，得到二级模拟结构；具体而言：
98.采用gromacs软件，对一级平衡结构体系采取nvt系综模拟，在一级平衡结构一侧施加zy方向(如图6所示)的单向剪切应变，调整剪切应变速率，选择产生圆形泡沫时的结构数据，得到最后一帧平衡结构数据即为二级平衡结构；其中，采用nose-hoover耦合控制温度参数，温度设置为323.15k；库伦相互作用采用pme方法计算，范德华力作用采用兰纳-琼斯(l-j)势，库仑力与范德华力作用的截断半径为1.1nm、模拟步长为1fs、模拟总时长5ns；
99.二级模拟结构参见图4。
100.7、复制多个二级模拟结构，将各二级模拟结构进行平移、拼接得到三级模拟结构；具体而言：
101.根据圆形泡沫的形状需要，基于二级模拟结构上施加的剪切应变大小，使用gromacs中gmx editconf-box-center命令和linux系统的cat命令，将二级模拟结构复制9个并进行平移，进而拼接成一个整体，得到三级模拟结构；
102.三级模拟结构如图5所示。
103.8、对三级模拟结构进行旋转裁剪，得到圆形泡沫体系微观模型；具体而言：
104.利用gromacs软件，根据二级模拟结构上施加的剪切应变大小与y和z方向长度比值(旋转角度的正切值为b/a，如图6所示)，使用gmx editconf-rotate命令，旋转三级模拟结构的坐标文件；结果如图7所示；
105.使用gmx select命令选择圆形泡沫区域生成索引组；根据索引组生成裁剪后结构文件，得到四级模拟结构的文件，即为圆形泡沫体系微观模型的文件；
106.调整拓扑文件(文件名后缀为top)和分子坐标文件(文件名后缀为gro)中各原子
顺序，组合得到新的力场参数文件，完成圆形泡沫体系微观模型的建立；构建得到的圆形泡沫体系微观模型如图8所示。
107.本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。