一种基于分子模拟的共聚物抗盐性能评价方法及其系统与流程

本发明涉及油田化学聚合物抗盐性能评价的技术领域，尤其涉及一种基于分子模拟的共聚物抗盐性能评价方法及其系统。

背景技术：

抗盐性是油田化学聚合物的重要性能之一，无机盐对聚合物的侵害主要表现为降粘作用，粘度降低导致钻井液流变性变差，从而影响聚合物溶液整体性能，因此，评价聚合物抗盐性能时着重关注聚合物溶液的粘度参数。传统实验方法是通过六速粘度计测试聚合物溶液表观粘度来评价其抗盐性能，属于宏观评价方法，其测试评价受到样品纯度、来源、温度条件等诸多限制，且认为因素影响较大，重复性不佳。

因此，如何更准确地对共聚物抗盐性能进行评价仍是本领域需要攻克的难题之一。

技术实现要素：

本发明的特征和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本发明而学习。

聚合物是由小分子单体聚合而成的长链大分子，分子中的单键能够内旋转，以致分子具有许多不同的构象，构象不同对应分子尺寸不同，高分子物理中用回转半径r(g)表征分子尺寸，常用特性粘数η表征聚合物溶液粘度，η与r(g)直接通过一定公式相联系。聚合物受到无机盐侵害时，盐离子与聚合物分子间的相互作用会导致聚合物分子尺寸发生改变，宏观表现为粘度的变化。r(g)可通过分子模拟计算得到，继而通过公式可得η，即可表征聚合物的抗盐性能。本发明针对传统评价方法存在的问题以及分子模拟方法的特殊优势和应用前景，提供了一种基于分子模拟的共聚物抗盐性能评价方法及其系统，利用计算机模拟快速计算聚合物尺寸，通过尺寸与特性粘数的关系得到特性粘数这一宏观性能参数。

根据本发明的一个方面，提供一种基于分子模拟的共聚物抗盐性能评价方法，包括：

构建水分子、无机盐分子以及聚合物单体分子的结构模型，并进行结构优化；

构建以所述聚合物单体分子组成的聚合物分子的结构模型，并进行结构优化，获取聚合物分子最小能量构象结构；

建立包含所述水分子、无机盐分子、以及所述聚合物分子最小能量构象结构的聚合物盐水溶液模型盒子，并按预设密度、预设温度对所述聚合物盐水溶液模型盒子的密度、温度进行设定；

对所述聚合物盐水溶液模型盒子进行分子动力学计算，得到动力学平衡状态溶液体系结构模型；

根据所述得到动力学平衡状态溶液体系结构模型计算特性黏数。

在一个可能的设计中，所述对所述聚合物盐水溶液模型盒子进行分子动力学计算，得到动力学平衡状态溶液体系结构模型包括：

使所述聚合物盐水溶液模型盒子处于正则系综下进行退火，获取聚合物盐水溶液模型盒子能量最小结构；

将所述聚合物盐水溶液模型盒子能量最小结构处于等温等压系综下进行动力学计算，获取盒子密度；

将所述盒子密度与所述预设密度进行对比，获取偏差值；

判断所述偏差值是否大于预设阈值；

若否，则将所述聚合物盐水溶液模型盒子能量最小结构处于正则系综下进行动力学计算。

在一个可能的设计中，若所述偏差值大于预设阈值，则将所述盒子密度设为预设密度；并返回所述建立包含所述水分子、无机盐分子、以及所述聚合物分子最小能量构象结构的聚合物盐水溶液模型盒子，并按预设密度、预设温度对所述聚合物盐水溶液模型盒子的密度、温度进行设定的步骤。

在一个可能的设计中，所述根据所述得到动力学平衡状态溶液体系结构模型计算特性黏数包括：

计算所述动力学平衡状态溶液体系结构模型中聚合物分子的回转半径r；

通过以下公式计算特性黏数η：

其中，na为阿伏伽德罗常数，m为聚合物分子的分子量。

根据本发明的另一个方面，提供一种基于分子模拟的共聚物抗盐性能评价系统，包括：

构建模块，用于构建水分子、无机盐分子以及聚合物单体分子的结构模型，并进行结构优化；

合成模块，用于构建以所述聚合物单体分子组成的聚合物分子的结构模型，并进行结构优化，获取聚合物分子最小能量构象结构；

盒子建立模块，用于建立包含所述水分子、无机盐分子、以及所述聚合物分子最小能量构象结构的聚合物盐水溶液模型盒子，并按预设密度、预设温度对所述聚合物盐水溶液模型盒子的密度、温度进行设定；

平衡模块，用于对所述聚合物盐水溶液模型盒子进行分子动力学计算，得到动力学平衡状态溶液体系结构模型；

计算模块，用于根据所述得到动力学平衡状态溶液体系结构模型计算特性黏数。

在一个可能的设计中，所述平衡模块还用于：

使所述聚合物盐水溶液模型盒子处于正则系综下进行退火，获取聚合物盐水溶液模型盒子能量最小结构；

将所述聚合物盐水溶液模型盒子能量最小结构处于等温等压系综下进行动力学计算，获取盒子密度；

将所述盒子密度与所述预设密度进行对比，获取偏差值；

判断所述偏差值是否大于预设阈值；

若否，则将所述聚合物盐水溶液模型盒子能量最小结构处于正则系综下进行动力学计算。

在一个可能的设计中，所述平衡模块还用于：

若所述偏差值大于预设阈值，则将所述盒子密度设为预设密度；并返回所述建立包含所述水分子、无机盐分子、以及所述聚合物分子最小能量构象结构的聚合物盐水溶液模型盒子，并按预设密度、预设温度对所述聚合物盐水溶液模型盒子的密度、温度进行设定的步骤。

在一个可能的设计中，所述计算模块用于：

计算所述动力学平衡状态溶液体系结构模型中聚合物分子的回转半径r；

通过以下公式计算特性黏数η：

其中，na为阿伏伽德罗常数，m为聚合物分子的分子量。

本发明提供了一种基于分子模拟的共聚物抗盐性能评价方法及其系统，利用计算机“虚拟实验”进行评价，不受实验条件限制，效率高；不受人为因素影响，返回性强，结果可靠；通过本方法得到的特性粘数，可以在一定程度上比较不同聚合物抗盐能力，对钻井液乃至油田化学用抗盐聚合物的设计和研发具有很好的借鉴意义。

通过阅读说明书，本领域普通技术人员将更好地了解这些技术方案的特征和内容。

附图说明

下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：

图1为本发明实施例的基于分子模拟的共聚物抗盐性能评价方法的流程示意图。

图2为本发明实施例的得到动力学平衡状态溶液体系结构模型的流程示意图。

图3为本发明实施例的基于分子模拟的共聚物抗盐性能评价方法的流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例提供一种基于分子模拟的共聚物抗盐性能评价方法，包括：

101、开始。

102、构建水分子、无机盐分子以及聚合物单体分子的结构模型，并进行结构优化。

具体实施时，可以利用材料性能模拟软件materialsstudio的3d建模草图软件skech工具绘制水分子、无机盐分子的三维分子结构模型，通过分子动力学计算模块forcite进行结构优化，得到最小能量构象。

同样可以利用材料性能模拟软件materialsstudio的3d建模草图软件skech工具绘制聚合单体的分子模型，通过分子动力学计算模块forcite进行结构优化，获取聚合单体最小能量构象结构。

103、构建以所述聚合物单体分子组成的聚合物分子的结构模型，并进行结构优化，获取聚合物分子最小能量构象结构。

更具体地，可以利用build工具构建以该聚合物分子最小能量构象结构组成的聚合物分子模型，并进行结构优化；获取聚合物分子最小能量构象结构。

104、建立包含所述水分子、无机盐分子、以及所述聚合物分子最小能量构象结构的聚合物盐水溶液模型盒子，并按预设密度、预设温度对所述聚合物盐水溶液模型盒子的密度、温度进行设定。

可以采用amorphouscell模块建立包含一定数量水分子、无机盐分子、聚合物分子最小能量构象结构的聚合物盐水溶液模型盒子，一般地，聚合物分子最小能量构象结构的个数为1个，水分子的个数为500至3000，无机盐分子的个数可以根据盐水浓度设定，也可以设置在10个以内。本发明并不对上述水分子、无机盐分子、聚合物分子最小能量构象结构的个数做限定。

上述预设密度例如为0.7-1.1g/cm³，预设温度例如为298-493k。需要说明的是上述预设密度、预设温度还可以根据水分子、无机盐分子、聚合物分子的数目自行设定。

105、对所述聚合物盐水溶液模型盒子进行分子动力学计算，得到动力学平衡状态溶液体系结构模型。

106、根据所述得到动力学平衡状态溶液体系结构模型计算特性黏数。

107、结束。

在图1对应的实施例的基础上，本发明实施例提供一种基于分子模拟的共聚物抗盐性能评价方法，如图2所示，所述对所述聚合物盐水溶液模型盒子进行分子动力学计算，得到动力学平衡状态溶液体系结构模型即步骤105包括：

201、开始。

202、使所述聚合物盐水溶液模型盒子处于正则系综下进行退火，获取聚合物盐水溶液模型盒子能量最小结构。

其中，正则系综是由组成系综的系统与一温度为t的很大的热源相接触并达到热平衡后形成的。选择退火功能后，可以进行300k到500k的5次循环，得到一系列结构，选择能量最小结构，通过动力学功能进行动力学平衡计算。

203、将所述聚合物盐水溶液模型盒子能量最小结构处于等温等压系综(npt)下进行动力学计算，获取盒子密度。

更具体地，是处于等温等压系综(npt)下进行100-1000ps、100000步数的动力学计算。

204、将所述盒子密度与所述预设密度进行对比，获取偏差值。

205、判断所述偏差值是否大于预设阈值。若否，则进入步骤206；若是，则进入步骤207；

上述预设阈值为5％至10％，例如是7％。

206、将所述聚合物盐水溶液模型盒子能量最小结构处于正则系综下进行动力学计算。

更具体地，是使体系处于正则系综(nvt)下进行100-1000ps动力学计算。

207、将所述盒子密度设为预设密度；并返回步骤104；

即返回步骤104，并在步骤104中，将在步骤203中计算出的盒子密度作为预设密度，用于对所述聚合物盐水溶液模型盒子的密度进行设定。

208、结束。

在图1或图2对应的任一实施例的基础上，本发明实施例提供一种基于分子模拟的共聚物抗盐性能评价方法，所述根据所述得到动力学平衡状态溶液体系结构模型计算特性黏数即步骤106包括：

计算所述动力学平衡状态溶液体系结构模型中聚合物分子的回转半径r；并通过以下公式计算特性黏数η：

其中，na为阿伏伽德罗常数，m为聚合物分子的分子量。

在具体实施时，可以运用forcite模块的分析功能计算盐水溶液中聚合物回转半径r(g)；更具体地，通过forcite模块的分析功能，对nvt计算后动力学平衡状态的一系列数据进行分析，得到r(g)分布图，对其进行统计平均计算得到r(g)数值。

下面辅以具体的实例进一步说明本发明提供的基于分子模拟的共聚物抗盐性能评价方法：

实例一：评价共聚物p(am-aa)在1％nacl离子浓度下抗盐性能

在步骤102中，通过materialsstudio软件绘图工具，绘制水分子、nacl分子、聚合物单体聚丙烯酰胺(am)、聚丙烯酸(aa)分子模型，通过forcite模块进行结构优化，采用compassii力场。

在步骤103中，通过biuld工具构建am与aa的无规共聚物记为p(am-aa)，选择已建好的am和aa单体模型，输入链长10，输入单体摩尔比为0.5:0.5，建立p(am-aa)，通过forcite进行结构优化。

在步骤104中，通过amorphouscell模块建立聚合物溶液模型，设置体系密度为1.0g/cm³，选择p(am-aa)，设置分子个数为1，选择nacl分子，设置分子个数为3，选择水分子，设置分子个数为1000，温度设为298k，力场选择compassii。得到边长为埃的聚合物盐水溶液体系模型的盒子。

在步骤105中，在forcite模块中选择退火功能，进行300k到500k的5次循环，得到一系列结构，选择能量最小结构，通过该模块中的动力学功能进行动力学平衡计算。首先选择npt系综、298k条件，进行100ps、100000步数的动力学计算，控温方式选择nose，控压方式选择berendsen，计算结果中实际密度为1.021g/cm³，小于偏差范围，进行下一步nvt系综动力学计算，参数选择同上，得到动力学平衡状态溶液体系结构模型。

在步骤106中，通过forcite模块的分析功能，对nvt计算后动力学平衡状态的一系列数据进行分析，得到r(g)分布图，对其进行统计平均计算得到r(g)数值，带入公式(1)计算得到p(am-aa)的特性粘数η。

实例二：评价共聚物p(am-aa-amps)在1％nacl离子浓度下抗盐性能

在步骤102中，通过materialsstudio软件绘图工具，绘制水分子、nacl分子、聚合物单体am、aa、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(amps)分子模型，通过forcite模块进行结构优化，采用compassii力场。

在步骤103中，通过biuld工具构建am、aa、amps的无规共聚物记为p(am-aa-amps)，选择已建好的am、aa、amps单体模型，输入链长10，输入单体摩尔比为0.5:0.25:0.25，建立p(am-aa-amps)，通过forcite进行结构优化。

在步骤104中，通过amorphouscell模块建立聚合物溶液模型，设置体系密度为1.0g/cm³，选择p(am-aa-amps)，设置分子个数为1，选择nacl分子，设置分子个数为6，选择水分子，设置分子个数为1000，温度设为298k，力场选择compassii。得到边长为的聚合物盐水溶液体系模型的盒子。

在步骤105中，在forcite模块中选择退火功能，进行300k到500k的5次循环，得到一系列结构，选择能量最小结构，通过该模块中的动力学功能进行动力学平衡计算。首先选择npt系综、298k条件，进行100ps、100000步数的动力学计算，控温方式选择nose，控压方式选择berendsen，计算结果中实际密度为1.023g/cm³，小于偏差范围，进行下一步nvt系综动力学计算，参数选择同上，得到动力学平衡状态溶液体系结构模型。

在步骤106中，通过forcite模块的分析功能，对nvt计算后动力学平衡状态的一系列数据进行分析，得到rg分布图，对其进行统计平均计算得到rg数值，带入公式(1)计算得到p(am-aa)的特性粘数η。

实例三：评价共聚物p(am-aa-amps)在1％cacl2离子浓度下抗盐性能

在步骤102中，通过materialsstudio软件绘图工具，绘制水分子、cacl2分子、聚合物单体am、aa、amps分子模型，通过forcite模块进行结构优化，采用compassii力场。

在步骤103中，通过biuld工具构建am、aa、amps的无规共聚物记为p(am-aa-amps)，选择已建好的am、aa、amps单体模型，输入链长10，输入单体摩尔比为0.5:0.25:0.25，建立p(am-aa-amps)，通过forcite进行结构优化。

在步骤104中，通过amorphouscell模块建立聚合物溶液模型，设置体系密度为1.0g/cm³，选择p(am-aa-amps)，设置分子个数为1，选择cacl2分子，设置分子个数为3，选择水分子，设置分子个数为2000，温度设为298k，力场选择compassii。得到边长为的聚合物盐水溶液体系模型的盒子。

在步骤105中，在forcite模块中选择退火功能，进行300k到500k的5次循环，得到一系列结构，选择能量最小结构，通过该模块中的动力学功能进行动力学平衡计算。首先选择npt系综、298k条件，进行100ps、100000步数的动力学计算，控温方式选择nose，控压方式选择berendsen，计算结果中实际密度为1.018g/cm³，小于偏差范围，进行下一步nvt系综动力学计算，参数选择同上，得到动力学平衡状态溶液体系结构模型。

在步骤106中，通过forcite模块的分析功能，对nvt计算后动力学平衡状态的一系列数据进行分析，得到rg分布图，对其进行统计平均计算得到rg数值，带入公式(1)计算得到p(am-aa)的特性粘数η。

实例四：评价共聚物p(am-aa-amps)在4％cacl2离子浓度下抗盐性能

在步骤102中，通过materialsstudio软件绘图工具，绘制水分子、cacl2分子、聚合物单体am、aa、amps分子模型，通过forcite模块进行结构优化，采用compassii力场。

在步骤103中，通过biuld工具构建am、aa、amps的无规共聚物记为p(am-aa-amps)，选择已建好的am、aa、amps单体模型，输入链长10，输入单体摩尔比为0.5:0.25:0.25，建立p(am-aa-amps)，通过forcite进行结构优化。

在步骤104中，通过amorphouscell模块建立聚合物溶液模型，设置体系密度为1.02g/cm3，选择p(am-aa-amps)，设置分子个数为1，选择cacl2分子，设置分子个数为12，选择水分子，设置分子个数为2000，温度设为298k，力场选择compassii。得到边长为的聚合物盐水溶液体系模型的盒子。

在步骤105中，在forcite模块中选择退火功能，进行300k到500k的5次循环，得到一系列结构，选择能量最小结构，通过该模块中的动力学功能进行动力学平衡计算。首先选择npt系综、298k条件，进行100ps、100000步数的动力学计算，控温方式选择nose，控压方式选择berendsen，计算结果中实际密度为1.037g/cm3，小于偏差范围，进行下一步nvt系综动力学计算，参数选择同上，得到动力学平衡状态溶液体系结构模型。

在步骤106中，通过forcite模块的分析功能，对nvt计算后动力学平衡状态的一系列数据进行分析，得到rg分布图，对其进行统计平均计算得到rg数值，带入公式(1)计算得到p(am-aa)的特性粘数η。

如图3所示，本发明还提供一种基于分子模拟的共聚物抗盐性能评价系统，包括构建模块301、合成模块302、盒子建立模块303、平衡模块304、计算模块305。其中：

构建模块301，用于构建水分子、无机盐分子以及聚合物单体分子的结构模型，并进行结构优化；具体实施时，可以利用材料性能模拟软件materialsstudio的3d建模草图软件skech工具绘制水分子、无机盐分子的三维分子结构模型，通过分子动力学计算模块forcite进行结构优化，得到最小能量构象。

同样可以利用材料性能模拟软件materialsstudio的3d建模草图软件skech工具绘制聚合单体的分子模型，通过分子动力学计算模块forcite进行结构优化，获取聚合单体最小能量构象结构。

合成模块302，与所述构建模块301相连，用于构建以所述聚合物单体分子组成的聚合物分子的结构模型，并进行结构优化，获取聚合物分子最小能量构象结构；

更具体地，可以利用build工具构建以该聚合物分子最小能量构象结构组成的聚合物分子模型，并进行结构优化；获取聚合物分子最小能量构象结构。

盒子建立模块303，与所述构建模块301以及合成模块302相连；用于建立包含所述水分子、无机盐分子、以及所述聚合物分子最小能量构象结构的聚合物盐水溶液模型盒子，并按预设密度、预设温度对所述聚合物盐水溶液模型盒子的密度、温度进行设定；

可以采用amorphouscell模块建立包含一定数量水分子、无机盐分子、聚合物分子最小能量构象结构的聚合物盐水溶液模型盒子，一般地，聚合物分子最小能量构象结构的个数为1个，水分子的个数为500至15000，无机盐分子的个数可以根据盐水浓度设定，也可以设置在10个以内。本发明并不对上述水分子、无机盐分子、聚合物分子最小能量构象结构的个数做限定。

上述预设密度例如为0.7-1.1g/cm3，预设温度例如为298-493k。需要说明的是上述预设密度、预设温度还可以根据水分子、无机盐分子、聚合物分子自行设定。

平衡模块304，与所述盒子建立模块303相连；用于对所述聚合物盐水溶液模型盒子进行分子动力学计算，得到动力学平衡状态溶液体系结构模型；

计算模块305，与所述平衡模块304相连；用于根据所述得到动力学平衡状态溶液体系结构模型计算特性黏数。

在本发明的一个实施例中，所述平衡模块具体用于：

使所述聚合物盐水溶液模型盒子处于正则系综下进行退火，获取聚合物盐水溶液模型盒子能量最小结构；其中，正则系综是组成系综的系统是由n个粒子组成的，同温度为t的很大的热源相接触并达到热平衡。选择退火功能后，可以进行300k到500k的5次循环，得到一系列结构，选择能量最小结构，通过动力学功能进行动力学平衡计算。

将所述聚合物盐水溶液模型盒子能量最小结构处于等温等压系综下进行动力学计算，获取盒子密度；更具体地，是处于等温等压系综(npt)下进行100-1000ps、100000步数的动力学计算。

将所述盒子密度与所述预设密度进行对比，获取偏差值；

判断所述偏差值是否大于预设阈值；上述预设阈值为5％至10％，例如是7％。

若否，则将所述聚合物盐水溶液模型盒子能量最小结构处于正则系综下进行动力学计算。

若是，则将所述盒子密度设为预设密度；并返回所述建立包含所述水分子、无机盐分子、以及所述聚合物分子最小能量构象结构的聚合物盐水溶液模型盒子，并按预设密度、预设温度对所述聚合物盐水溶液模型盒子的密度、温度进行设定的步骤。

在本发明的一个实施例中，所述计算模块用于：

计算所述动力学平衡状态溶液体系结构模型中聚合物分子的回转半径r；

通过以下公式计算特性黏数η：

其中，na为阿伏伽德罗常数，m为聚合物分子的分子量。

在具体实施时，可以运用forcite模块的分析功能计算盐水溶液中聚合物回转半径r(g)；更具体地，通过forcite模块的分析功能，对nvt计算后动力学平衡状态的一系列数据进行分析，得到r(g)分布图，对其进行统计平均计算得到r(g)数值。

本发明提供了一种基于分子模拟的共聚物抗盐性能评价方法及其系统，利用分子模拟软件建立聚合物盐水溶液模型，再利用分子动力学计算系统达到平衡后的分子回转半径，通过回转半径计算得到特性粘数，通过比较特性粘数的大小可以评价不同聚合物抗盐能力。本发明无需通过传统实验，利用计算机“虚拟实验”进行评价，不受实验条件限制，效率高，重复性强，结果可靠，有利于油田化学用抗盐聚合物的快速设计和研发。

以上参照附图说明了本发明的优选实施例，本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质，可以有多种变型方案实现本发明。举例而言，作为一个实施例的部分示出或描述的特征可用于另一实施例以得到又一实施例。以上仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。