一种分子模拟不同温压条件下吸附初始模型快速建模方法

1.本发明涉及油气田开发领域，具体涉及微观吸附模拟技术中分子模拟吸附模型批量建模方法。


背景技术：

2.随着能源结构的调整，页岩气发挥着越来越重要的作用。页岩气主要是指以游离、吸附、溶解状态存在于暗色泥页岩中的非常规天然气。其中，吸附气所占比例为20％～85％，主要吸附于孔径小于10nm的纳米孔隙中，其吸附能力与有机质含量、矿物成分、储层温度、压力、孔径大小等因素有关。目前，研究页岩气吸附的主要方法为物理模拟实验和分子模拟方法。物理模拟实验可获取页岩气在不同条件下的吸附量以及页岩储层条件、有机质性质和水分等因素对吸附的影响，但其存在明显的不足：成本高、高温高压限制、实验风险和安全隐患，且无法系统深入地揭示页岩气微观吸附机理。物理模拟实验的这些不足之处恰好是分子模拟技术的优势。分子模拟采用计算机辅助实验技术，以统计力学和量子力学为基础，基于原子水平的分子模型来模拟计算分子的结构与行为，以及体系的各种物理化学性质，其优势在于成本低、安全性高、具有预测性、能从原子和分子水平上直观再现物质的微观性质和各种物理化学过程等。
3.分子模拟主要分为分子力学(molecular mechanics,mm)、蒙特卡洛(monte carlo,mc)以及分子动力学(molecular dynamics,md)模拟等。其中，蒙特卡洛方法常用来研究吸附。目前，页岩气吸附模拟采用巨正则蒙特卡洛方法研究石墨片层、干酪根、石英、伊利石、蒙脱石和高岭石等单结构模型以及混合结构模型中吸附质的吸附特性[wang t,tian s,li g,et al.molecular simulation of gas adsorption in shale nanopores:a critical review[j].renewable and sustainable energy reviews,2021,149:111391]。除了涉及不同矿物组成外，研究还涉及不同形状、不同孔径的孔隙模型，通过计算得到不同温度、压力条件下的吸附量，例如文献[李晶辉,韩鑫,黄思婧,等.页岩干酪根吸附规律的分子模拟研究[j].油气藏评价与开发,2022,12(03):455-461]涵盖了8个孔径，各孔径下涵盖5个温度点、6个压力点，共计240组，具体地，模拟的孔径设置分别为1、2、3、4、5、10、15、20nm；温度介于298～378k；压力介于5～30mpa。类似的，文献[王晓琦,翟增强,金旭,等.地层条件下页岩有机质孔隙内co2与ch4竞争吸附的分子模拟[j].石油勘探与开发,2016,43(05):772-779]模拟了页岩气在343k、368k、398k、428k共4个温度下的吸附等温线，各温度下设置27个压力点，范围0～80mpa，共计108组。在使用蒙特卡洛方法研究吸附时，需要建立不同矿物结构模型以及各矿物不同孔径模型，提交计算时需要逐个修改温度和压力(逸度)，少则设置几十组，多则需要修改成百上千组。如果每个模型的温度、压力(逸度)都是人为操作修改，则需要不断地复制基本模型、打开模型、修改模型的温度、压力，工作量巨大，耗时费力，而且容易出现错误。因此，急需一种快速批量建立吸附初始模型的方法，实现各吸附模型中不同温度压力条件的修改，为后续对不同矿物以及不同孔径模型下模拟吸附提供模型基础。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的在于提供一种分子模拟不同温压条件下吸附初始模型快速建模方法，并对建模过程中的关键参数进行优化，该方法原理可靠、精度高，简便适用，不仅大幅度提升批量建模效率，减轻科研人员的工作强度，而且能够避免人为操作出错的可能性，克服了现有技术的缺陷和不足。
[0005]
为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。
[0006]
一种分子模拟不同温压条件下吸附初始模型快速建模方法，依次包括以下步骤：
[0007]
步骤一、建立吸附初始模型：
[0008]
采用materials studio软件构建狭缝结构和吸附质粒子源，生成狭缝坐标文件box0.pdb、拓扑文件box0.psf和吸附质粒子源坐标文件box1.pdb、拓扑文件box1.psf，在力场参数文件par.inp中定义原子的非键相互作用参数；
[0009]
步骤二、建立模板模型：
[0010]
在计算控制文件in.conf中写入算法类型“gemc npt”；明确模拟目标温度“temperature”、目标压力“pressure”所在文本行数，将所有文件放在文件夹model中作为模板模型，使用开源软件gomc进行模拟；
[0011]
步骤三、设置温度、压力数组，复制模板模型并重命名：
[0012]
根据需要计算的目标温度、压力，确定温度计算区间、压力计算区间，并设置温度数组、压力数组；依次循环遍历温度数组、压力数组，通过shell语言的cp命令复制模板模型文件夹，并重命名文件夹为目标温度压力$t.$p；
[0013]
步骤四、通过shell语言修改目标模型的温度、压力：
[0014]
通过shell语言的sed命令，将目标模型控制文件in.conf中的“temperature”、“pressure”行设置为目标温度$t、目标压力$p；循环重复步骤三和步骤四，遍历温度数组、压力数组，批量生成各温度、压力下的吸附模型。
[0015]
进一步地，步骤一中，吸附质为甲烷，狭缝为石墨片层，甲烷采用trappe-ua力场，石墨片层采用opls力场。
[0016]
进一步的，更改吸附质并设置为循环变量，采用该方法，可以批量建立不同吸附质在给定孔径纳米孔中各温度、压力下的模型。
[0017]
进一步的，更改纳米孔孔径并设置为循环变量，采用该方法，可以快速建立孔径、温度、压力正交的复合模型。
[0018]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0019]
(1)本发明使用开源软件gpu optimized monte carlo(gomc)进行gibbs系综蒙特卡洛模拟吸附，可直接进行温度压力设定，比巨正则系综方法减少了计算逸度的步骤。
[0020]
(2)本发明基于shell语言修改各吸附模型中温度、压力，不仅大幅度提升了批量建模效率，减轻了科研人员的工作强度，而且避免了人为操作出错的可能性。
附图说明
[0021]
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，与本发明的示意性实施例用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0022]
图1是本发明的分子模拟吸附批量建模方法流程图。
[0023]
图2是实施例模型吸附结果。
[0024]
图3是各温度压力模型文件夹。
具体实施方式
[0025]
下面根据附图和实施例进一步说明本发明。
[0026]
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。
[0027]
实施例
[0028]
本发明所述分子模拟不同温压条件下吸附初始模型快速建模方法，可以快速生成各温度、压力正交的目标模型，具体包括如下步骤(见图1)：
[0029]
步骤一、建立吸附初始模型：
[0030]
采用materialsstudio软件构建吸附质粒子源和狭缝结构，再通过vmd产生坐标文件box0.pdb、box1.pdb及拓扑文件box0.psf、box1.psf。吸附质以甲烷为例，狭缝以石墨片层为例，甲烷采用trappe-ua力场，石墨片层采用opls力场，在力场参数文件par.inp中定义原子的非键相互作用参数。由于模型构建不是本发明实施的重点，故不进行详细阐述。
[0031]
步骤二、建立模板模型：
[0032]
在计算控制文件in.conf中写入恒压吉布斯系综蒙特卡罗算法类型“gemcnpt”；明确模拟目标温度“temperature”、目标压力“pressure”所在文本行数，便于后续温度压力修改时直接进行行替换。由于其他参数设置不是本发明实施的重点，故不进行赘述。将所有坐标文件、拓扑文件、力场参数文件以及控制文件放在文件夹model中，该文件夹即为模板模型，使用开源软件gomc进行模拟，运行后可得到合理的吸附结果，如图2所示。
[0033]
步骤三、设置温度、压力数组，复制模板模型并重命名：
[0034]
根据需要计算的目标温度、压力，确定温度计算区间与压力计算区间，例如温度t选择343k、353k、363k、373k、383k，压力选择5mpa、10mpa、15mpa、20mpa、25mpa、30mpa、35mpa、40mpa，设置数组：
[0035]
temperature＝(343353363373383)
[0036]
pressure＝(50100150200250300350400)#(单位bar，1mpa＝10bar)
[0037]
依次循环温度压力，通过shell语言的cp命令复制模板模型文件夹，并重命名为具体温度压力，其名称包含目标温度$t，目标压力$p：
[0038]
cp-rmodel$t.$p。
[0039]
步骤四、通过shell语言修改目标模型的温度、压力：
[0040]
通过shell语言的sed命令，将目标模型控制文件in.conf中的“temperature”、“pressure”行设置为目标温度$t、目标压力$p：
[0041]
sed-i"57ctemperature$t"./in.conf
[0042]
sed-i"52cpressure$p"./in.conf
[0043]
通过循环步骤三和步骤四，遍历温度数组、压力数组，批量生成各温度、压力下的吸附模型，例如上述温度t选择343k、353k、363k、373k、383k，压力选择5mpa、10mpa、15mpa、20mpa、25mpa、30mpa、35mpa、40mpa，共计5
×
8＝40个目标模型，如图3所示，生成时间仅需3秒。
[0044]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，对本技术领域的普通技术人员来讲，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，只要各种修改和变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，均落入本发明的保护范围。