一种混合组分粘土矿物颗粒模型的构建方法及其应用与流程

1.本发明涉及石油勘探开发领域，具体地说，是涉及一种混合组分粘土矿物颗粒模型的构建方法及其应用。


背景技术：

2.在石油钻探过程中遇粘土矿物的水化膨胀、分散，易导致井壁失稳问题，极大地增加了钻探风险。对于粘土矿物膨胀、分散机理研究，传统手段是通过仪器从宏观角度测定膨胀量、剪切拉伸强度等性能，难以进行微观研究，对粘土矿物分子层面上的膨胀分散机制缺乏有效研究手段。
3.采用分子模拟可以研究分子水平上的晶胞结构，直观观察粘土矿物晶胞的微观结构变化，获取微观性能参数，为更好的解释粘土矿物膨胀、分散机理提供了条件。进行模拟研究的前提是构建一种贴近泥页岩真实结构的分子模型。
4.目前，粘土矿物主要包含蒙脱石、伊利石、高岭石等组分。对于粘土矿物的建模，一部分是采用数值模拟从宏观角度进行物理建模，主要用于研究地层压力、空隙分布等属性。
5.专利cn104007463a提供了一种人工页岩物理模型及其制作方法和应用。所述人工页岩物理模型的制作方法包括：将粘合剂与石粉混合均匀，所述粘合剂为环氧树脂类胶粘剂，石粉包括石英10％-70％、高岭土10％-80％、有机碳粉4％-25％、方解石3％-10％，粘合剂用量占石粉总质量的5％～35％；将粘合剂与石粉的混合物装填入模具中，放在压力器上水平固定，调整垂直方向压强至80～300mpa，固定放置24小时以上，初步固化；脱模，将初步固化的页岩样品于30～50℃干燥，制得人工页岩物理模型。
6.专利cn103713320a公开了一种富有机质泥页岩岩石物理模型的建立方法，该方法是：利用wu(1966)的二维孔隙表面比和/或berryman(1980)的四种特殊三维孔隙形态充分考虑孔隙形状的影响，针对不同孔隙类型的临界孔隙度限制，利用微分等效介质理论消除临界孔隙度限制的影响，并且将有机质作为岩石的固体包含物，利用brown-korringa方程进行固体替代，建立能够预测弹性波速度的富有机质泥页岩岩石物理模型。
7.专利cn104007485 a提供了一种建立复杂孔隙泥页岩岩石物理模型方法，基于改进的xu-payne理论的复杂孔隙泥页岩岩石物理模型，该模型通过改进xu-payne模型针对碳酸盐储层复杂孔隙特征分布，引入有机质分布，并将孔隙类型分为基质孔隙和干酪根孔隙，基质孔隙分为粒内孔、粒间孔和裂缝，分别用孔隙纵横比0.8、0.15、0.01来表征，干酪根孔隙为微裂隙且充填油气，利用孔隙纵横比0.01来表征，干酪根与油气混合物通过brown-korringa方程来实现固体替代，并且假设其纵横比为0.8，从而建立考虑有机质与复杂孔隙类型影响的泥页岩岩石物理模型。
8.以上专利属于地球物理研究领域，模型均为宏观物理模型，不能反映粘土矿物分子层面的微观结构，在粘土矿物膨胀分散机理研究方面适用性较差。另一部分是将构成粘土矿物的几类组分进行单独建模，这类模型组分单一，不能完全反映粘土矿物的混合属性，且模型均为超晶胞，只能反映层间属性，不能研究粘土颗粒之间的作用。


技术实现要素：

9.为了解决以上现有技术中存在的问题，本发明提出一种混合组分粘土矿物颗粒模型的构建方法，为粘土矿物水化膨胀、分散等机理的模拟研究提供更贴近实际情况的基础模型，为井壁稳定的深层次的微观化、可视化、定量化研究打下基础。
10.本发明目的之一为提供一种混合组分粘土矿物颗粒模型的构建方法，包括以下步骤：(1)粘土矿物主要组分单晶胞模型构建、(2)粘土矿物主要组分超晶胞模型构建、(3)粘土矿物混合周期模型构建、(4)粘土矿物纳米颗粒模型构建。
11.优选地，可利用materials studio、lammps、gromacs、amber中的一种软件进行所述混合组分粘土矿物颗粒模型的构建，更优选使用materials studio软件。
12.所述粘土矿物主要组分包括蒙脱石、伊利石、高岭石中的至少一种。所述混合组分粘土矿物可以是蒙脱石、伊利石和高岭石中的两种或者三种为主要成分的粘土矿物。以上所述主要组分中的两种或者三种在粘土矿物中可以例如1:1、2:2、1:2、1:1:1、2:2:2等的层数比例结构进行排列。
13.本发明所述构建方法的步骤(1)包括，依据粘土矿物主要组分的晶胞参数构建晶胞盒子，根据各晶胞原子参数坐标向晶胞盒子中添加相应原子，得到各主要组分的单晶胞模型；优选地，利用materials studio软件的build crystals工具构建单晶胞模型。
14.本发明所述构建方法的步骤(2)包括，对步骤(1)得到的各主要组分的单晶胞模型进行扩建，建立粘土矿物主要组分的超晶胞模型，对各超晶胞模型进行结构优化；优选地，利用materials studio软件的supercell工具构建超晶胞模型。
15.优选地，建立粘土矿物主要组分的4a
×
2b
×
1c、4a
×
4b
×
1c、2a
×
4b
×
1c、6a
×
2b
×
1c中至少一种的超晶胞模型；更优选建立4a
×
2b
×
1c超晶胞模型。
16.优选地，对各超晶胞模型进行结构优化包括：精度选择ultra-fine，力场选universal，电荷选charge using qeq，electrostatic求和方法选ewald，van der waals项求和方法选atom based，截断半径选择为
17.本发明所述构建方法的步骤(3)包括，对步骤(2)得到的结构优化后超晶胞模型从层面进行切割，根据所需模拟的粘土矿物各组分实际比例，对切割后的模型进行层状结构的搭建；对已搭建的模型进行优化，当层状结构不止一种时，选取能量最低结构作为粘土矿物的混合周期模型。
18.其中，对超晶胞模型从层面切割就是从超晶胞模型的(0 0 1)面切割，(001)面即为层面，每个超晶胞从层面切割后，各组分的晶胞就可以层层叠加建模。
19.优选地，利用materials studio软件的cleave surface工具对超晶胞模型进行切割，得到晶胞盒子夹角均为90
°
的超晶胞模型；
20.优选地，利用materials studio软件的build layers工具对切割后的超晶胞模型进行层状结构的搭建。
21.优选地，对层状结构进行优化包括：精度选择fine或ultra-fine ultra-fine，力场选universal，电荷选charge using qeq，electrostatic求和方法选ewald，van der waals项求和方法选atom based。
22.本发明所述构建方法的步骤(4)包括，对步骤(3)得到的混合周期模型实施纳米颗粒建模指令，得到不同直径的纳米颗粒模型；
23.优选地，利用build nanostructure工具中nanocluster指令，输入所需颗粒直径，建立纳米颗粒模型。
24.本发明目的之二为提供所述的混合组分粘土矿物颗粒模型的构建方法在石油勘探开发中的应用。
25.本发明具有以下有益效果：
26.(1)为粘土矿物相关研究提供更贴近实际情况的基础模型，后续可实现深层次微观化、可视化、定量化研究。
27.(2)不受传统实验样品来源、测试数量等限制，可进行重复模拟研究，节约人力，提高研究效率。
附图说明
28.图1为蒙脱石单晶胞模型。
29.图2为伊利石单晶胞模型。
30.图3为高岭石单晶胞模型。
31.图4为蒙脱石超晶胞模型。
32.图5为伊利石超晶胞模型。
33.图6为高岭石超晶胞模型。
34.图7为1:1:1伊利石、高岭石、蒙脱石混合周期模型。
35.图8为直径为100nm的1:1:1伊利石、高岭石、蒙脱石纳米颗粒模型的正视图。
36.图9为直径为100nm的1:1:1伊利石、高岭石、蒙脱石纳米颗粒模型的俯视图。
37.图10为1:1蒙脱石、伊利石层间水分子浓度分布模拟结果。
具体实施方式
38.下面结合具体实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域技术人员根据本发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整仍属本发明的保护范围。
39.另外需要说明的是，在以下具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
40.本发明提供了一种构建具有混合组分的粘土矿物颗粒模型的建模方法，该模型成分更贴近实际粘土矿物情况，无需采集真实样品，不受实验样品来源、数量影响，可进行重复性实验，由计算机进行模拟，节约人力，特别适用于粘土矿物层间或颗粒的物理化学性质和相互作用用关系等机理研究，为井壁稳定的深层次的微观化、可视化、定量化研究提供基础模型。
41.本发明提供了一种混合组分粘土矿物颗粒模型的构建方法，包括粘土矿物主要组分单晶胞模型构建、超晶胞模型构建、混合周期模型构建、纳米颗粒模型构建等步骤。
42.根据本发明一种优选的实施方式，所述构建方法利用materials studio模拟软件包完成。
43.根据本发明一种优选的实施方式，在materials studio软件的visualizer可视化
界面中进行构建。
44.根据本发明一种优选的实施方式，所述构建方法包括以下步骤：
45.(1)粘土矿物主要组分单晶胞模型构建
46.依据粘土矿物主要组分的晶胞参数构建晶胞盒子，根据各晶胞原子参数坐标，向晶胞盒子中添加相应原子，得到粘土矿物各主要组分的单晶胞模型。
47.(2)粘土矿物主要组分超晶胞模型构建
48.对步骤(1)中的单晶胞模型进行扩建，建立粘土矿物主要组分的超晶胞模型，对各超晶胞模型进行结构优化。
49.(3)粘土矿物混合周期模型构建
50.对步骤(2)中结构优化后超晶胞模型从层面进行切割，根据所需模拟的粘土矿物各组分实际比例，对切割后的模型进行层状结构的搭建；对已搭建的模型进行结构优化，当层状结构不止一种时，选取能量最低结构作为粘土矿物的混合周期模型。
51.(4)粘土矿物纳米颗粒模型构建
52.对步骤(3)中的混合周期模型实施纳米颗粒建模指令，得到不同直径的纳米颗粒模型。
53.根据本发明一种更优选的实施方式，所述构建方法包括以下步骤：
54.(1)粘土矿物主要组分单晶胞模型构建
55.应用materials studio软件build crystals工具，依据粘土矿物主要组分的晶胞参数构建晶胞盒子，根据各晶胞原子参数坐标，向晶胞盒子中添加相应原子，得到粘土矿物各主要组分的单晶胞模型。
56.(2)粘土矿物主要组分超晶胞模型构建
57.利用materials studio软件supercell工具分别建立粘土矿物各主要组分的4a
×
2b
×
1c超晶胞结构，其中对蒙脱石和伊利石的超晶胞结构进行类质同象晶格取代；对各超晶胞模型进行结构优化。
58.(3)粘土矿物混合周期模型构建
59.利用materials studio软件cleave surface工具分别结构优化后超晶胞模型的(0 0 1)面进行切割，根据所需模拟的粘土矿物各组分实际比例，对切割后的模型进行层状结构的搭建；对已搭建的模型进行结构优化。
60.其中当层状结构不止一种时，选取能量最低结构作为粘土矿物的混合周期模型。如包括两种主要组分的粘土矿物，其两种主要组分可以1:1层数比例、1:2层数、2:1层数比例、2:2层数比例等形式叠加。对于大于2层的叠加，首先按照不同的叠加顺序建立多个混合周期模型，然后选取能量最低结构作为粘土矿物的混合周期模型。
61.(4)粘土矿物纳米颗粒模型构建
62.利用materials studio软件build nanostructure工具中nanocluster指令，依据所需颗粒直径输入具体直径数值，建立混合周期模型实施纳米颗粒模型。
63.实施例1
64.层数比例为1:1:1蒙脱石、伊利石、高岭石模型的构建方法
65.(1)蒙脱石、伊利石、高岭石单晶胞模型的构建
66.在materials studio软件的visualizer可视化界面中，应用build crystals工
具，依据蒙脱石、伊利石、高岭石的晶胞参数构建晶胞盒子，根据各晶胞模型相应的原子坐标(晶胞参数、原子坐标可通过美国矿物晶体结构数据库中获取)，通过atom指令向晶胞盒子添加相应原子，分别得到蒙脱石、伊利石、高岭石的单晶胞模型(如图1、2、3所示)。
67.(2)蒙脱石、伊利石、高岭石超晶胞模型的构建
68.利用supercell工具分别建立蒙脱石、伊利石、高岭石的4a
×
2b
×
1c超晶胞结构，分别对蒙脱石和伊利石的超晶胞结构进行类质同象晶格取代。对于蒙脱石，在超晶胞模型的硅氧四面体中每32个si有1个被al所取代，在铝氧八面体中每8个al有1个被mg所取代，层间添加6个钠离子来平衡类质同象替换所产生的6个负电荷；对于伊利石，在四面体片层上每8个si有一个被al取代，且相邻原子不能同时被取代，层间添加8个钾离子来平衡类质同象替换所产生的8个负电荷。对高岭石、晶格取代后的蒙脱石和伊利石的超晶胞模型进行结构优化(如图4、5、6所示)，参数选择如下：精度选择ultra-fine，forcefield选universal，电荷选charge using qeq，electrostatic求和方法选ewald，van der waals项求和方法选atom based，截断半径为
69.(3)1:1:1伊利石-高岭石-蒙脱石混合周期模型的构建
70.利用cleave surface工具分别对蒙脱石、伊利石、高岭石结构优化后的超晶胞模型的(0 0 1)面进行切割，得到晶胞盒子夹角均为90
°
的超晶胞模型；利用build layers工具对切割后的模型分别按
①
伊利石-蒙脱石-高岭石、
②
伊利石-高岭石-蒙脱石、
③
蒙脱石-伊利石-高岭石排列顺序进行1:1:1层状结构的搭建；对已搭建的各模型进行结构优化，具体项目参数：精度选择ultra-fine，forcefield选universal，电荷选charge using qeq，electrostatic求和方法选ewald，van der waals项求和方法选atom based。选取能量最低的模型作为1:1:1蒙脱石、伊利石、高岭石混合周期模型(如图7所示)。
71.(4)1:1:1伊利石-高岭石-蒙脱石纳米颗粒模型的构建
72.利用build nanostructure工具中nanocluster指令，输入所需颗粒直径，建立1:1:1蒙脱石、伊利石、高岭石混合纳米颗粒模型(如图8、图9所示，纳米颗粒直径为100nm)。
73.实施例2
74.层数比例为1:1蒙脱石、伊利石模型的构建方法
75.(1)蒙脱石、伊利石单晶胞模型的构建
76.在materials studio软件的visualizer可视化界面中，应用build crystals工具，依据蒙脱石、伊利石的晶胞参数构建晶胞盒子；根据各晶胞模型相应的原子坐标(晶胞参数、原子坐标可通过美国矿物晶体结构数据库中获取)，通过atom指令向晶胞盒子中添加相应原子，分别得到蒙脱石、伊利石的单晶胞模型。
77.(2)蒙脱石、伊利石超晶胞模型的构建
78.利用supercell工具分别建立蒙脱石、伊利石的4a
×
2b
×
1c超晶胞结构，同实施例1方法分别对蒙脱石、伊利石的超晶胞结构进行类质同象晶格取代；对晶格取代后的蒙脱石、伊利石的超晶胞模型进行结构优化，参数选择如下：精度选择ultra-fine，forcefield选universal，电荷选charge using qeq，electrostatic求和方法选ewald，van der waals项求和方法选atom based，截断半径为
79.(3)1:1蒙脱石-伊利石混合周期模型的构建
80.利用cleave surface工具对蒙脱石、伊利石结构优化后的超晶胞模型的(0 01)面进行切割，得到晶胞盒子夹角均为90
°
的超晶胞模型；再利用build layers工具对切割后的模型按蒙脱石-伊利石排列顺序进行1:1层状结构的搭建；最后，对已搭建的模型进行结构优化，具体项目参数：精度选择ultra-fine，forcefield选universal，电荷选charge using qeq，electrostatic求和方法选ewald，van der waals项求和方法选atom based，得到1:1蒙脱石、伊利石混合周期模型。
81.(4)1:1蒙脱石-伊利石纳米颗粒模型的构建
82.利用build nanostructure工具中nanocluster指令，输入所需颗粒直径，建立1:1蒙脱石-伊利石纳米颗粒模型。
83.实施例3
84.层数比例为1:2蒙脱石、伊利石模型的构建方法
85.(1)蒙脱石、伊利石单晶胞模型的构建
86.在materials studio软件的visualizer可视化界面中，应用build crystals工具，依据蒙脱石、伊利石的晶胞参数构建晶胞盒子；根据各晶胞模型相应的原子坐标(晶胞参数、原子坐标可通过美国矿物晶体结构数据库中获取)，通过atom指令项晶胞盒子中添加相应原子，得到蒙脱石、伊利石的单晶胞模型。
87.(2)蒙脱石、伊利石超晶胞模型的构建
88.利用supercell工具分别建立蒙脱石、伊利石的4a
×
2b
×
1c超晶胞结构，同实施例1方法分别对蒙脱石、伊利石的超晶胞结构进行类质同象晶格取代。对晶格取代后的蒙脱石、伊利石的超晶胞模型进行结构优化，参数选择如下：精度选择ultra-fine，forcefield选universal，电荷选charge using qeq，electrostatic求和方法选ewald，van der waals项求和方法选atom based，截断半径为
89.(3)1:2蒙脱石-伊利石混合周期模型的构建
90.利用cleave surface工具对蒙脱石、伊利石结构优化后的超晶胞模型的(0 01)面进行切割，得到晶胞盒子夹角均为90
°
的超晶胞模型；利用build layers工具对切割后的模型按
①
蒙脱石-伊利石-伊利石、
②
伊利石-蒙脱石-伊利石顺序分别进行1:2层状结构的搭建，对已搭建的各模型进行结构优化，具体项目参数：精度选择ultra-fine，forcefield选universal，电荷选charge using qeq，electrostatic求和方法选ewald，van der waals项求和方法选atom based，选取能量最低的模型作为1:2蒙脱石-伊利石混合周期模型。
91.(4)1:2蒙脱石-伊利石纳米颗粒模型的构建
92.利用build nanostructure工具中nanocluster指令，输入所需颗粒直径，建立1:2蒙脱石-伊利石纳米颗粒模型。
93.实施例4
94.层数比例为2:2蒙脱石、伊利石模型的构建方法
95.(1)蒙脱石、伊利石单晶胞模型的构建
96.在materials studio软件的visualizer可视化界面中，应用build crystals工具，依据蒙脱石、伊利石的晶胞参数构建晶胞盒子，根据各晶胞模型相应的原子坐标(晶胞参数、原子坐标可通过美国矿物晶体结构数据库中获取)，通过atom指令向晶胞盒子中添加相应原子，得到蒙脱石、伊利石的单晶胞模型。
97.(2)蒙脱石、伊利石超晶胞模型的构建
98.利用supercell工具分别建立蒙脱石、伊利石的4a
×
2b
×
1c超晶胞结构，同实施例1方法分别对蒙脱石和伊利石的超晶胞结构进行类质同象晶格取代，对晶格取代后的蒙脱石、伊利石的超晶胞模型进行结构优化，参数选择如下：精度选择ultra-fine，forcefield选universal，电荷选charge using qeq，electrostatic求和方法选ewald，van der waals项求和方法选atom based，截断半径为
99.(3)2:2蒙脱石、伊利石混合周期模型的构建
100.利用cleave surface工具对蒙脱石、伊利石结构优化后超晶胞模型的(0 0 1)面进行切割，得到晶胞盒子夹角均为90
°
的超晶胞模型；利用build layers工具对切割后的模型按
①
蒙脱石-蒙脱石-伊利石-伊利石、
②
蒙脱石-伊利石-蒙脱石-伊利石排列顺序分别进行层状结构的搭建；对已搭建的各模型进行结构优化，具体项目参数：精度选择ultra-fine，forcefield选universal，电荷选charge using qeq，electrostatic求和方法选ewald，van der waals项求和方法选atom based，选取能量最低的模型作为2:2蒙脱石、伊利石混合周期模型。
101.(4)2:2蒙脱石、伊利石纳米颗粒模型的构建
102.利用build nanostructure工具中nanocluster指令，输入所需颗粒直径，建立2:2蒙脱石、伊利石纳米颗粒模型。
103.实施例5
104.对实施例2得到的纳米颗粒模型(纳米颗粒直径为10nm)进行水化模拟，在蒙脱石和伊利石层间添加48个水分子后，计算层间水分子的浓度分布(具体结果见图10，图10中横坐标代表两个层面之间的距离，纵坐标代表水分子分布浓度，从图10中可以看出，沿001面出现两个尖峰，说明水分子沿平行于层面的方向呈两层分布，其他沿101、010面两条曲线平缓，说明水分子沿垂直于层面方向分布均匀，无分层现象。
105.对于实施例2，以模拟的层间距和实际层间距(蒙脱石、伊利石层数比例为1:1的直径为10nm的实际纳米颗粒的层间距)进行比较，结果见表1，两者数值接近，说明本发明建模方法及模型准确度较高。
106.表1层间距数据对比
[0107][0108]
比较例1：
[0109]
非混合周期的单纯蒙脱石组分模型
[0110]
以同实施例2中相同方法建立单蒙脱石组分的纳米颗粒模型。
[0111]
以实施例2模型为例，以非混合周期的单纯蒙脱石组分模型为对比样，对比层间距数据，结果如表2。两者层间距模拟值与测量值均相差不多，表明本建模方法准确度较高，但单组分建模只能研究单组分粘土性质。
[0112]
表2混合周期和非混合周期层间距数据对比
[0113][0114]
比较例2：
[0115]
以同实施例2相同步骤建立模型，区别在于力场分别采用compass ii、dreiding进行计算，以实施例2模型为例，对比层间距数据，结果如下表3所示。
[0116]
表3不同力场计算层间距数据对比
[0117]