蒙脱石水化机理的分子模拟.pdf

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第29卷第4期
钻井液与完井液
Vol 29 No 4
2012年7月
DRILLING FLUID & COMPLETION FLUID
July 2012
【理论研究与应用技术
蒙脱石水化机理的分子模拟
徐加放",付元强2,田太行3,孙泽宁,刘洪军',孙中富
1.中国石油大学石油工程学院,山东青岛;
中国石化国际石油工程公司叙利亚分公司,北京;3.中国石油渤海钻探国际工程分公司,天津)
徐加放.蒙脱石水化机理的分子模拟叮钻井液与完井液,2012,29(4):1-4.
摘要为深入分析泥颋岩水化膨涨的微观机理,采用 Materials Studio(简称MS)软,以Na-蒙脱石为研究
对象,建立了蒙脱石的单晶胞和4a×2b×1c的多晶胞漠型,并进行了晶格取代,添加Na后建立了Na-蒙脱石晶
体的分子模型。漠拟结果显示,当蒙脱石开始吸附水分子时,水分子主要停留在Na'周圃,形成水合钠离子:当
分别吸附24、64和112个水分子时,分别形成第1层、第2层和第3层饱和水分子层。对Na-蒙脱石水化膨胀的
微观过程进行了分子力学和分子动力学模拟,发现Na-蒙脱石的层阆距和体积隨吸附水分子数旨增加而增加,
其密度随吸附水分子数日的增加而降低。通过晶粉衍射模拟,利用布拉格公式,计算出了Na-蒙脱石形成第1层
第2层和第3层饱和水分子层时的层间距分别为1.4249、1.6764和2.0521m。
关键词蒙脱石;水化膨胀;分子カ学;分子动力学;分子模拟
中图分类号:TE254.4
文献标识码:A
文章编号:1001-5620(2012)04-0001-04
分子模拟与分子建模是以计算机技术为依托,的基本单元为硅氧四面体和铝氧八面体。硅氧四面
以量子化学、统计力学为理论基础的一门新兴学科。体和铝氧八面体各自在平面上无限延伸,形成硅氧
它主要包括计算量子化学(计算分子的性质)和分四面体片和铝氧八面体片。由于单元晶格的大小相
子模拟(模拟分子聚集体的行为,从而计算分子系近似,硅氧四面体片与铝氧八面体片很容易叠合在
统的宏观性质)。分子模拟取得了引人瞩目的进展,一起形成统一的结构层,这种结构称为结构单元,
已成为化学、物理、生物、材料研究的有力工具,简称晶层。由上述硅氧四面体晶片和铝氧八面体晶
是继实验与理论研究之外,了解、认识微观世界的片按一定的方式配置,纵向上重复叠合,就形成不
第三种手段”川。国外已经对水分子在黏土表面的同的貓土矿物。当泥页岩与外来流体接触时,在水
吸附特性和黏土层间水的性质开展了初步研究に?。力梯度和化学势梯度的驱动下,引起水合离子的传
笔者利用 Materials Studio(简称MS)软件建立了递,包括水力压差与孔隙压力差驱动的达西流及
蒙脱石晶体的分子模型,利用分子力学方法研究了由外来流体与泥页岩之间的化学势差驱动的离子扩
Na-蒙脱石的吸水膨胀性以及层间水分子的特征。
散。在这些因素的作用下,泥页岩发生水化,一般
存在表面水化、离子水化和渗透水化3种机理。
1黏土矿物基本构透和泥页岩水化机理
2 Materials Studio软件介绍
泥页岩中主要的黏土矿物有高岭石、伊利石、
蒙脱石、绿泥石、混层黏土矿物等。组成黏土矿物
Materials Studio(简称MS)软件是一个由美国
基金项目:国家高技术研究发展计划(863)项目(2006AA09A106)、山东省自然科学基金(ZR2012EEMO20)、中央
高校基本科研业务费专项资金(10CX05008A)联合资助
第一作者简介:徐加放,副教授,1998年毕业于石油大学(华东)石油工程专业,现在主要从事井壁稳定、钻井液及
油气层保护等方面的教学科研工作。地址:山东省青岛市经济技术开发区长江西路66号;邮政编码266555;电话(0532
86981190;E-mail:xiafang(@upc.edu.cn.
钻井液与完井液
2012年7月
Accelry公司开发,集量子力学、分子力学、介观3.2水分子位能模型的选取
模型、分析工具模拟和统计相关为一体的、使用简
软件要求在往某一体系中随机添加外来粒子
单的建模环境。该软件是一个模块化的环境,每种时,必须在添加之前对外来粒子进行能量优化,从
模块提供不同的结构确定、性质预测或模拟方法
而防止粒子崩落。步骤如下:①激活H2O分子所在
其中心模块是 Materials Visualizer,可以快速地建立.窗口:②点击 Calculation;(3进行能量最小优化,
和处理图形模型,包括有机晶体、无机晶体、高聚物、得到能量优化后的H2O分子构型。
非晶态材料、表面和层状结构等,并同时具有管理、
显示、分析文本、图形和表格格式的数据,支持与
3.3Na-蒙脱石水化过程模拟
其它文字处理、电子表格和演示软件的数据交换的
向Na-蒙脱石体系中添加水分子,过程如下:
功能。
①激活需要添加水分子的Na-蒙脱石体系;2点
击 Calculation;③选择优化以后的水分子,点击
3蒙脱石水化机理模拟
loading,输人添加水分子数;④点击run,运行程序,
3.1蒙脱石分子模型的建立
等待计算机输出结果。见图2(b)。左侧图中层间
的红白三角形为吸附的水分子,右侧图中红点代表
建立蒙脱石分子结构模型的基本过程如下:D水分子在蒙脱石中运动的轨迹。从图中可以清楚地
确定蒙脱石品胞的相关参数,开始手动建模(手动观测到,水分子主要在蒙脱石的层间运动。
建模的优点是可以控制晶格参数);②打开 build>
重复上述操作,分别模拟蒙脱石吸附8、16
Crystals> build crystals,选择对话框中的选项,确24、32、40、48、56、64、72、80、8896个H2O
定所建模型的空间群为12C2/m(即空间群编号为分子的过程,计算层间距并分析蒙脱石体系优化前
12,空间群记号为C2m的单斜晶系);3输人所建后的能量变化。
模型的基本晶胞参数(a,b,C,a,B,y),建立晶胞
当c=1.25nm,可以不断地往Na-蒙脱石体系
单元;④在晶胞单元中,打开buld> Add atoms,中添加8、16、24个HO分子,再继续往其中添加
从对话框中输入坐标;⑤以单位晶胞为基础建立多H,O分子时,出现错误信息,说明此时刚好形成第
晶格,从而建立多晶胞,多晶胞由4ax2b×lc个1层饱和水分子层。模拟结果如图3(a)所示。从
单位晶胞组成,空间群是P1:⑥按照理想蒙脱石结图3(a)中可以看出,24个水分子最终都吸附在
构对铝氧八面体网络和硅氧四面体网络中的A和
Na'周围,形成1层饱和的水分子层。
Si进行晶格取代。晶体模拟应用三维周期性边界
根据X射线的晶粉衍射实验结果,随吸水量的
条件,在空间3个方向无限重复来模拟宏观体系;增加,层间距不断増大,所以通过调节c值,可以
⑦在多晶胞中随机充填6个Na后形成Na-蒙脱石不断地增加层间距的大小,从而不断地加入水分子。
多晶胞。模拟的结构见图1和图2。
调节c=1.55nm,继续往体系中添加水分子,
当添加至72个时,出现错误信息。重复添加72个
水分子3次,软件提示最多能添加64、68、65个。
所以,当c=1.55nm、n=64时,刚好形成2层饱和
水分子