基于分子模拟的页岩多矿物成分岩心骨架模型建立方法

技术领域

本发明涉及油气田开发领域，具体涉及一种基于分子模拟的页岩多矿物成分岩心骨架模型建立方法。

背景技术

页岩储层矿物成分较为复杂，由多种混合矿物组成，这些矿物在沉积后，进入压实和胶结作用阶段。在上覆岩层压力、沉积层之间作用力和构造应力作用下，产生的一系列物理化学变化改变了储层物性，犹以压实作用和胶结作用对储层改造作用最大，即成岩过程中压实作用和胶结作用是最重要的成岩作用类型(王钊等，压实作用和胶结作用对鄂尔多斯长_8储层的影响[J].西南石油大学学报(自然科学版)，2018，40(06):56-68)，故不同矿物之间的连接方式更多以物理胶结存在。因此可以采用多种矿物进行物理组合，以还原原始页岩储层矿物骨架模型。

分子模拟已被广泛应用于石油领域，如今已成为页岩矿物表面吸附模拟的有效手段。目前国内外学者对页岩矿物的吸附模拟多停留在单一矿物模型的研究上(黄亮等，深层页岩伊利石中甲烷吸附特征分子模拟[J].中南大学学报(自然科学版),2022,53(09):3522-3531)，如蒙脱石、伊利石、石英等，而忽略了真实页岩中其他次要矿物的存在，这些次要组分分布在页岩矿物骨架中，不仅会影响储层的孔隙度和渗透率，还会影响储层的孔隙网络结构和力学性质，真实页岩的矿物组成应该是多种矿物组成的结合体，因此仅使用单一矿物进行模拟计算，无法反应非均质页岩储层条件下的各种页岩油气的状态，为表征储层条件下页岩矿物的真实物理和化学性质，不能忽略结构中次要成分的存在。

目前亟需一种基于分子模拟的多矿物成分岩心骨架模型建立方法，直接准确地预测原始地层条件下的页岩油气吸附量，更加可靠地表征页岩油气吸附的微观机理，解决单一矿物分子模拟的缺陷和不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于分子模拟的页岩多矿物成分岩心骨架模型建立方法，该方法原理可靠，操作简便，建立的模型能准确计算出真实地层条件下的页岩油气吸附量，从而研究页岩油气吸附的规律和微观机制，为后续页岩油气的勘探开发提供理论基础。

为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

基于分子模拟的页岩多矿物成分岩心骨架模型建立方法，依次包括以下步骤：

(1)提取地层页岩样品，通过X-射线衍射实验获取矿物成分种类信息，计算各矿物成分的百分含量(SY/T 5163-2010，沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法)，通过提取X射线衍射谱图中矿物晶体信息，得到各矿物晶胞信息；

(2)根据各矿物晶胞信息，输入对应的晶胞参数，分别构建各矿物原晶胞单元模型；

(3)对各矿物原晶胞单元模型进行切面，切出其最易暴露在外的面，作为复合矿物模型的最小单元；

(4)根据各矿物成分的百分含量计算各矿物的质量最小整数比，再除以各矿物晶胞的摩尔质量，得到页岩样品中各矿物分子最小整数比，根据所需建立的复合矿物模型的大小，将最小整数比乘以相应的系数，得到建立该模型所需的各矿物分子个数；

(5)使用分子模拟软件Materials Studio的Amorphous Cell Calculation板块，参照步骤(4)得到的各矿物分子个数，将步骤(3)得到的各矿物原晶胞单元切面模型进行随机吸附填充，形成不同矿物晶胞组成的复合矿物模型；

(6)对复合矿物模型进行结构优化，直到该模型的总能量达到最小的收敛值，得到页岩多矿物成分岩心骨架模型。

进一步地，所述步骤(1)包括以下内容：

S1、将页岩样品洗净、烘干、研磨至粉末；

S2、将样品粉末置于样品载片凹槽，使样品被测量面保持粗糙，与样品载片的表面保持平整均匀；

S3、获取X射线衍射谱图，采用分析软件或人工选择基线点划定基线；

S4、计算X衍射峰强度，X衍射峰强度采用扣除背底后的积分强度，根据样品的X射线衍射谱图读取相关数据，再与矿物的标准X射线衍射数据对比，确定矿物成分的种类；

S5、提取X射线衍射谱图中矿物晶体信息，得到页岩样品中各矿物晶胞信息；

S6、对X射线衍射谱图进行分峰与拟合处理，计算各种黏土矿物以及非黏土矿物的质量百分含量。

进一步地，所述步骤(2)分别构建各矿物原晶胞单元模型，石英采用α-quartz晶胞模型，伊利石采用转化过程末期的伊利石类型，蒙脱石和白云石晶胞模型均来自于美国矿物学家晶体结构数据库。

进一步地，所述步骤(3)对各矿物原晶胞单元模型进行切面，切出其最易暴露在外的面作为复合矿物模型的最小单元，石英矿物晶胞切取(1 0 0)面，伊利石晶胞切取(0 01)面，蒙脱石晶胞切取(0 0 -1)面，白云石晶胞切取(1 0 4)面。

进一步地，所述步骤(6)是指运用分子模拟软件Materials Studio中Forcite模块的Geometry Optimization任务对复合矿物模型进行结构优化，使其处于能量最低化。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明采用多种矿物晶胞构建的混合模型，避免使用单一矿物模型计算得出的吸附量与实验值差距过大的问题；

(2)本发明使用X射线衍射实验分析矿物组成，构建出相同成分的矿物模型，更真实有效地表征真实页岩矿物组成成分、含量和结构；

(3)本发明采用Materials Studio的AC板块进行矿物的随机填充，以避免单一矿物局部堆积造成的润湿性不均匀的情况；

(4)本发明构建的页岩多矿物成分岩心骨架模型，为后续采用分子动力学研究微纳米孔油气吸附运移规律提供了理论基础。

由于本发明对建模过程中的关键步骤进行了改善和创新，通过本发明建立的模型，能够直接准确地预测真实地层条件下的页岩气吸附量，从而探究页岩气吸附变化的微观机理。

附图说明

图1为页岩中石英的扫描电镜图像(a)和能谱图(b)。

图2为页岩储层各矿物相对含量。

图3为各矿物X射线衍射图谱示意图：

(a)蒙脱石，(b)白云石，(c)钾长石，(d)伊利石。

图4为各矿物初始晶胞图：

(a)石英，(b)伊利石，(c)蒙脱石，(d)白云石。

图5为各矿物晶胞切面图：

(a)石英100面，(b)伊利石001面，(c)蒙脱石00-1面，(d)白云石104面。

图6为页岩多矿物成分岩心骨架模型的初始模型。

图7为结构优化过程中的总能量变化图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此，在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换、变更和任意组合等，均应包含在本发明的保护范围内。

二氧化硅、伊利石、白云石、蒙脱石作为致密页岩的主要成分，本发明将这四种矿物作为页岩多矿物成分岩心骨架模型建立的基础单元。

实施例

一种基于分子模拟的页岩多矿物成分岩心骨架模型建立方法，依次包括以下步骤：

(1)提取实验所需的页岩矿物，页岩矿物以沙三下亚段12-13沙组页岩为例，其矿物组成成分主要以黏土矿物和石英等脆性矿物为主，其中黏土矿物以蒙脱石和伊利石为主。通过X-射线衍射实验获取致密页岩中矿物成分种类信息，测得所述矿物成分中占比较多的分别为石英(图1)、蒙脱石、伊利石、白云石，详细质量分数占比信息如图2所示。

S1、洗净岩样并低于60℃烘干，冷却后研磨至全部颗粒小于40μm或手指搓捏无颗粒感；

S2、将样品粉末置于样品载片的凹槽中，使样品被测量面保持粗糙，与样品载片的表面保持平整均匀，避免晶体粉末择优取向；

S3、获取样品的X射线衍射谱图，观测其中的衍射峰强度、衍射峰型以及d值，根据各型X射线衍射仪的特性和样品的特点，采用分析软件或人工选择基线点划定基线；

S4、计算X衍射峰强度，X衍射峰强度采用扣除背底后的积分强度，根据样品的X射线衍射谱图读取相关数据，再与矿物的标准X射线衍射数据对比，确定矿物成分种类。蒙脱石、白云石、钾长石、伊利石X射线衍射图谱如图3所示；

S5、提取X射线衍射谱图中矿物晶体信息，分别得到石英、伊利石、蒙脱石、白云石的晶胞信息，并得到岩石样品中每种粘土矿物的密度信息、衍射角、面间距d值、测量的峰强度、对应的物相和晶面指数，同时列出了标准卡片上的衍射角、标准衍射角与测量值之间的差值；

S6、确定样品中各矿物成分的种类后，对衍射谱图进行分峰与拟合处理，通过每种物相的含量，结合每种粘土矿物测量的峰强度比例，用公式(1)计算出各种黏土矿物以及非黏土矿物的含量：

式中X

I

K

(2)分别构建步骤1所测各矿物晶胞单元模型，根据材料的特性，输入对应的晶胞参数，进行非均质页岩分子模型构建，石英采用α-quartz晶胞模型，如图4(a)所示，其晶格参数为：a＝b＝0.491nm，c＝0.54nm，α＝β＝90°，γ＝120°；伊利石采用转化过程末期的伊利石类型，如图4(b)所示，其晶格参数为：a＝0.522nm，b＝0.9nm，c＝1.032nm，α＝90.26°，β＝103.05°，γ＝89.97°；蒙脱石和白云石晶胞模型均来自于美国矿物学家晶体结构数据库(AMCSD)，分别如图4(c)、4(d)所示，蒙脱石晶格参数为：a＝0.518nm，b＝0.898nm，c＝1.5nm，α＝β＝γ＝90°；白云石晶格参数为：a＝b＝0.488nm，c＝1.63nm，α＝β＝90°，γ＝120°。

(3)对各矿物原晶胞单元模型进行切面，切出其最易暴露在外的面作为合成复合模型的最小单元。石英矿物晶胞切取(1 0 0)面，切得晶胞所剩原子个数为O原子6个、Si原子4个，所得晶胞摩尔质量为208g/mol；伊利石晶胞切取(0 0 1)面，切得晶胞所剩原子个数为Si原子4个、O原子12个、Al原子2个、K原子1个，所得晶胞摩尔质量为451g/mol；蒙脱石晶胞切取(0 0 -1)面，切得晶胞所剩原子个数为Ca原子3个、O原子16个、Si原子8个、Al原子4个，所得晶胞摩尔质量为708g/mol；白云石晶胞切取(1 0 4)面，切得晶胞所剩原子个数为Ca原子4个、O原子9个、C原子3个、Mg原子2个，所得晶胞摩尔质量为388g/mol；切得单元模型如图5所示。

(4)通过各矿物百分含量，计算出各矿物分子质量最小整数比为石英:伊利石:蒙脱石:白云石＝20:13:10:5，将其除以对应晶胞摩尔质量，得到各矿物分子个数最小整数比为石英:伊利石:蒙脱石:白云石＝96:29:14:13。随后使用MS的AC板块，输入对应矿物的吸附个数，计算出岩心骨架模型大小，本实施例的岩心骨架模型大小为

(5)选择步骤(3)所建立的石英、伊利石、蒙脱石、白云石单元模型，通过MS的AC板块进行复合模型的构建。按照步骤(4)计算的各矿物分子数：石英为96个，伊利石为29个，蒙脱石为14个，白云石为13个，使其成分与步骤1所测得的矿物组成比例完全相同，最后得到不同矿物晶胞组成的复合矿物模型，如图6所示。

(6)运用MS中Forcite模块内的Geometry Optimization任务对复合矿物模型进行结构优化(如图7所示)，使其处于能量最低化，得到页岩多矿物成分岩心骨架模型，从而保证后续的计算结果更加精确。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术方法对以上实施例作出任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。