高温高压烷烃体系的分子模拟

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钻井平台技术的提升,使从更复杂环境下勘探开采和利用非常规油气资源得以实现,而在工程设计中,油气体系的粘度、密度等物理性质至关重要。然而状态方程方法,无论是常用的三次型方程如PR、SRK,或是基于微观参数的如SAFT之类的统计力学方程,目前研究表明尚不能准确预测高温高压状态下油气体系的密度。想要实现对其密度的预测,还需要通过相关实验数据重新拟合部分模型参数,才能在一定程度上提高在此区域的计算准确度,但同时付出的代价是往往会损失在较低压力下的准确度。  建立在分子间相互作用力之上的分子模拟,能够通过大量数值计算和统计力学原理,最终获得流体的宏观物性。分子模拟绕过了数学难以求解的难题,使得它更加实用和解决更多更复杂的问题,也能比状态方程有更好的预测能力。而其预测的准确度决定于用于描述分子间相互作用力的分子力场。目前构建的力场已经能够计算涵盖从无机金属、分子筛、有机小分子到蛋白质、核酸等十分广泛的体系,但在高温高压的状态下这些力场的表现,文献中鲜有报道。本文采用TraPPE-UA力场,仅包含三种基团的各两个参数,对烷烃体系,包括戊烷的同系物,碳原子数从5至20的正烷烃及部分混合体系,在汽液平衡共存区域以及高温高压区域开展了系统的模拟研究。模拟方法包括蒙特卡洛(Monte Carlo,MC)和分子动力学模拟(Molecular Dynamics,MD)。结果表明,该力场对烷烃体系的液相描述非常准确,在汽液平衡区域与实验值偏差小于1%,在高温高压区域偏差小于3%;在不增加任何可调参数的情况下对于二元混合体系的预测偏差也没有明显增加。而MD模拟的结果表明明显低估了流体在高温高压下的粘度,偏差约30%。
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