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【理论研究与应用技术】蒙脱石水化机理的分子模拟徐加放 1， 付元强 2， 田太行 3， 孙泽宁 1， 刘洪军 1， 孙中富 1（1. 中国石油大学石油工程学院，山东青岛 ；2. 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）徐加放等 . 蒙脱石水化机理的分子模拟 [J]. 钻井液与完井液，2012，29（4）：1-4.摘要 为深入分析泥页岩水化膨胀的微观机理，采用 Materials Studio（简称 MS）软件，以 Na- 蒙脱石为研究 对象，建立了蒙脱石的单晶胞和 4a×2b×1c 的多晶胞模型，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。模拟结果显示，当蒙脱石开始吸附水分子时，水分子主要停留在 Na+ 周围，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- 蒙脱石的层间距和体积随吸附水分子数目的增加而增加， 其密度随吸附水分子数目的增加而降低。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 1.424 9、1.676 4 和 2.052 1 nm。关键词 蒙脱石 ；水化膨胀 ；分子力学 ；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，以量子化学、统计力学为理论基础的一门新兴学科。 它主要包括计算量子化学（计算分子的性质）和分 子模拟（模拟分子聚集体的行为，从而计算分子系 统的宏观性质）。分子模拟取得了引人瞩目的进展， 已成为化学、物理、生物、材料研究的有力工具， 是继实验与理论研究之外，了解、认识微观世界的 “第三种手段”[1]。国外已经对水分子在黏土表面的 吸附特性和黏土层间水的性质开展了初步研究 [2-6]。 笔者利用 Materials Studio（简称 MS）软件建立了 蒙脱石晶体的分子模型，利用分子力学方法研究了Na- 蒙脱石的吸水膨胀性以及层间水分子的特征。的基本单元为硅氧四面体和铝氧八面体。硅氧四面体和铝氧八面体各自在平面上无限延伸，形成硅氧 四面体片和铝氧八面体片。由于单元晶格的大小相 近似，硅氧四面体片与铝氧八面体片很容易叠合在 一起形成统一的结构层，这种结构称为结构单元， 简称晶层。由上述硅氧四面体晶片和铝氧八面体晶 片按一定的方式配置，纵向上重复叠合，就形成不 同的黏土矿物。当泥页岩与外来流体接触时，在水 力梯度和化学势梯度的驱动下，引起水合离子的传 递，包括水力压差与孔隙压力差驱动的达西流及 由外来流体与泥页岩之间的化学势差驱动的离子扩 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黏土矿物基本构造和泥页岩水化机理泥页岩中主要的黏土矿物有高岭石、伊利石、Materials Studio 软件介绍Materials Studio（简称 MS）软件是一个由美国2蒙脱石、绿泥石、混层黏土矿物等。组成黏土矿物基金项目 ：国家高技术研究发展计划（863）项目（2006AA09A106）、山东省自然科学基金（ZR2012EEM020）、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；E-mail ：mailto:xjiafang@upc.edu.cnxjiafang@upc.edu.cn。2Accelry 公司开发，集量子力学、分子力学、介观模型、分析工具模拟和统计相关为一体的、使用简 单的建模环境。该软件是一个模块化的环境，每种 模块提供不同的结构确定、性质预测或模拟方法。 其中心模块是 Materials Visualizer，可以快速地建立 和处理图形模型，包括有机晶体、无机晶体、高聚物、 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 其它文字处理、电子表格和演示软件的数据交换的 功能。3.2 水分子位能模型的选取 软件要求在往某一体系中随机添加外来粒子 时，必须在添加之前对外来粒子进行能量优化，从 而防止粒子崩落。步骤如下 ：①激活 H2O 分子所在 窗口 ；②点击 Calculation ；③进行能量最