致密介质纳米孔隙中气水赋存状态及流动模拟研究

摘要

非常规油气资源日益受到关注和重视，逐步成为油气资源的重要补充。这些非常规资源大多赋存于致密介质中，而致密介质中存在着大量纳米孔隙。无论是致密油气的成藏，还是水力压裂的开采过程，水伴随其整个过程。当气或水赋存在纳米孔隙内时，表现出许多不同于宏观体相的特点。目前，实验上已对致密介质内物质的成藏、运移方面已有相当大的突破，但由于实验手段和方法等的限制，仍无法在微观上给出详细的认识。随着计算机科技的迅速发展，全原子分子动力学模拟方法已经成为在分子尺度上理解微观机理的强大工具。 本论文通过全原子分子动力学模拟方法，从分子尺度上研究了气、水在致密介质纳米孔隙内赋存和流动。具体包括水环境下致密介质纳米孔隙气体的吸附、解吸与赋存、致密介质孔隙内水的相变和流动、以及致密介质纳米孔道内水流动及操控。 致密介质纳米孔隙内，在水力压裂的作用下，气体分子是如何与孔隙作用的？本论文模拟了水溶液中，气体分子在纳米孔隙界面上的积聚过程和纳米孔隙内的赋存，并探讨了气体积聚和赋存的机理。研究发现，水溶液中的气体会自发地从水中发生分离，并积聚在纳米孔隙的界面上，最终在界面上形成气层，这个积聚过程与初始状态无关。对于小的孔隙，气体分子会将夹缝中的水分子排出夹缝，最终气体分子占据整个夹缝。随着夹缝距离不同，赋存在夹缝中气体的结构也是不同的，出现了单层、双层和三层气体结构。为了有效地使积聚在界面上的气体发生解吸作用，提升气体的采收率，并考虑现场多场耦合开采中，电场施加具备可行性。笔者对水溶液中积聚在固体界面的气体施加一静电场，发现积聚在水溶液中固体界面上的气体可以从固体界面上发生解吸，这个解吸过程与电场方向有密切关系。当施加垂直于固体界面上的电场分量大于平行固体界面分量时，积聚在固体界面上的气体能完全被解吸。 由于页岩中含有不同的化合物，而不同化合物所含电荷分布不同。本文建立了带有电荷的纳米缝隙和纳米孔道简化模型，不考虑气体分子，模拟研究了壁面上电荷电量对纳米孔隙水分子的相变和输运的影响。对于仅容纳两层水的纳米夹缝，发现随着纳米夹缝界面电荷电量的增加，原本受限在夹缝中的六边形冰I型结构发生融化，后又转变为另一种六边形冰II型结构。对于较大的纳米通道来说，随着纳米通道界面上电荷电量的增加，靠近纳米通道内壁第一层水分子扩散能力发生了明显降低。而第二层及更靠纳米通道中心的水分子，纳米通道界面电荷电量在小于1.0e范围内增加时，扩散系数与第一层类似。但电荷电量在大于1.0e增加时，扩散系数却不减而增。 为了使纳米孔道内水流速更快。笔者外置了变化的电场，研究了纳米通道内水分子的流动。外置电场振荡频率在低频和高频振荡范围，纳米通道内水的流量均比较低，当外置电场振荡频率与纳米通道内水分子氢键的振荡频率相等时，纳米通道内水的净流量达到了最大值，最大净流量可以达到最小净流量的9倍左右，称为电共振现象。另外，本文还研究了振荡电场与静电场对纳米通道内水分子流动的影响，发现纳米通道内水分子净流量与外置振荡电场强度的依赖关系和静电场强度的依赖关系正好相反，这进一步拓展了对纳米通道内水分子输运的调控范围。 总而言之，致密介质纳米孔隙内气水的赋存与流动是一个非常复杂的动力学过程。本论文的研宄工作仅考虑简化的纳米孔隙，对气水部分赋存与流动的微观机理进行了一定的探讨。然而，考虑致密介质真正的物性，分子模拟研究绝不仅限于以上课题。相反，计算机模拟技术的应用给该领域带来了新的机遇，同时也开辟了新的研宄方向，从而开创新的进展。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 致密介质纳米孔隙

1.2.2 致密介质气体的吸附

1.2.3 致密介质纳米孔隙内水分子相变

1.2.4 致密介质纳米孔道内水输运

1.3 研究目标和研究内容

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

1.4 研究方法

1.5 论文结构安排

第二章 分子动力学基本理论

2.1 分子动力学模拟方法简介

2.1.1 分子动力学概述

2.1.2 分子动力学优缺点

2.2 分子动力学的基本理论

2.2.1分子动力学遵循的定律

2.2.2分子动力学模拟流程

2.2.3 模拟的初始化

2.2.4 模拟的边界条件

2.2.5 运动方程的数值求解

2.3 分子动力学的力场

2.3.1 成键相互作用

2.3.2 非成键相互作用

2.3.3 氢键

2.3.4 水分子力场模型

2.4 系综

2.4.1 系综定义

2.4.2 微正则系综

2.4.3 正则系综

2.4.4 巨正则分布

2.4.5 等温等压系综

2.5 热力学量的计算

2.5.1 动能

2.5.2 温度

2.5.3 压强

第三章 水环境下致密介质纳米孔隙内气体的吸附、解吸与赋存

3.1 引言

3.2 模拟方法

3.3 水溶液中固体界面上气体的吸附作用

3.3.1 气体在水-固体界面上的富集过程及相分离

3.3.2 水/固体界面上的气层

3.3.3 小结

3.4 电场诱导水环境下固体界面气体解吸

3.4.1 模型及关键参数

3.4.2 结果与讨论

3.4.3 小结

3.5 水溶液中纳米孔隙内气体的赋存作用

3.5.1 模型及关键参数

3.5.2 模拟结果与分析

3.5.3 小结

3.6 本章小结

第四章 致密介质孔隙内水的相变和流动研究

4.1 引言

4.2 纳米孔隙界面电荷诱导水相变

4.2.1 模型及关键参数

4.2.2 结果与讨论

4.2.3 小结

4.3 纳米孔道界面电荷诱导水的流动

4.3.1模型及关键参数

4.3.2 结果与讨论

4.3.3 小结

4.4 本章小结

第五章 致密介质纳米孔道内水流动及操控

5.1 引言

5.2纳米通道内水输运的电共振现象

5.2.1 模型及关键参数

5.2.2 结果与讨论

5.2.3 小结

5.3纳米孔道内水分子的电操控研究

5.3.1 模型及关键参数

5.3.2 结果与讨论

5.3.3 小结

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢

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