页岩气吸附解吸扩散的分子模拟研究

摘要

自然界中油页岩资源储量丰富，页岩气藏以富有机质页岩为气源岩，不间断产气、持续聚集而形成的一种连续型天然气藏。页岩基质主要成分为黏土矿物和干酪根，两者对于甲烷与二氧化碳的吸附扩散机理还有待继续完善，本论文建立了粘土矿物和干酪根模型，通过蒙脱卡罗方法和分子动力学方法讨论了甲烷、二氧化碳以及水分子等在其中的吸附和扩散特性。 本文首先建立了非受限空间甲烷/二氧化碳扩散模型，探讨仅存在气体分子相互间的作用力时，甲烷与二氧化碳的扩散特性，并与页岩基质中甲烷、二氧化碳的扩散进行对比。结果表明：甲烷的扩散强于二氧化碳；二氧化碳与甲烷混合时，甲烷扩散减弱，二氧化碳扩散增强；两者扩散系数均随温度增加而增加，随压力增大先减小后趋于稳定。 其次，建立了粘土矿物蒙脱石模型，分析甲烷在蒙脱石中的吸附扩散特性。发现二氧化碳在蒙脱石中的吸附性强于甲烷；当含有二氧化碳时，甲烷的吸附量减少，扩散增强；含有水分子时，二氧化碳的吸附扩散均减小，甲烷的最大吸附量和扩散系数出现在埋存深度为3-4km处。 最后，建立了kerogenⅡ-A和kerogenⅡ-D模型，分析甲烷在干酪根中吸附扩散特性。同样，二氧化碳的存在抑制了甲烷的吸附，促进了甲烷的扩散。kerogen II-A中甲烷的吸附量大于kerogenⅡ-D，扩散系数则小于kerogenⅡ-D，说明含碳量越高，有机成熟度越高，吸附量越大。 通过对比分析，发现页岩基质与甲烷/二氧化碳之间作用力强于流体分子之间的相互作用力，成为主要作用力，并对甲烷/二氧化碳吸附扩散有重要影响。蒙脱石中吸附量和扩散系数略微大于干酪根中甲烷的吸附量和扩散系数。两者中甲烷的吸附扩散最大值出现在埋存深度为3~4km处。

目录

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2页岩气吸附扩散的研究现状

1.2.1页岩基质中甲烷吸附扩散的实验研究

1.2.2页岩基质中甲烷扩散的分子模拟研究

1.3本论文主要研究内容

第二章 分子模拟方法与模型

2.1分子模拟方法介绍

2.1.1蒙脱卡罗方法

2.1.2分子动力学方法

2.2页岩基质模型

2.2.1粘土矿物模型

2.2.2干酪根模型

2.3页岩气吸附扩散评判标准的确立

2.3.1吸附热

2.3.2吸附等温线及吸附量

2.3.3径向分布函数

2.3.4均方位移

2.4本章小结

第三章 非受限空间中CH4/CO2的扩散特性

3.1 引言

3.2计算模型与方法

3.2.1模拟体系

3.2.2模拟条件的设定

3.2.3模拟方法

3.3计算结果与讨论

3.3.1非受限空间中气体扩散系数

3.3.2非受限空间中气体径向分布函数

3.4 本章小结

第四章 粘土矿物中甲烷的吸附扩散特性

4.1 引言

4.2计算模型与方法

4.2.1模拟体系

4.2.2模拟条件的设定

4.2.3模拟方法

4.3计算结果与讨论

4.3.1单组份甲烷吸附扩散分析

4.3.2二氧化碳对甲烷吸附扩散的影响

4.3.3水化对甲烷吸附扩散的影响

4.4 本章小结

第五章 干酪根中甲烷的吸附扩散特性

5.1 引言

5.2模拟体系与模拟方法

5.2.1模拟体系

5.2.2模拟条件的设定

5.2.3模拟方法

5.3计算结果与讨论

5.3.1吸附热及吸附能

5.3.2吸附等温线及吸附量

5.3.3径向分布函数

5.3.4扩散系数

5.4 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢