基于分子模拟技术的页岩气吸附能力定量评价

【摘要】：页岩气资源潜力巨大,甲烷是页岩气最主要的组分。页岩气主要以吸附态和游离态赋存,对甲烷吸附能力及其影响因素的研究具有重要的勘探开发意义。为了对超临界态甲烷在页岩纳米孔隙中的吸附分布特点进行定量评价,本论文以修武盆地王音铺组—观音堂组页岩为例,结合分子动力学及蒙特卡洛等方法,建立了包含相对凝聚度(过量吸附量占比和真实凝聚峰值)、扩散系数、饱和吸附量以及等量吸附热四项评价参数的分子模拟评价模型。构建符合地下地质条件的6nm圆柱形孔隙全原子模型,基于Polanyi吸附势理论对不同基质、埋深和含水饱和度下甲烷分子在页岩纳米孔隙中的分布特征和吸附机理进行了探索并模拟得到了吸附气赋存的临界孔径。修武盆地王音铺组—观音堂组页岩的矿物组分以石英和黏土矿物为主,有机碳丰度平均达7.45%,类型以Ⅰ型干酪根为主,平均孔隙度1.17%,平均孔径5.92nm,平均饱和吸附量为2.38g/cm~3。甲烷分子在不同页岩基质中的吸附能力有显著差异:Ⅰ型干酪根蒙脱石绿泥石伊利石石英。Ⅰ型干酪根为高密度厚层吸附(7.75?);各黏土矿物由于分子间斥力均为多层低密度窄层吸附(4.22~4.92?),吸附能力与壁面氧原子比重成正比,与单层吸附厚度成反比;石英不存在明显的吸附势。随着埋深增加吸附作用受到抑制,当深度在3000~3500m左右时,各类矿物均存在吸附能力的局部范围低值。含水饱和度对甲烷分子在页岩中的吸附能力有显著影响:在相同含气性条件下,低含水饱和度时水分子由于氢键和分子极性优先被孔壁吸附;高含水饱和度时由于过高的分子密度孔壁的吸附作用减弱。在高含气量条件下页岩圆柱孔隙存在临界孔径,孔径较大时存在吸附层,孔径较小时孔壁吸附势被对侧孔壁抵消,甲烷分子克服剩余吸附势从而全部以游离态赋存,Ⅰ型干酪根的临界孔径为2.0nm,蒙脱石为2.0nm,绿泥石为1.0nm,伊利石为5.0nm。