頁巖納米孔隙中氣水吸附與流動的分子模擬.pdf

1、頁巖氣藏具有低孔隙度、低滲透率等特點，頁巖儲層中包含許多納米尺度的干酪根孔隙與粘土孔隙。干酪根孔隙內部生成頁巖氣，而大量粘土孔隙不僅存儲一部分頁巖氣，更是頁巖氣水力壓裂開發(fā)中的流動通道。頁巖地層含有原始殘余水，在壓裂階段則被大量水侵入。因此研究氣水在頁巖納米孔隙中的吸附和流動狀態(tài)對頁巖氣的勘探開發(fā)至關重要。雖然目前已有相關頁巖氣水的實驗，但是由于連續(xù)介質假設在納米尺度存在不足等原因，僅通過實驗仍然無法完全探索氣水在納米孔隙中的吸附與流動

2、規(guī)律。而分子模擬作為一種模擬方法，從分子或原子間的基本作用力著手，能夠通過構建分子或原子級別的模型來探索微觀現(xiàn)象和機理。
　　本文采用分子模擬的方法（分子動力學模擬與蒙特卡洛模擬）研究了甲烷氣體和水在頁巖粘土孔隙中的吸附、共存狀態(tài)以及流動狀態(tài)。這些粘土礦物包括高嶺石、伊利石和蒙脫石等。所關注的孔隙形狀包括平板平板孔、圓柱孔、長方體孔等。所得到的模擬結果與宏觀現(xiàn)象、實驗數(shù)據(jù)進行了對比分析，并提出了納米尺度氣水吸附與流動機理。論文的主

3、要工作及創(chuàng)新如下:
　　(1)首次研究了甲烷氣體在粘土邊面上的吸附并與基面進行了比較。納米孔的表面化學特性是吸附現(xiàn)象中的關鍵因素。頁巖地層中的粘土孔隙具有基底表面和邊緣表面（主要為A&C鏈邊面和B鏈邊面）。盡管粘土顆粒具有不同的面和獨特的表面化學性質，但在粘土邊緣表面上進行甲烷吸附的研究很少。本文首次利用巨正則蒙特卡洛和分子動力學模擬研究了伊利石納米平板孔隙（包含基底面和邊緣表面）對甲烷氣體分子的吸附。模擬結果與已有實驗數(shù)據(jù)相比很

4、接近。模擬結果也顯示。吸附能力按粘土礦物基面＞B鏈邊面＞A&C鏈邊面的順序，但是這些表面之間的吸附能力差異很小，因此在頁巖地層中邊面不可忽略。另外，模擬發(fā)現(xiàn)吸附層具有大約0.9納米的厚度。而孔徑決定了氣體分子之間的相互作用重疊強度，影響該重疊強度的孔徑臨界值約為2納米。甲烷分子在邊面和基面上具有不同的吸附位點。吸附相密度也隨著壓力變化而不同。
　　(2)首次發(fā)現(xiàn)頁巖平板孔隙中存在水橋現(xiàn)象，區(qū)別于宏觀上認為的水膜現(xiàn)象。本文基于分子動

5、力學模擬研究了伊利石平板和圓柱形納米孔中水和甲烷共存狀態(tài)，與頁巖地層中水膜普遍存在的觀點形成鮮明對比的是，模擬觀察到在平板孔隙中存在著水橋，而在圓柱孔會出現(xiàn)水膜。水橋現(xiàn)象會改變甲烷氣體的分布形態(tài)。水膜或水橋的發(fā)生取決于孔隙表面化學性質、孔隙形狀和孔隙大小。通過分析水分子朝向分布和氫鍵網絡，得出由孔隙內原子電荷分布不均產生的電場是引起水橋現(xiàn)象的原因。粘土表面的親水性質傾向于形成水膜，而粘土孔內由粘土表面電荷和可移動的金屬離子引起的強定向電

6、場則易形成水橋。水橋還是水膜則由這兩者的競爭關系決定。
　　(3)研究了高嶺石、伊利石含氣孔隙中水驅氣的動態(tài)過程。發(fā)現(xiàn)水能夠從裂縫中進入到頁巖納米孔隙中，將氣體驅替出來。氣體排出去之后，微納孔隙中的水難以返排出來。從微觀解釋了頁巖氣生產中壓裂液返排率低的時候而產氣量高的現(xiàn)象。
　　(4)使用非平衡分子動力學來模擬研究頁巖納米孔隙內的水和甲烷氣體的混合流動行為。選取高嶺石建立了具有矩形橫截面形狀的孔隙模型，內部孔隙表面由基面和