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(nèi)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?xì)堄嗨?，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(guān)重要。雖然目前已有相關(guān)頁巖氣水的實驗，但是由于連續(xù)介質(zhì)假設(shè)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(gòu)建分子或原子級別的模型來探索微觀現(xiàn)象和機(jī)理。
　　本文采用分子模擬的方法（分子動力學(xué)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(guān)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(jié)果與宏觀現(xiàn)象、實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，并提出了納米尺度氣水吸附與流動機(jī)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(jìn)行了比較。納米孔的表面化學(xué)特性是吸附現(xiàn)象中的關(guān)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(xué)性質(zhì)，但在粘土邊緣表面上進(jìn)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(xué)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(jié)果與已有實驗數(shù)據(jù)相比很

4、接近。模擬結(jié)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?jīng)Q定了氣體分子之間的相互作用重疊強(qiáng)度，影響該重疊強(qiáng)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(rèn)為的水膜現(xiàn)象。本文基于分子動

5、力學(xué)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(xué)性質(zhì)、孔隙形狀和孔隙大小。通過分析水分子朝向分布和氫鍵網(wǎng)絡(luò)，得出由孔隙內(nèi)原子電荷分布不均產(chǎn)生的電場是引起水橋現(xiàn)象的原因。粘土表面的親水性質(zhì)傾向于形成水膜，而粘土孔內(nèi)由粘土表面電荷和可移動的金屬離子引起的強(qiáng)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(guān)系決定。
　　(3)研究了高嶺石、伊利石含氣孔隙中水驅(qū)氣的動態(tài)過程。發(fā)現(xiàn)水能夠從裂縫中進(jìn)入到頁巖納米孔隙中，將氣體驅(qū)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(chǎn)中壓裂液返排率低的時候而產(chǎn)氣量高的現(xiàn)象。
　　(4)使用非平衡分子動力學(xué)來模擬研究頁巖納米孔隙內(nèi)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(nèi)部孔隙表面由基面和