1M伊利石對甲烷吸附的分子模擬 承德人和礦業(yè)
發(fā)布時間：2017/07/26 點擊量：
頁巖氣工業(yè)的興起，使得人們越來越重視對頁巖氣的成藏估計。隨著對頁巖氣吸附機理認識的不斷深入，很多學者開始將頁巖氣的吸附研究集中在粘土礦物上，特別是伊利石上。伊利石作為油氣盆地儲層中常見的粘土礦物之一，是致密儲層的重要組成部分，由于其晶粒細小，比表面積大，對天然氣具有較強的吸附性能，對油氣的存儲具有重要的作用。在伊利石對甲烷的吸附研究中，國內(nèi)外學者主要集中于實驗研究。但是粘土礦物和有機質(zhì)常常形成有機復合體，使得粘土礦物與有機質(zhì)對甲烷的吸附上難以區(qū)分。為了更深層次的理解伊利石儲層的吸附性能，以及甲烷在泥頁巖中的擴散規(guī)律，本文從微觀的角度模擬伊利石粒子對甲烷分子的吸附模擬。這對于頁巖氣盆地的資源估算和儲層評價都有一定的現(xiàn)實意義。本文運用Material Studio6.0(MS)軟件，對甲烷分子在1M伊利石中的吸附進行了模擬。首先，在伊利石的通用分子式的基礎上，建立了伊利石1M-tv與1M-cv多型結(jié)構(gòu)。通過分子力學方法建立了兩種構(gòu)型的最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，并對其進行了XRD反演及標準粉末衍射卡的物相匹配。結(jié)果表明所模擬的XRD圖譜不僅符合前人對1M伊利石研究得出圖譜特征而且與標準卡片也有較好的對應。在此基礎上對所模擬結(jié)構(gòu)中的d001與d002值進行了計算，在與前人文獻中的理論值和實驗值對比后發(fā)現(xiàn)了較好一致性，從而證明了所構(gòu)建結(jié)構(gòu)的合理性。通過蒙特卡洛方法模擬（MC）了實際儲層條件下1M多型伊利石對甲烷的吸附，結(jié)果表明甲烷在1M伊利石中的吸附量均呈現(xiàn)出隨著埋深先增大后減小的趨勢，并且在2~3km下吸附量達到峰值。在1M多型中，tv構(gòu)型與cv構(gòu)型在類質(zhì)同象作用上存在差異，使得二者的吸附量發(fā)生差異。不同埋深下cv構(gòu)型較tv構(gòu)型表現(xiàn)出對甲烷更好的吸附性能。這顯示了貧Fe、Mg富Al的伊利石環(huán)境下更有利于對甲烷的吸附。為了進一步理解甲烷在兩種1M伊利石構(gòu)型中吸附量上的差異及擴散規(guī)律，本文通過分子動力學（MD）方法模擬了甲烷在伊利石中的擴散行為。結(jié)果表明：（1）1M伊利石吸附甲烷后，甲烷均集中在伊利石構(gòu)型的中央和層中央兩翼靠近粘土片層的位置。層間K離子均主要集中在兩種構(gòu)型的層中央，但隨著溫度壓強的變化，tv構(gòu)型中的K離子有小部分發(fā)生了震蕩。（2）甲烷在伊利石中的聚集主要是受到了層間K離子與四面體的粘土片層的物理吸引作用。其中四面體片層是引起甲烷吸附量差異化的原因。（3）通過分析吸附后構(gòu)型中粒子間的徑向分布函數(shù)及層間粒子的自擴散系數(shù)，表明2~3km埋深下，伊利石兩種構(gòu)型對甲烷的束縛作用較強。此埋深下最適合頁巖氣的開采。
