页岩气吸附的分子模拟及实验研究 ——以鄂尔多斯盆地X页岩气藏为例

作     者：孟伟杰 

作者单位：西南石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭平

授予年度：2016年

学科分类：081803[工学-地质工程] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 

主      题：页岩气 吸附 分子模拟 蒙特卡罗方法 密度泛函理论 

摘      要：页岩气是一种重要的非常规天然气资源,在我国有着丰富的储量,在能源状况日益紧张的情况下,其成功开发对保障国家能源安全具有重要战略意义。由于页岩气藏特殊的赋存形式,使得页岩气吸附机理的研究显得尤为重要,而目前页岩气吸附的相关研究多停留在宏观水平上,对微观机理解释能力有限,尤其是针对气体分子与页岩有机质表面的相互作用机制还未见到相关研究成果。并且我国页岩气勘探开发尚处于探索起步阶段,页岩气微观吸附机理有待于深入研究。本文的研究受到了国家自然科学基金青年科学基金项目“基于密度泛函理论研究页岩气藏气固吸附微观机理的资助。为此,本文在鄂尔多斯盆地x页岩气藏储层特征分析和吸附实验测试的基础之上应用巨正则蒙特卡罗方法模拟纯组分甲烷、二氧化碳、氮气以及甲烷与二氧化碳的混合组分在干酪根孔隙和伊利石孔隙中的吸附,分析压力、温度、含水、竞争吸附等因素对吸附的影响,并采用基于密度泛函理论的第一性原理方法分析有机质中的主要官能团和吸附位对甲烷吸附的影响,从宏观和微观两个方面研究了页岩气的吸附规律及微观吸附机理。实验测试结果显示：研究区页岩储层的矿物组成主要为粘土矿物和石英,粘土矿物中伊利石含量最高,孔隙半径分布在1-3nm之间,页岩的比表面积和孔体积主要由微孔和中孔贡献;有机碳含量、温度、压力以及含水都能显著影响页岩样品中甲烷的吸附量,在相同条件下,甲烷吸附量随着压力和有机质含量的增加而增加,随着温度的升高而减少,页岩含水使得甲烷吸附量降低,并且在同一页岩样品中二氧化碳的吸附量最高,其次是甲烷,氮气最小;蒙特卡罗模拟结果表明：不同温度、压力、含水条件下,甲烷在干酪根和伊利石孔隙中的吸附规律与实验测试结果一致,在竞争吸附时,二氧化碳的存在降低了甲烷的吸附量,二氧化碳的平衡分离系数受压力影响较大,其在低压区域会出现一个峰值,然后随着压力的升高而降低,达到一定压力时趋于定值,并且相同条件下,干酪根孔隙中的二氧化碳平衡分离系数大于伊利石孔隙中的二氧化碳平衡分离系数;密度泛函理论研究结果表明：有机质干酪根中的含O、N元素官能团增强了有机质吸附甲烷的能力,甲烷在同一干酪根片段表面吸附位置并不固定,容易发生移动。