1M伊利石對(duì)甲烷吸附的分子模擬.pdf

1、頁巖氣的興起，使得人們?cè)絹碓街匾晫?duì)頁巖氣的成藏估計(jì)。隨著對(duì)頁巖氣吸附機(jī)理認(rèn)識(shí)的不斷深入，很多學(xué)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(chǔ)層中常見的粘土礦物之一，是致密儲(chǔ)層的重要組成部分，由于其晶粒細(xì)小，比表面積大，對(duì)天然氣具有較強(qiáng)的吸附性能，對(duì)油氣的存儲(chǔ)具有重要的作用。在伊利石對(duì)甲烷的吸附研究中，國內(nèi)外學(xué)者主要集中于實(shí)驗(yàn)研究。但是粘土礦物和有機(jī)質(zhì)常常形成有機(jī)復(fù)合體，使得粘土礦物與有機(jī)質(zhì)對(duì)甲烷的吸附上難

2、以區(qū)分。為了更深層次的理解伊利石儲(chǔ)層的吸附性能，以及甲烷在泥頁巖中的擴(kuò)散規(guī)律，本文從微觀的角度模擬伊利石粒子對(duì)甲烷分子的吸附模擬。這對(duì)于頁巖氣盆地的資源估算和儲(chǔ)層評(píng)價(jià)都有一定的現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文運(yùn)用Material Studio6.0(MS)軟件，對(duì)甲烷分子在1M伊利石中的吸附進(jìn)行了模擬。首先，在伊利石的通用分子式的基礎(chǔ)上，建立了伊利石1M-tv與1M-cv多型結(jié)構(gòu)。通過分子力學(xué)方法建立了兩種構(gòu)型的最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行了XRD

3、反演及標(biāo)準(zhǔn)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(duì)1M伊利石研究得出圖譜特征而且與標(biāo)準(zhǔn)卡片也有較好的對(duì)應(yīng)。在此基礎(chǔ)上對(duì)所模擬結(jié)構(gòu)中的d001與d002值進(jìn)行了計(jì)算，在與前人文獻(xiàn)中的理論值和實(shí)驗(yàn)值對(duì)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(shí)際儲(chǔ)層條件下1M多型伊利石對(duì)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(shì)，并且在2～3 k

4、m下吸附量達(dá)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(duì)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(duì)甲烷的吸附。
　　為了進(jìn)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(kuò)散規(guī)律，本文通過分子動(dòng)力學(xué)(MD)方法模擬了甲烷在伊利石中的擴(kuò)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

5、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(qiáng)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(kuò)散系數(shù)，表明2～3 km埋深下，伊利石兩種構(gòu)型對(duì)甲烷的束縛作用較強(qiáng)。此埋深下最適合頁