页岩气吸附扩散性能的实验研究及分子模拟

论文摘要

我国页岩气资源丰富,页岩气开发对于改善能源结构,保障我国能源安全具有十分重要的意义。为深入解释页岩气的赋存和运移机理,丰富页岩气勘探与开发理论,本文以四川盆地龙马溪组页岩气藏为研究对象,通过实验研究,得到了研究区页岩样本的矿物组分、孔隙结构及等温吸附曲线,并优选出研究区页岩的吸附模型;在此基础上,构建了页岩的有机质骨架、无机矿物骨架以及两者的混合组分骨架模型;采用巨正则蒙特卡洛方法和分子动力学方法,模拟了纳米尺度下甲烷在页岩孔隙中的微观赋存及运移过程,分析了温度、孔径大小以及气体组分对页岩气吸附扩散的影响规律。论文的主要结论如下:（1）龙马溪组页岩样品平均有机质含量大于2%,脆性矿物含量高于80%,有利于天然裂缝的发展和诱导裂缝的发育,符合进行经济性开采的基本要求。孔隙类型主要为狭缝型和圆柱型开放性孔隙;孔隙以微孔和中孔为主,孔径集中分布在1～4nm之间。（2）等温吸附实验表明,页岩的绝对吸附量随压力增加先快速上升而后上升速度变缓,最后趋于饱和。在相同的温压条件下,不同气体的吸附量排序为:二氧化碳>甲烷>氮气。龙马溪组页岩气的吸附符合Ⅰ型等温吸附曲线特点。吸附模型拟合效果的综合排序是:Langmuir-Freundlich 模型、Toth 模型、Langmuir 模型、Freundlich 模型。（3）通过分子模拟发现,甲烷的吸附量随压力的增大先快速增大而后趋于平缓;不同骨架中绝对吸附量大小为混合骨架>有机质>无机矿物。孔径越大,甲烷吸附量越大;随着温度的升高,甲烷的吸附能力降低;甲烷在页岩孔隙中的吸附属于物理吸附,甲烷在纳米孔隙中吸附的作用力主要为范德华力,计算得到的甲烷分子的吸附热小于42 kJ/mol,且随孔径增大而降低;受到孔隙壁面势能作用的影响,甲烷分子在靠近壁面处聚集形成吸附层,在远离壁面区域,受壁面势能作用较小的甲烷分子则分散于孔中。（4）甲烷在页岩孔隙表面的扩散系数随压力的增加而逐渐减小,最后趋于稳定。甲烷的扩散系数与压力呈对数关系。（5）在页岩孔隙中注入二氧化碳后,混合气体中甲烷的吸附量远低于同等条件下纯组分甲烷的吸附量,说明二氧化碳置换效果良好;另一方面,混合气体中二氧化碳吸附量和纯组分二氧化碳吸附量相比仅是略有下降,说明开采后期持续注入二氧化碳不会对已储存在孔隙中的二氧化碳产生较大的影响,即二氧化碳依旧能良好的赋存于储层孔隙中。因此,注入二氧化碳既能有效地驱替页岩气,又可实现二氧化碳地质封存的目的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究目的与意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 页岩储层特征
•     1.2.2 页岩气吸附
•     1.2.3 页岩气扩散
•   1.3 分子模拟理论基础
•     1.3.1 分子模拟概述
•     1.3.2 其他相关概念
•     1.3.3 模拟软件
•   1.4 研究内容及技术路线
•     1.4.1 主要研究内容
•     1.4.2 技术路线
• 第2章 研究区页岩储层特征
•   2.1 矿物组分
•     2.1.1 X射线衍射
•     2.1.2 有机碳含量测试
•   2.2 孔隙结构
•     2.2.1 扫描电镜实验
•     2.2.2 低温氮气吸脱附实验
•   2.3 储层温度和压力
•   2.4 与美国页岩主要特征的对比
•   2.5 本章小结
• 第3章 研究区页岩吸附实验
•   3.1 实验方法及过程
•     3.1.1 实验方法
•     3.1.2 实验过程
•   3.2 实验结果分析
•     3.2.1 温度和压力与页岩气吸附量的关系
•     3.2.2 不同气体对页岩吸附能力的影响
•   3.3 研究区页岩吸附模型优选
•     3.3.1 常见单组分吸附模型
•     3.3.2 模型评价
•     3.3.3 单组分吸附模型拟合
•   3.4 本章小结
• 第4章 气体在有机质中的吸附扩散模拟
•   4.1 模型建立
•   4.2 参数设置
•     4.2.1 逸度计算
•     4.2.2 模拟方案
•   4.3 单组分气体吸附
•     4.3.1 吸附量
•     4.3.2 吸附热
•   4.4 单组分气体扩散
•     4.4.1 扩散系数
•     4.4.2 密度分布
•   4.5 竞争吸附
•     4.5.1 吸附量
•     4.5.2 吸附热
•     4.5.3 吸附效果对比
•   4.6 本章小结
• 第5章 气体在无机矿物中的吸附扩散模拟
•   5.1 模型建立
•   5.2 参数设置
•   5.3 单组分气体吸附模拟
•     5.3.1 吸附量
•     5.3.2 吸附热
•   5.4 单组分气体扩散模拟
•     5.4.1 扩散系数
•     5.4.2 密度分布
•   5.5 竞争吸附
•     5.5.1 吸附量
•     5.5.2 吸附热
•     5.5.3 吸附效果对比
•   5.6 本章小结
• 第6章 混合组分骨架模型吸附扩散模拟
•   6.1 模型建立
•   6.2 参数设置
•   6.3 气体的吸附模拟
•     6.3.1 吸附量
•     6.3.2 吸附热
•   6.4 气体的扩散模拟
•     6.4.1 扩散系数
•     6.4.2 径向分布
•   6.5 本章小结
• 第7章 结论及展望
•   7.1 结论
•   7.2 本文主要创新点
•   7.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张静

导师: 裴桂红

关键词: 页岩气,吸附,扩散,蒙特卡洛,分子动力学

来源: 西南石油大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,石油天然气工业

单位: 西南石油大学

基金: 国家重大专项“十三五”项目37课题1—页岩气渗流规律与气藏工程(2017ZX05037-001),年限:2017.9~至今

分类号: P618.13

DOI: 10.27420/d.cnki.gxsyc.2019.000214

总页数: 86

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