基于蒙特卡洛法的页岩气吸附特性研究
发布时间：2020-12-25 04:43
页岩气的吸附特性主要依赖于甲烷分子在纳米孔隙中的吸附行为。本文运用巨正则蒙特卡洛法(GCMC)分析甲烷分子在石英、蒙脱石、有机质纳米孔中的吸附行为,研究气体压强、环境温度、孔径对甲烷吸附性能的影响规律。分子模拟结果表明:甲烷分子在有机质纳米孔中的吸附量明显大于在蒙脱石和石英纳米孔中的吸附量。在孔壁附近0.5nm范围内,甲烷分子近似平行于孔壁分布;而在远离孔壁面,甲烷分子的分布比较分散。三种纳米孔中吸附气所占比例在46.56%～82.20%之间。在相同温度和压强下,甲烷吸附量随着孔径的增大而线性增加;在相同温度和孔径下,甲烷吸附量随着压强的增大而增大,二者之间的物理关系可以近似采用幂函数进行描述,甲烷分子的吸附比例随着压强的增大而近似于线性减小;在相同压强和孔径下,甲烷吸附量随着温度的升高而线性降低。
【文章来源】：应用力学学报. 2020年03期 北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
蒙脱石纳米孔构型Fig.1Montmorillonitenanoporestructure
其中黏土矿物的一种重要成分为蒙脱石；而有机质的主要成分为碳、氢、氧元素，由于其分子结构异常复杂，文献中一般采用片层状的石墨烯构型来近似代替。为了体现有机质分子中H、O元素对甲烷分子的作用，本文采用C5H4O2分子构型来近似描述有机质结构。页岩气主要贮存于纳米孔隙中，本文将纳米孔简化为狭缝形的蒙脱石、石英、有机质纳米孔，蒙脱石纳米孔由两层Na0.33Al2[Si4O10](OH)2nH2O分子构成(如图1所示)，石英纳米孔由三层SiO2分子构成(如图2所示)，有机质纳米孔由三层C5H4O2原子构成(如图3所示)。在建模过程中，首先分别利用蒙脱石、石英、有机质的晶胞结构在xy方向上建立4.644nm4.53nm、4.91nm4.91nm、4.28nm4.28nm的超晶胞结构，再分别将三种超晶胞结构沿z方向拓展以构建不同孔径的纳米孔结构。每个晶胞为六面体结构，选取一个顶点，通过该顶点的三条边长分别记为a、b、c，三条边的夹角分别记为、、γ，则a、b、c、、、γ构成一组晶胞参数。蒙脱石的晶胞参数为a=0.523nm、b=0.906nm、c=1.25nm、=γ=90°90°、=99°；石英的晶胞参数为a=b=0.491nm、c=0.540nm、==90°、γ=120°；有机质晶胞参数为a=b=0.357nm、c=0.540nm、==γ=90°。图1蒙脱石纳米孔构型Fig.1Montmorillonitenanoporestructure图2石英纳米孔构型Fig.2Quartznanoporestructure图3有机质纳米孔构型Fig.3Organicmatternanoporestructure模型构建完成后，利用分子动力学方法对蒙脱石、石英、有机质纳
?淄?分子密度在距孔壁不同范围内波动较大。图5(a)石英纳米孔(quartznanopore)图5(b)蒙脱石纳米孔(montmorillonitenanopore)图5(c)有机质纳米孔(organicmatternanopore)图5纳米孔隙中甲烷在孔径方向的密度分布曲线Fig.5Densitydistributioncurveofmethaneintheporewidthdirectioninnanopores根据不同压强下甲烷分子在纳米孔中的密度分布曲线，可以求得吸附态和游离态甲烷分子的吸附量，进而得出甲烷分子的吸附比例(即吸附态甲烷分子数占纳米孔内甲烷分子总数的百分比)。图6给出了石英纳米孔、蒙脱石纳米孔、有机质纳米孔中甲烷吸附比例随压强的变化曲线。由图可知：三种纳米孔中甲烷的吸附比例在46.56%~82.20%之间，并且甲烷的吸附比例都随着压强的增大而近似于线性减小；甲烷在蒙脱石纳米孔中的吸附比例约为在有机质纳米孔中的1.06倍，约为在石英纳米孔中的1.25倍。图6甲烷吸附比例随压强变化的曲线Fig.6Curveofmethaneadsorptionproportionasafunctionofpressure
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨狭缝中异形孔洞内甲烷赋存状态分子动力学模拟[J]. 白永强,杨春梅,张雁,张兆虹,于舒杰,姜振学,闫化彩. 煤炭学报. 2017(05)
[2]甲烷在黏土矿物狭缝孔中吸附的分子模拟研究[J]. 熊健,刘向君,梁利喜. 煤炭学报. 2017(04)
[3]石墨狭缝吸附页岩气的分子模拟[J]. 何映颉,杨洋,张廷山,伍坤宇. 岩性油气藏. 2016(06)
[4]水环境下甲烷在不同润湿性石英表面吸附行为的分子动力学模拟[J]. 焦红岩,董明哲,刘仲伟,靳彦欣,韩旭. 中国石油大学学报(自然科学版). 2014(05)
[5]黏土矿物甲烷吸附性能与微孔隙体积关系[J]. 吉利明,马向贤,夏燕青,邱军利. 天然气地球科学. 2014(02)
[6]石墨狭缝中甲烷吸附的分子动力学模拟[J]. 刘冰,史俊勤,沈跃,张军. 计算物理. 2013(05)
[7]页岩气的赋存形式研究及其石油地质意义[J]. 张雪芬,陆现彩,张林晔,刘庆. 地球科学进展. 2010(06)
本文编号：2936981
【文章来源】：应用力学学报. 2020年03期 北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
蒙脱石纳米孔构型Fig.1Montmorillonitenanoporestructure
其中黏土矿物的一种重要成分为蒙脱石；而有机质的主要成分为碳、氢、氧元素，由于其分子结构异常复杂，文献中一般采用片层状的石墨烯构型来近似代替。为了体现有机质分子中H、O元素对甲烷分子的作用，本文采用C5H4O2分子构型来近似描述有机质结构。页岩气主要贮存于纳米孔隙中，本文将纳米孔简化为狭缝形的蒙脱石、石英、有机质纳米孔，蒙脱石纳米孔由两层Na0.33Al2[Si4O10](OH)2nH2O分子构成(如图1所示)，石英纳米孔由三层SiO2分子构成(如图2所示)，有机质纳米孔由三层C5H4O2原子构成(如图3所示)。在建模过程中，首先分别利用蒙脱石、石英、有机质的晶胞结构在xy方向上建立4.644nm4.53nm、4.91nm4.91nm、4.28nm4.28nm的超晶胞结构，再分别将三种超晶胞结构沿z方向拓展以构建不同孔径的纳米孔结构。每个晶胞为六面体结构，选取一个顶点，通过该顶点的三条边长分别记为a、b、c，三条边的夹角分别记为、、γ，则a、b、c、、、γ构成一组晶胞参数。蒙脱石的晶胞参数为a=0.523nm、b=0.906nm、c=1.25nm、=γ=90°90°、=99°；石英的晶胞参数为a=b=0.491nm、c=0.540nm、==90°、γ=120°；有机质晶胞参数为a=b=0.357nm、c=0.540nm、==γ=90°。图1蒙脱石纳米孔构型Fig.1Montmorillonitenanoporestructure图2石英纳米孔构型Fig.2Quartznanoporestructure图3有机质纳米孔构型Fig.3Organicmatternanoporestructure模型构建完成后，利用分子动力学方法对蒙脱石、石英、有机质纳
?淄?分子密度在距孔壁不同范围内波动较大。图5(a)石英纳米孔(quartznanopore)图5(b)蒙脱石纳米孔(montmorillonitenanopore)图5(c)有机质纳米孔(organicmatternanopore)图5纳米孔隙中甲烷在孔径方向的密度分布曲线Fig.5Densitydistributioncurveofmethaneintheporewidthdirectioninnanopores根据不同压强下甲烷分子在纳米孔中的密度分布曲线，可以求得吸附态和游离态甲烷分子的吸附量，进而得出甲烷分子的吸附比例(即吸附态甲烷分子数占纳米孔内甲烷分子总数的百分比)。图6给出了石英纳米孔、蒙脱石纳米孔、有机质纳米孔中甲烷吸附比例随压强的变化曲线。由图可知：三种纳米孔中甲烷的吸附比例在46.56%~82.20%之间，并且甲烷的吸附比例都随着压强的增大而近似于线性减小；甲烷在蒙脱石纳米孔中的吸附比例约为在有机质纳米孔中的1.06倍，约为在石英纳米孔中的1.25倍。图6甲烷吸附比例随压强变化的曲线Fig.6Curveofmethaneadsorptionproportionasafunctionofpressure
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨狭缝中异形孔洞内甲烷赋存状态分子动力学模拟[J]. 白永强,杨春梅,张雁,张兆虹,于舒杰,姜振学,闫化彩. 煤炭学报. 2017(05)
[2]甲烷在黏土矿物狭缝孔中吸附的分子模拟研究[J]. 熊健,刘向君,梁利喜. 煤炭学报. 2017(04)
[3]石墨狭缝吸附页岩气的分子模拟[J]. 何映颉,杨洋,张廷山,伍坤宇. 岩性油气藏. 2016(06)
[4]水环境下甲烷在不同润湿性石英表面吸附行为的分子动力学模拟[J]. 焦红岩,董明哲,刘仲伟,靳彦欣,韩旭. 中国石油大学学报(自然科学版). 2014(05)
[5]黏土矿物甲烷吸附性能与微孔隙体积关系[J]. 吉利明,马向贤,夏燕青,邱军利. 天然气地球科学. 2014(02)
[6]石墨狭缝中甲烷吸附的分子动力学模拟[J]. 刘冰,史俊勤,沈跃,张军. 计算物理. 2013(05)
[7]页岩气的赋存形式研究及其石油地质意义[J]. 张雪芬,陆现彩,张林晔,刘庆. 地球科学进展. 2010(06)
本文编号：2936981
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