甲烷/二氧化碳在Na-蒙脱石中吸附扩散行为的分子模拟

【摘要】：页岩气是一种重要的非常规天然气资源,甲烷是页岩气最主要的组成成分,常以吸附态、游离态和溶解态等形式赋存于泥页岩中,尤以吸附态为主。如何确定甲烷在泥页岩中的吸附与迁移扩散机理是页岩气资源评价和开采中非常复杂的问题。泥页岩的主要成分为粘土矿物,以蒙脱石、伊利石、高岭石和绿泥石为主,其中蒙脱石因其具有最强的吸附性能,对甲烷的吸附贡献最大,研究蒙脱石吸附甲烷和二氧化碳不仅具有深入的学术价值,更具有主要的现实意义。 本文应用分子力学、蒙特卡洛和分子动力学相结合的方法探讨了甲烷和二氧化碳在不同埋藏深度下Na-蒙脱石中的吸附行为及迁移扩散,对计算结果分析,结果如下： (1)随着水化程度的增加,Na-蒙脱石体积增大、密度减小,Na-蒙脱石稳定构型中层间水分子更加均匀的分布于层间域中、钠离子偏离层中央向类质同象替代位置靠近、硅氧四面体和铝氧八面体由规则多面体变为不规则多面体。 (2)吸附能和吸附量随着埋藏深度的增加先增加后减小,吸附量随着Na-蒙脱石的水化程度的增加先增加后减小,甲烷和二氧化碳在Na-蒙脱石层间发生竞争吸附。 (3)在埋藏深度约为2km时在页岩气藏中二氧化碳置换甲烷效果较为理想,埋藏深度约为4km时置换效果较差。 (4)Na-蒙脱石吸附甲烷构型中甲烷较为对称的分布于层中央两侧；而吸附甲烷/二氧化碳构型中甲烷和二氧化碳分别主要分布于粘土片层中央的两侧。 (5)随着储层埋藏深度的增加,地层温度升高,层间粒子自扩散系数增大。 (6)由于二氧化碳的存在,层间粒子受到层间水的水化作用和粘土片层的吸引力作用减弱,自扩散系数增大,尤其是甲烷和钠离子变化更加明显 (7)在泥页岩储层蒙脱石中利用二氧化碳驱替置换甲烷具有合理性和可行性。 【关键词】：蒙脱石 吸附 页岩气 分子模拟
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P618.13
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 页岩气储层特征11
• 1.3 蒙脱石研究概述11-15
• 1.3.1 概述11-12
• 1.3.2 研究现状12-15
• 1.4 本文研究内容、方法及创新点15-18
• 1.4.1 本文的研究内容15-16
• 1.4.2 本文的研究方法16
• 1.4.3 本文的创新点16-18
• 第二章 分子模拟方法及其模拟软件介绍18-22
• 2.1 分子模拟方法18-20
• 2.1.1 分子力学18
• 2.1.2 蒙特卡洛18-19
• 2.1.3 分子动力学19-20
• 2.2 模拟软件Materials Studio20-22
• 2.2.1 基本环境——MS Visualizer20
• 2.2.2 计算模块20-22
• 第三章 吸附剂、吸附质模型的构建及其构型优化22-30
• 3.1 吸附剂、吸附质模型的构建22-24
• 3.1.1 吸附剂模型的构建22-24
• 3.1.2 吸附质模型的构建24
• 3.2 构型优化24-30
• 3.2.1 力场参数选择24-25
• 3.2.2 位能模型的选取25-26
• 3.2.3 结果分析26-30
• 第四章 甲烷和二氧化碳在Na-蒙脱石中的吸附行为30-36
• 4.1 参数设置30
• 4.2 结果分析30-36
• 4.2.1 吸附能30-32
• 4.2.2 吸附量32-36
• 第五章 甲烷和二氧化碳在Na-蒙脱石中的扩散行为36-72
• 5.1 参数设置36
• 5.2 结果分析36-72
• 5.2.1 层间粒子分布36-49
• 5.2.2 径向分布函数49-66
• 5.2.3 层间粒子自扩散66-72
• 第六章 结论与建议72-74
• 6.1 结论72-73
• 6.2 建议73-74
• 参考文献74-82
• 致谢82-83
• 攻读学位期间发表的学术论文目录83

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