含水量对干酪根中多组分气体吸附和扩散的影响:分子模拟研究

应用Materials Studio(MS)软件构建了3种不同含水量(水分子质量分数0％、3％、5％)的干酪根模型,基于巨正则蒙特卡洛(GCMC)和分子动力学(MD)方法对不同含水量干酪根模型中多组分气体(CH4、CO2和N2)竞争吸附、扩散规律以及吸附体系的总能量变化进行了研究.结果表明:随着干酪根中含水量的增加,纳米孔隙中水分子毛细凝聚效应增强,多组分气体在干酪根中的吸附量及扩散系数均降低.当吸附体系中吸附质分子数增加时,体系释放的能量逐渐增大而总能量减小,增加含水量会抑制体系总能量减小.升高温度会抑制多组分气体的吸附而促进多组分气体的扩散,反之增大压力能够促进多组分气体的吸附而抑制其扩散.由于气体吸附数量与分子动力学直径成反比,在竞争吸附中,CO2的存在会大幅降低干酪根对CH4和N2的吸附.同温同压下,CH4、CO2和N2在含水干酪根中的吸附量以及平均等量吸附热大小关系均为CO2>CH4>N2,而扩散系数大小关系为CO2CH4>N2.研究从微观角度揭示了多相(气相和液相)、多组分气体(CH4、CO2和N2)在页岩干酪根中的竞争吸附和扩散特性,其结论可为页岩气的高效开采提供一定的理论依据.