约束和储层压力对干酪根吸附气体的影响

关键词：干酪根、页岩、分子动力学、蒙特卡洛、吸附等温线、MedeA LAMMPS

1. 研究背景

由于吸附选择性，页岩中超过一半的碳氢化合物被吸附到有机物中。吸附相的组成与自由气体的组成不同，通常吸附相比等效自由相含有更多的化合物。这些丰富的化合物在能源的开采中更有利用价值。准确预测吸附相组成以及数量对于评估页岩的增益能力和油田产量至关重要。本文作者利用吸附等温线研究多组分吸附作用，以预测超临界和亚临界混合物在气态和液态下的吸附程度。在这类材料中，约束和储层压力的影响有着重要意义。为此，一个统一的多组分吸附模型被开发出来，以预测页岩中可能遇到的不同类型的流体。

2. 建模与计算方法

作者首先用MedeA中的Amorphous Materials Builder模块创建干酪根混合物的无定形模型。随后在MedeA LAMMPS中对体系做充分的NVT预平衡模拟，得到干酪根混合物的平衡结构。最后用GIBBS模块基于蒙特卡洛理论计算了的不同储层条件下(储层压力)干酪根对甲烷和乙烷等气体分子的吸附数。

图1 干酪根混合物以及小分子气体的吸附模型

3. 结果与讨论

3.1 不同纳米团簇的摩擦性能

如图2所示，对于这些体系，吸附可以看作是具有分散吸附位点的流体颗粒之间的相互作用，因此无需考虑被吸附颗粒之间的相互作用，甲烷和乙烷的单层容量随孔隙大小的减小而不同。

图2 孔隙半径为4.3A的干酪根结构中吸收量的比较；(a)为甲烷的吸附量；(b)为乙烷的吸附量

图3是纯化合物吸附的等温线，这里的吸附量对应于狭缝孔内分子的总数(绝对数量)。 由于不同的Lennard Jones参数，两种物质表现出不同的吸附行为。根据IUPAC的分类，物种1为V型吸附等温线由于流体与吸附剂的亲和力较弱，因此单层的形成相对于多层的形成是不利的。物种2表现为IV型吸附等温线，吸附流体与吸附剂表面具有更强的亲和力。可以看出吸附等温线很好的描述了整个活性范围的吸附数目。

图3 纯化合物的吸附等温线

4. 总结与展望

为了揭示混合气体在微孔干酪根上竞争吸附的机理，目前面临着理论模型和分子模拟的挑战。作者以干酪根为模型，建立了甲烷和乙烷二元混合吸附模型，利用吸附等温线研究多组分吸附作用，预测了超临界和亚临界混合物在气态和液态下的吸附程度。

参考文献：

Collell J, et al. Energy & Fuels, 2015, 28(nov.-dec.):7457-7466.

使用MedeA模块：

• MedeA Amorphous Materials Builder

• MedeA LAMMPS

• MedeA GIBBS