石墨狭缝中甲烷吸附的分子动力学模拟.pdfVIP

第30卷第5期 计 算 物 理 V01．30，No．5 CHINESE OFCOMPUTATIONALPHYSICS 2013年9月 JOURNAL Sep．，2013 文章编号：1001—246X(2013)05-0692-08 石墨狭缝中甲烷吸附的分子动力学模拟 刘 冰， 史俊勤， 沈 跃， 张 军+ (中国石油大学(华东)理学院，山东青岛266580) 摘要：用分子动力学模拟研究石墨狭缝中甲烷的吸附，考察狭缝宽度和温度对甲烷吸附的影响．模拟发现甲烷在 石墨狭缝中出现分层现象，吸附层中甲烷具有类液特征，第一吸附层内甲烷中总有两个氢原子的连线与另外两个 氢原子的连线分别位于平行于狭缝壁的两个平面内，游离层中甲烷呈现气体的特征；碳原子间的平均作用势说明 吸附层中甲烷分子间结合能力大于游离层，吸附态是甲烷在石墨狭缝中的主要赋存形式之一；伦敦力以及由吸附 层净电荷产生的电场力是甲烷吸附和分层的主要原因；甲烷的吸附量随狭缝宽度增大或温度升高而减少，当狭缝 宽度小于16．46A时，甲烷仅以吸附形态存在．甲烷在第一吸附层中的扩散能力最弱、游离层中最强，甲烷扩散系 数随狭缝宽度的增大或温度的升高而增大． 关键词：甲烷；石墨狭缝；吸附；分子动力学模拟 中图分类号：0647 文献标识码：A 0 引言 随着油气资源的日趋紧缺和出于能源安全的考虑，页岩气作为潜力巨大的能源新领域已成为世界能源 气含量可占页岩气总含量的20％～85％．张金JiI等M1认为页岩气是主体上以吸附和游离状态赋存于泥页岩 地层中的天然气聚集，吸附作用是页岩气成藏的重要机理之一．页岩气的主要成分是甲烷，页岩气的吸附作 用主要体现为岩层对甲烷气体的吸附能力．因此研究岩层对甲烷气体的吸附以及准确计算吸附气密度，能够 更好地认识页岩气的赋存形式，有利于对页岩气地质储量做出更为准确的评估． 国内外学者针对页岩气赋存形式开展了大量的实验研究和地质调查，结果表明有机质的丰度、干酪根的 类型及热成熟度、页岩的矿物性质、体系的温度和压力等都对甲烷的吸附储量有很大的影响’5。，这些研究 很难从分子水平上准确揭示页岩纳米孔隙中页岩气吸附的微观结构和机理．近年来随着计算机技术的飞速 发展，分子模拟方法已经成为研究受限空间中流体性质的一种有力工具，能在分子水平上提供实验上难以观 察和检测到的吸附结构和动力学过程哺1．目前，关于甲烷在固体表面上吸附行为的研究已有很多，例如从环 境保护和甲烷有效存储的角度出发，人们对甲烷在碳纳米管、活性炭表面、分子筛、有机金属、配位聚合物等 多孑L或表面物质。91中的有效吸附进行了研究，希望寻找一种有效的、经济的、安全的吸附剂材料；另外，国 内外关于煤层气的分子模拟研究表明，在煤层储存条件下甲烷以吸附气形式存在，储层条件的不同对甲烷的 吸附量具有较大的影响¨0|．然而，在复杂的油气藏储层条件下采用分子模拟方法进行页岩气吸附机理的相 关研究则较少，虽然Ray等人¨¨采用分子动力学模拟方法研究了狭缝宽度和温度对甲烷在石墨狭缝中吸附 的影响，但并未对甲烷的微观结构及吸附机理进行分析解释． 本文采用分子动力学(MD)模拟方法，以5层石墨狭缝结构代表页岩纳米微孔¨“，研究甲烷气体在页岩 纳米微孔中的吸附现象，分析页岩纳米微孔中甲烷的微观结构，讨论微孔尺寸和储层温度对甲烷吸附的影 响，旨在研究页岩气的吸附作用机理，以期对正确评估页岩气藏地质储量提供借鉴． 收稿日期：2012—12—24；修回日期：2013—04—13 基金项目：国家自然科学基金及中央高校基本科研业务费专项基金(27R1110049A)资助项目 作者简介：刘冰(1972一)，男，博士，副教授，主要从事计算物理与油藏渗流研究，E-mail：liub@upc．edu．cn }通讯作者：张军，E—mail：dynamic—zh@163．tom 万方数据 第5期 刘 冰等：石墨狭缝中甲烷吸附的分子动力学模拟 693 1 模拟细节 模拟计算采用