1M伊利石对甲烷吸附的分子模拟

【摘要】：页岩气工业的兴起，使得人们越来越重视对页岩气的成藏估计。随着对页岩气吸附机理认识的不断深入，很多学者开始将页岩气的吸附研究集中在粘土矿物上，特别是伊利石上。伊利石作为油气盆地储层中常见的粘土矿物之一，是致密储层的重要组成部分，由于其晶粒细小，比表面积大，对天然气具有较强的吸附性能，对油气的存储具有重要的作用。在伊利石对甲烷的吸附研究中，国内外学者主要集中于实验研究。但是粘土矿物和有机质常常形成有机复合体，使得粘土矿物与有机质对甲烷的吸附上难以区分。为了更深层次的理解伊利石储层的吸附性能，以及甲烷在泥页岩中的扩散规律，本文从微观的角度模拟伊利石粒子对甲烷分子的吸附模拟。这对于页岩气盆地的资源估算和储层评价都有一定的现实意义。 本文运用Material Studio6.0(MS)软件，对甲烷分子在1M伊利石中的吸附进行了模拟。首先，在伊利石的通用分子式的基础上，建立了伊利石1M-tv与1M-cv多型结构。通过分子力学方法建立了两种构型的最稳定结构，并对其进行了XRD反演及标准粉末衍射卡的物相匹配。结果表明所模拟的XRD图谱不仅符合前人对1M伊利石研究得出图谱特征而且与标准卡片也有较好的对应。在此基础上对所模拟结构中的d001与d002值进行了计算，在与前人文献中的理论值和实验值对比后发现了较好一致性，从而证明了所构建结构的合理性。 通过蒙特卡洛方法模拟（MC）了实际储层条件下1M多型伊利石对甲烷的吸附，结果表明甲烷在1M伊利石中的吸附量均呈现出随着埋深先增大后减小的趋势，并且在2~3km下吸附量达到峰值。 在1M多型中，tv构型与cv构型在类质同象作用上存在差异，使得二者的吸附量发生差异。不同埋深下cv构型较tv构型表现出对甲烷更好的吸附性能。这显示了贫Fe、Mg富Al的伊利石环境下更有利于对甲烷的吸附。 为了进一步理解甲烷在两种1M伊利石构型中吸附量上的差异及扩散规律，本文通过分子动力学（MD）方法模拟了甲烷在伊利石中的扩散行为。结果表明： （1）1M伊利石吸附甲烷后，甲烷均集中在伊利石构型的中央和层中央两翼靠近粘土片层的位置。层间K离子均主要集中在两种构型的层中央，但随着温度压强的变化，tv构型中的K离子有小部分发生了震荡。 （2）甲烷在伊利石中的聚集主要是受到了层间K离子与四面体的粘土片层的物理吸引作用。其中四面体片层是引起甲烷吸附量差异化的原因。 （3）通过分析吸附后构型中粒子间的径向分布函数及层间粒子的自扩散系数，表明2~3km埋深下，伊利石两种构型对甲烷的束缚作用较强。此埋深下最适合页岩气的开采。 【关键词】：页岩气 伊利石 1M-cv 1M-tv 吸附
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P618.13
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 我国潜力页岩气盆地的储层特征11-14
• 1.2.1 我国页岩气潜力11-13
• 1.2.2 我国页岩储层特征13-14
• 1.3 伊利石研究概述14-18
• 1.3.1 伊利石概述14-15
• 1.3.2 伊利石研究现状15-18
• 1.4 伊利石的分子模拟研究18
• 1.5 研究内容、方法和创新点18-22
• 1.5.1 研究内容18-19
• 1.5.2 研究方法19-20
• 1.5.3 创新点20-22
• 第二章 分子模拟方法及模拟软件介绍22-34
• 2.1 分子模拟方法简介22-31
• 2.1.1 分子力学23-24
• 2.1.2 蒙特卡洛方法24
• 2.1.3 分子动力学24-30
• 2.1.4 布朗动力学30
• 2.1.5 量子力学30-31
• 2.2 Materials Studio 软件简介31-34
• 2.2.1 Materials Studio 的优点31
• 2.2.2 Materials Studio 模块构成31-34
• 第三章 伊利石 1M 多型的构建及分子力学模拟34-40
• 3.1 模型构建34-37
• 3.1.1 伊利石的通用分子式34
• 3.1.2 1M-tv 的构建34-35
• 3.1.3 1M-cv 的构建35-37
• 3.2 伊利石构型的分子力学优化37-40
• 3.2.1 力场及势能参数的选择37
• 3.2.2 模拟方法的选取37-38
• 3.2.3 力学优化结果分析38-40
• 第四章 伊利石结构的 XRD 模拟及其结构验证40-46
• 4.1 伊利石结构的 X 射线衍射特征40-42
• 4.1.1 1M-tv 伊利石 X 射线衍射特征41
• 4.1.2 1M-cv 伊利石 X 射线衍射特征41-42
• 4.2 XRD 模拟42-43
• 4.2.1 研究思路42
• 4.2.2 参数设置42-43
• 4.3 结果与讨论43-44
• 4.4 d001、d002的验证44-46
• 第五章 基于 GCMC 的 1M 伊利石对甲烷的吸附模拟46-50
• 5.1 甲烷模型的构建与优化46-47
• 5.2 储层环境模拟47
• 5.3 参数设置47
• 5.4 结果分析47-50
• 5.4.1 吸附量47-48
• 5.4.2 等量吸附热48-49
• 5.4.3 构型能量变化49-50
• 第六章 甲烷在 1M 伊利石中的扩散行为50-68
• 6.1 参数设置50
• 6.2 结果分析50-68
• 6.2.1 层间粒子浓度分布50-57
• 6.2.2 径向分布函数分析57-65
• 6.2.3 甲烷的层间粒子扩散系数65-66
• 6.2.4 小结66-68
• 第七章 结论与展望68-70
• 7.1 结论68-69
• 7.2 展望69-70
• 参考文献70-78
• 致谢78-79
• 攻读学位期间发表的学术论文目录79

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