[发明专利]一种页岩气吸附回滞现象的分子模拟方法

说明书

本发明提供一种页岩气吸附回滞现象的分子模拟方法，包括以下步骤：S1.模拟系统初始化；S2.模拟系统凝聚化；S3.模拟系统定型化；S4.页岩气化学势与压力关系获取；S5.气体吸附/解吸分子模拟方法设定；S6.页岩气吸附过程模拟；S7.页岩气解吸过程模拟；S8.页岩气吸附回滞现象分析。本发明通过构建气体吸附模拟装置并结合提出的DCV‑GCMD‑F模拟方法，可以在分子尺度最大化还原气体在页岩复杂纳米孔隙结构中的吸附和解吸物理过程，重现实验测试得到的超临界气体的吸附回滞现象并解释吸附回滞的微观机理。本发明提供的技术方案有利于摸清超临界气体在页岩复杂纳米孔隙中的赋存行为和解吸机理，进而为页岩气产能挖潜及针对性增产措施设计奠定理论基础。

技术领域

本发明涉及一种页岩气吸附回滞现象的分子模拟方法，具体属于油气勘探技术领域。

背景技术

页岩气资源丰富，且具有热值高、易于储存运输、绿色环保的特点，是常规油气资源最为重要的接替资源之一。然而，页岩气藏特殊的储层条件和渗流特征，决定了气藏自然递减快，自然产能低的特点，当前页岩气藏多采用衰竭式开发，采收率普遍低于30％。如何从页岩气藏中更多地采出页岩气是目前页岩气藏开发研究中的热点和难点。

页岩气主要产生于页岩中的油母质，即干酪根。干酪根为无定形的有机质，其大分子结构由芳环、脂肪族单元和杂原子官能团构成。由于具有丰富的纳米孔以及巨大的比表面积，干酪根可储集大量的页岩气。干酪根具有柔性的孔隙结构，在地应力环境以及与页岩气的相互作用下，干酪根孔隙结构会发生变形，进而影响页岩气的赋存行为。除干酪根外，页岩中无机矿物也是页岩气的良好储集体。页岩中的干酪根含量较少，主要以分散形式分布在无机矿物中，两者相互渗透环绕，形成复杂的气体赋存孔隙网络，并对气体赋存行为产生相互干扰。页岩气在干酪根和无机矿物构成的复杂孔隙网络中主要以三种形式赋存：孔隙表面的吸附气，干酪根基质内部的溶解气以及大孔隙中的自由气。不同赋存形式的页岩气具有不同的开采难易程度，摸清页岩复杂纳米孔隙中的气体赋存行为是深入理解页岩气存储、传递和提高采收率机理的基础。

尽管与页岩气传递和气井产能紧密相关，目前针对页岩气解吸规律的研究极少。近年来，部分学者采用重量法实验测试手段在页岩干酪根样品中观察到了超临界甲烷和二氧化碳的吸附回滞现象，其中等温吸附曲线和等温解吸曲线构成的回滞环延伸至非常低的压力，表明观察到的回滞现象不是由适用于重烃组分的毛管凝聚造成。类似的吸附回滞现象在其它的柔性纳米多孔介质材料如聚合物中也有报道。学者们针对这种吸附回滞现象提出了许多可能的解释和假想，但尚未形成一致的认识。深入理解造成这种吸附回滞现象的本质原因是页岩气产能挖潜以及针对性措施设计的前提。在分子尺度上，目前还没有合适的模拟方法能够有效地再现超临界页岩气在柔性干酪根中的吸附/解吸物理过程。本发明旨在提供一种页岩气吸附回滞现象的分子模拟方法，最大化程度还原页岩中气体的吸附和解吸物理过程，进而重复实验观察的回滞现象并在分子尺度上解释吸附回滞的微观机制。

巨正则蒙特卡洛(GCMC)方法是研究气体吸附和解吸最常用的分子模拟方法。GCMC模拟是指在巨正则系综中开展的蒙特卡洛(MC)方法。MC方法是一种随机抽样方法或统计模拟方法，它的基本思想是当所求的问题是某种事件出现的概率，或是某个随机变量的期望值时，则可以通过开展随机试验，基于容量充分大的样本，得到该问题的解。在GCMC模拟中，对粒子的随机抽样主要包括了插入、删除和移动，对分子而言，其抽样还包括了旋转和分子构象改变。GCMC模拟体系具有固定的盒子体积V，且通过与一个大热源接触交换热量，通过与一个大粒子源接触交换粒子，模拟平衡时，体系的温度等于大热源的温度T，化学势等于大粒子源的化学势μ。GCMC模拟目前广泛应用于气体在纳米孔隙中的等温吸附和解吸研究。需要说明的是，和室内吸附实验不同，GCMC方法无法考虑孔隙连通性对吸附的影响，即死孔隙也能从粒子源获得粒子而发生吸附。此外，该方法不能考虑孔隙结构变形的影响，气体吸附解吸过程中孔隙结构始终保持固定。目前GCMC方法模拟得到的气体吸附回滞现象主要是由于气体在纳米孔隙中的毛管凝聚导致。