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页岩气是一种新兴的、储量较高、分布广泛的非常规天然气,其主要成分为甲烷,是世界上公认的清洁能源和高效能源。页岩气的赋存状态包括吸附态、游离态和溶解态,其中以吸附态页岩气为主。有学者研究表明,粘土矿物和有机质是页岩中起主要吸附作用的物质。伊蒙混层是数量最多,分布最广的粘土矿物类型,是页岩气储层的重要组成部分。由于伊蒙混层特殊的晶体结构和复杂的混层比例,到目前为止还没有合适的晶体模型来反映伊蒙混层矿物的真实结构。累托石作为一种特殊的伊蒙混层矿物,由蒙脱石层和伊利石层以1:1的比例混合而成,为我们探究伊蒙混层矿物提供了一个理想的晶体模型。在研究累托石对甲烷的吸附性能上,国内外学者主要集中于实验分析研究。但粘土矿物和有机质常形成复合体,这使得仅仅通过实验研究存在着较大的误差和不合理性。本文利用分子模拟方法,从微观角度深入探究累托石构型对甲烷和二氧化碳吸附的分子模拟。这对开发页岩气资源提供一些理论指导意义。本文通过Material Studio模拟软件,分别构建出2nm、4nm、6nm孔径的累托石孔隙结构,在此基础上应用分子力学模拟、蒙特卡洛和分子动力学模拟相结合,探讨了甲烷和二氧化碳在不同埋藏深度下累托石孔隙结构上的吸附行为。结果如下:(1)2nm、4nm、6nm孔径的累托石模型对甲烷和二氧化碳的吸附量均随着埋深的增加先升高后降低。孔径大的累托石孔隙模型对甲烷的吸附量较大。在2km埋深条件下,注二氧化碳置换甲烷的开采方法效果最佳。累托石构型对甲烷的吸附属于物理吸附,且孔径小的构型对甲烷的吸附作用更强。(2)甲烷分子在累托石孔隙构型中的吸附主要聚集在孔隙模型中靠近累托石孔壁的一侧。随着温度和压力的增加,甲烷分子逐渐向孔隙结构中运移。甲烷和二氧化碳发生竞争吸附的情况下,甲烷和二氧化碳发生分层现象,分别集中分布于孔隙结构的两侧。(3)甲烷在累托石孔隙模型中的聚集主要是受到了累托石中四面体片层和孔隙间阳离子的吸附作用。累托石构型中四面体片上的氧和硅对甲烷有较强的吸附作用。随着孔径的增加累托石构型对甲烷的吸附作用表现出降低趋势。二氧化碳的加入使得孔隙间阳离子对甲烷的吸附作用降低,四面体层对甲烷的吸附作用增高。(4)随着埋藏深度的增加,甲烷分子的自扩散系数增大。二氧化碳的加入使得甲烷的自扩散系数有明显增加,二氧化碳驱替甲烷以提高采收率的方法有一定的可行性。