摘要: 纳米孔隙广泛分布在非常规致密储层岩石中，准确认知和定量描述致密储层岩石纳米孔隙中CH4的吸附、解吸能力、CO2/CH4置换机制以及运移能力对于实施非常规致密储层CO2压裂改造技术至关重要。然而，非常规致密储层埋深大、地质条件复杂，特别是，岩石纳... 展开 纳米孔隙广泛分布在非常规致密储层岩石中，准确认知和定量描述致密储层岩石纳米孔隙中CH4的吸附、解吸能力、CO2/CH4置换机制以及运移能力对于实施非常规致密储层CO2压裂改造技术至关重要。然而，非常规致密储层埋深大、地质条件复杂，特别是，岩石纳米尺度孔隙中CH4的吸附、解吸、CO2/CH4置换以及运移是一个隐蔽的、纳观尺度上的动态变化过程，无论现场原位测试还是实验室模型实验，现有的技术方法与装备均难以进行准确探测与定量表征。数值模拟成为一种突破探测技术瓶颈、认识和定量描述纳米孔隙中CO2/CH4置换和运移动态过程及机制的有效手段。但由于对复杂孔隙结构中CH4的吸附、解吸、CO2/CH4置换和运移的物理机理缺乏足够的认识以及模拟计算方法的局限性，该问题尚没有一个令人满意的结果。 针对上述问题，本文以页岩有机质中广泛分布的纳米孔隙结构为研究对象，采用室内实验与分子模拟方法，定量地分析了页岩有机质纳米孔隙结构中CO2、CH4的竞争吸附与解吸特性、置换机制以及扩散运移规律；基于实验测量结果，构建了页岩干酪根的分子结构模型、纳米尺度孔隙粗糙表面的分形模型；建立了描述分子-纳米尺度孔隙结构气体扩散迂曲度模型；模拟并揭示了纳米孔隙表面形貌、结构特征对CO2、CH4的吸附、解吸特性、置换机制以及扩散运移的影响。 本文研究取得以下创新性成果： （1）研究揭示了富含干酪根页岩中CH4的赋存状态。采用页岩热稳定性评价、TOC分析、无机质种类鉴定和氮气吸附等多种实验手段，分析了页岩组成和孔隙结构特性；利用程序升温、化学分离和吸附实验等方法，将页岩有机质和无机质分离，定量表征了CH4在有机质孔、无机质孔和颗粒间隙孔中的吸附能力；利用分子模拟的方法，分析获得了有机质孔和颗粒间隙孔中CH4吸附性能的差异，揭示了有机质孔对页岩气储藏的关键作用。 （2）利用高压等温吸附实验和分子模拟方法，分析揭示了页岩干酪根中CH4/CO2的竞争吸附特性。检验了三元Langmuir模型和直线拟合法用于分析CO2/CH4过剩吸附过程的适用性；构建了页岩干酪根的分子结构模型，采用分子模拟方法，从分子尺度分析并阐述了CO2/CH4竞争吸附的特性；计算获得了不同注气比例下CO2对CH4的选择性系数，定量评价了CO2对CH4的优势吸附能力；可视化表征了不同注气比例下CO2/CH4在干酪根中的动态变化过程。 （3）建立了描述分子-纳米尺度孔隙结构流体扩散的迂曲度模型。采用分子动力学方法，分析和阐述了流体在干酪根中的扩散机制；获得了不同影响因素，如吸附能力、气体分子尺寸、孔隙度、温度和压力等对纳米尺度流体扩散的影响规律；提出纳米尺度扩散迂曲度是与流体性质紧密相关的非本征值；通过对比干酪根结构电导迂曲度和扩散迂曲度的差异，揭示了流体与基质动态相互作用在纳米尺度扩散中的重要性。 （4）分别构建了具备高相对粗糙度和分形粗糙表面的纳米孔隙模型，模拟并揭示了CH4/CO2在粗糙纳米孔道中的吸附、扩散和流动特征。验证了带滑移边界条件的哈根-泊肃叶方程（HP）在描述CH4纳米尺度流动过程的可靠性，分析了影响CH4纳米尺度流动的主控因素；通过分子运动轨迹分析，阐明了CH4在吸附层的快速移动和粗糙孔道的局部光滑特性对CH4滑移现象的作用；揭示了孔隙分形粗糙特性对微观尺度孔隙结构中CO2/CH4的扩散特性和流动特征的影响以及CO2、CH4混合气体流动过程中产生气体分离现象的内在机制；确定了CO2/CH4吸附选择性系数，分析获得了不同注气比例、体系压力、体系温度和孔道尺寸对CO2/CH4的竞争吸附性能的影响规律。 收起