摘要: 碳捕集、利用和封存（Carboncapture,utilizationandstorage，CCUS）技术在缓解温室效应方面具有巨大的发展潜力。CO2提高页岩气采收率（CO2-enhancedshalegasrecovery,CO2-ESGR）技术是CCUS的重要组成部分。页岩有机孔隙中CO2以及CO2驱替CH4的动态吸... 展开 碳捕集、利用和封存（Carboncapture,utilizationandstorage，CCUS）技术在缓解温室效应方面具有巨大的发展潜力。CO2提高页岩气采收率（CO2-enhancedshalegasrecovery,CO2-ESGR）技术是CCUS的重要组成部分。页岩有机孔隙中CO2以及CO2驱替CH4的动态吸附特性可以反映动态吸附及驱替机理，对CO2封存和提高页岩气采收率具有重要意义，为实际应用提供理论参考。以往的研究分析了不同因素对最终吸附效率和结果的影响，而对动态吸附过程的研究较少。本研究建立了由8nm孔连接的1nm和4nm孔共同组成的页岩有机孔隙模型，利用分子动力学模拟（MolecularDynamicsSimulation,MD）方法研究了孔径大小和压力对有机孔中CO2以及CO2驱替CH4扩散吸附动态过程的影响。 首先模拟了323K温度下，8.57、11.03、15.67、19.47MPa四个压力点下单组分CO2的动态扩散、吸附过程。利用软件PACKMOL和Moltemplate建立初始模型，使用分子动力学软件LAMMPS(Large-scaleAtomic/MolecularMassivelyParallelSimulator)进行动态过程模拟，选择软件VMD(VisualMolecularDynamics)实现模拟过程的可视化，探究了压力和孔径对压力变化、密度分布、扩散量及扩散速率、吸附量及吸附速率等的影响规律，揭示了CO2动态吸附过程中的微观特性。发现不同孔径会导致密度分布的不同，由于孔隙效应和重叠相互作用的双重影响，1nm孔径中不存在自由区。但是由于孔径限制，大于1nm的孔隙更利于实际的吸附封存。此外，压力增大有利于提高吸附速率以及稳定性，进而提高吸附性能。 在以上孔隙模型的基础上，模拟了温度为323K，四个不同CO2注入压力（8.57、11.03、15.67、19.47MPa）下CO2驱替页岩吸附CH4的动态过程。探明了孔径和压力对动态吸附过程中密度分布、密度峰值及偏移量、扩散以及吸附过程量的影响规律。结果表明：CO2驱替CH4过程分为CH4快速解吸阶段、CO2驱替残余CH4阶段和稳定阶段。CO2驱替CH4不止存在置换，还有共存吸附现象，因为在1nm孔中，CO2和CH4的密度峰值偏移量平均值接近两气体的分子动力学直径之差，得出两者相邻分布。CH4扩散及解吸受压力和孔径影响较小，压力和孔径大小对CO2扩散及吸附的影响较大。高压增强了孔壁吸附CO2的能力，能促进CO2驱替CH4的效果。综合来说，较大中孔及高压有利于CO2对CH4的驱替和CO2的地质封存。 收起