摘要: 页岩气作为清洁低碳能源，受到广泛关注。我国页岩气可采储量居世界首位，实现页岩气高效开发对于我国优化能源结构以及实现“碳达峰、碳中和”目标具有重大的现实意义。CO2强化页岩气开发是当前研究的热点问题，将 CO2作为压裂液注入页岩储层，置换出C... 展开 页岩气作为清洁低碳能源，受到广泛关注。我国页岩气可采储量居世界首位，实现页岩气高效开发对于我国优化能源结构以及实现“碳达峰、碳中和”目标具有重大的现实意义。CO2强化页岩气开发是当前研究的热点问题，将 CO2作为压裂液注入页岩储层，置换出CH4，可提高CH4采收率，并实现CO2的地质封存。弄清 CO2、CH4气体在页岩中的吸附动力学和竞争吸附行为对于页岩气储量、产能预测、CO2强化页岩气开采技术参数优化以及 CO2地质封存潜力评估至关重要。因此，本文以五峰组和延长组页岩样品为研究对象，开展了页岩矿物组分和孔隙结构的测试实验以及CH4和CO2单组份吸附动力学实验，分析了CH4、CO2气体在页岩中的吸附动力学特性和规律。随后进行了CH4和CO2混合气体竞争吸附实验，研究了页岩中CH4、CO2的竞争吸附特性，取得的主要研究成果如下： （1）五峰组页岩的 TOC、石英含量、比表面积以及分形维数均大于延长组页岩；延长组页岩的粘土矿物含量、平均孔径均高于五峰组页岩，说明海相五峰组页岩的纳米级孔隙发育更好，非均质性也比陆相延长组页岩更强。 （2）CH4和CO2单组份等温吸附实验结果表明，相同温压下，CO2的最大绝对吸附量约是CH4的3倍，表明页岩中CO2吸附能力高于CH4。评价不同吸附模型得出，L-F模型的拟合精度优于Langmuir模型和D-R模型。页岩的热力学分析结果表明页岩中CH4和CO2的吸附行为属于物理吸附，且页岩中CO2的等量吸附热高于CH4。 （3）基于单组份等温吸附实验计算得到了 CH4和 CO2在不同温度、不同压力、不同页岩中的吸附动力学数据，发现 CH4、CO2吸附动力学曲线可分为初始快速吸附阶段和缓慢吸附阶段。Bangham 吸附动力学模型比准一级、准二级吸附动力学模型对实验数据的拟合效果更好。随着气体压力的上升，页岩中 CH4和CO2的吸附速率常数Kb均呈现出先增加后缓慢下降的趋势。在相同的压力下，页岩中CH4吸附速率常数 Kb随着温度增加而降低。而页岩中 CO2吸附速率常数 Kb随温度的变化呈现出分段特征，在亚临界态下，CO2吸附速率随温度增加而降低；超临界态下，CO2吸附速率随着温度增加而增加。在相同条件下，延长组样品对CH4和CO2吸附速率常数Kb低于五峰组。 （4）开展了CH4、CO2混合气体竞争吸附实验，发现不同比例气体的竞争吸附，页岩对 CO2/CH4的吸附选择性系数（SCO2/CH4）均大于 1，表明在竞争吸附状态下，页岩对CO2的优先吸附性均强于CH4。SCO2/CH4随着温度增加而增加，且随着压力上升，温度对选择性系数的影响逐渐减弱。随着平衡压力的增加，SCO2/CH4先急剧下降后趋于恒定。在低压条件（0-5 MPa）下，CH4含量越低，选择性系数越高，CO2竞争力越强；当压力高于 5 MPa后，选择性系数趋于恒定，且与非竞争条件下的选择性系数接近。对于混合气体吸附模型，IAST模型比E-L模型拟合效果更好。 研究成果可以为 CO2驱替页岩气及地质封存过程工艺参数的动态优化提供科学指导。 收起