CN112414891B - 一种页岩气吸附回滞现象的分子模拟方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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。
分子动力学(MD)方法的基本思想是先由体系中各原子的位置及相互作用计算体系的总势能，再依照经典力学和牛顿运动定律求解各原子的受力和加速度，然后通过将运动方程对时间进行积分，得到体系中各原子的坐标和速度随时间的变化。通过应用统计力学等方法分析体系中原子的坐标和速度信息，进而得到一系列体系的宏观性质。应用MD方法研究气体吸附解吸的主要做法是将对应于某一化学势的一定数量的气体分子投放进入纳米孔隙，由MD方法使气体分子达到平衡分布，再统计吸附于孔隙表面的气体分子数量。这种方法的主要缺点是无法准确计算化学势以及无法准确统计气体吸附量。
巨正则蒙特卡洛和分子动力学的耦合方法(GCMC-MD)是在GCMC方法的基础上，应用MD方法实现孔隙结构的变形以及气体分子的运动。具体地，这种方法是间隔地开展GCMC和MD模拟，即先固定孔隙结构进行一定步数的GCMC模拟，然后停止GCMC模拟开展一定步数的MD模拟，接着再停掉MD模拟开展GCMC模拟，如此重复。相比GCMC模拟，这种模拟方法可以实现孔隙结构的变形，但仍然无法考虑孔隙连通性的影响，气体可以在死孔隙中插入和删除，与实际物理过程存在较大差异。
发明内容
本发明的目的在于提供一种页岩气吸附回滞现象的分子模拟方法，该方法可还原页岩气在页岩复杂纳米孔隙结构中吸附和解吸的物理过程，复制实验中观察得到的超临界页岩气吸附回滞现象并解释吸附回滞的本质原因。特别地，该方法可同时实现以下功能：(1)实现气体化学势的准确确定并考虑气体的质量扩散传递；(2)兼顾孔隙结构的变形特性以及孔隙结构的拓扑完整性；(3)实现气体赋存形式的定量区分；(4)考虑页岩干酪根和无机矿物复合形成的复杂孔隙结构。
具体的技术方案为：
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
确定系统初始模拟盒子尺寸，其中x和y方向的尺寸设定为最终目标值，z方向的尺寸设定为足够大；向初始模拟盒子里投放一定数量的干酪根分子和不同尺寸的虚粒子；将模拟盒子在z方向的两个端面分别与活塞和无机矿物层结合，形成初始化的模拟系统。
S2.模拟系统凝聚化
在模拟系统的活塞上沿z方向施加一定的压缩作用力，模拟NPT系综中的压力，基于严格的退火模拟流程开展干酪根基质的结构驰豫，使干酪根基质发生凝聚。模拟系统在x和y方向的尺寸保持固定，在z方向的尺寸随模拟逐渐减小并达到平衡。
S3.模拟系统定型化
针对步骤S2中达到凝聚化的模拟系统，将活塞延z方向拉伸一定距离形成控制体积区域a，将系统中的虚粒子删除形成控制体积区域b；然后将模拟系统在NVT系综下进行结构驰豫，消除应力集中；接着在模拟系统中划分出控制体积区域a、扩散区和控制体积区域b，形成最终定型的微观模拟装置。
进一步的，微观模拟装置中的两个控制体积区采用非对称性的设计，控制体积区a内不包含干酪根基质，对应于一个外部的体相储层，控制体积区b是一个由干酪根基质和无机质矿物层共同围成的不规则洞穴，目的是模拟储层条件下气体与页岩无机-有机复合体系的真实相互作用。微观模拟装置中的控制体积区定义为气体自由相的赋存空间，扩散区中的干酪根基质内部定义为气体溶解相的赋存空间，而干酪根基质外表面定义为气体吸附相的赋存表面，目的是实现气体不同赋存形式的定量区分。
S4.页岩气化学势与压力关系获取
在无页岩基质的空盒子内，采用GCMC-MD方法模拟页岩气在不同给定化学势下的压力，获取某一温度下气体化学势与压力的对应关系，由气体密度检验化学势-压力对应关系的合理性。
S5.气体吸附/解吸分子模拟方法设定
基于步骤S3中构建的微观模拟装置，设定提出的双控制体积-巨正则蒙特卡洛-分子动力学-结构变形耦合(DCV-GCMD-F)方法。
其中，DCV-GCMD-F方法具体地过程为，在两个控制体积区内，采用GCMC-MD方法实现流体的插入、删除以及移动，实现气体化学势的准确确定；在扩散区，采用MD方法实现气体分子的扩散运移，实现气体质量扩散传递的考虑；气体在扩散区和控制体积区间的交换既可通过GCMC算法中的随机移动，也可通过MD算法中的热动力学运动实现；系统中的扩散区是用于研究气体吸附回滞的目标区域，其中的干酪根基质由MD算法约束，可在模拟中自由变形，而为了同时实现孔隙结构的拓扑完整性，控制体积区b内的干酪根基质始终保持固定；系统中的活塞和无机矿物层作为边界层，在吸附模拟中保持固定。
S6.页岩气吸附过程模拟
基于获取的化学势-压力对应关系，以化学势为输入参数，结合构建的微观模拟装置，采用提出的DCV-GCMD-F方法，模拟系统在给定压力下吸附的物理过程。逐渐提高模拟压力，将前一压力点下平衡的系统构型作为下一压力点的初始系统构型，模拟得到给定温度下的等温吸附曲线。
S7.页岩气解吸过程模拟
以吸附过程中最大压力点下的系统平衡构型作为解吸模拟的系统初始构型，基于获取的化学势-压力对应关系，以化学势为输入参数，采用提出的DCV-GCMD-F方法，模拟系统在给定压力下吸附的物理过程。逐渐降低模拟压力，将前一压力点下平衡的系统构型作为下一压力点的初始系统构型，模拟得到给定温度下的等温解吸曲线。
S8.页岩气吸附回滞现象分析
基于给定温度下的等温吸附曲线和解吸曲线，研究页岩气的吸附回滞现象，观察回滞环的形状和大小；定量拆分气体不同的赋存形式，研究不同赋存形式对吸附回滞的贡献。
本发明提供了一种页岩气吸附回滞现象的分子模拟方法，其优点在于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。
附图说明
图1为实施例页岩气吸附回滞现象的分子模拟研究流程；
图2为实施例气体吸附/解吸微观模拟装置；
图3为实施例甲烷和二氧化碳的化学势-压力对应关系；
图4A为实施例甲烷化学势模拟结果的验证；
图4B为实施例二氧化碳化学势模拟结果的验证；
图5A为实施例温度随模拟时间的变化；
图5B为实施例气体分子数随模拟时间的变化；
图6A为实施例甲烷的等温吸附/解吸曲线；
图6B为实施例二氧化碳的等温吸附/解吸曲线；
图7A为实施例固定干酪根中甲烷和二氧化碳吸附相的等温吸附/解吸曲线；
图7B为实施例固定干酪根中甲烷和二氧化碳溶解相的等温吸附/解吸曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
本实施例以甲烷和二氧化碳在页岩干酪根-石英复合体系中的吸附回滞现象为例对本发明的具体实施方式进行说明。
按照图1所示的流程：
S1.模拟系统初始化。
构建初始的长方体模拟盒子，盒子在x,y,z方向的尺寸分别为45×45×400
首先向模拟盒子中随机投入15个IA型干酪根分子(C251H385O13N7S3)，接着向盒子中随机投入3个LJ直径为30
以及4个LJ直径为20
的的虚粒子；将模拟盒子在z方向的上端面与一个石墨片层结合，将盒子在z方向的下端面与一个石英层结合，形成初始化的模拟系统。
S2.模拟系统凝聚化。
将初始系统中的石墨片层作为活塞，将NPT系综中的压力转换为施加于活塞上的沿z方向的压缩作用力，参考表1中的退火模拟步骤进行结构驰豫，模拟过程中，模拟系统在x和y方向的尺寸保持固定，而活塞在压缩力的作用下推动干酪根分子和虚粒子向石英层靠近，干酪根基质发生凝聚并达到平衡。
表1页岩基质退火模拟流程
S3.模拟系统定型化。基于步骤S2中最终的平衡系统，延z的正方向拉伸出石墨片层一定距离，形成无干酪根基质的控制体积区域a，将干酪根基质内部的虚粒子删除，形成干酪根基质和石英层共同围成的控制体积区域b；将模拟系统在338K下的NVT系综中进行1000ps的结构驰豫，消除控制体积区域附近的应力集中；然后在系统中延z的正方向依次划分出控制体积区域b、扩散区和控制体积区域a，形成最终定型的用于气体吸附模拟的微观模拟装置。图2展示了构建的气体吸附/解吸微观模拟装置。微观模拟装置中的两个控制体积区具有非对称性，控制体积区a内不包含干酪根基质，对应于一个外部的体相储层，控制体积区b是一个由干酪根基质和石英层共同围成的不规则洞穴，还原了储层条件下页岩无机-有机复合体系的复杂孔隙结构。在图2中，二氧化碳分子的自由相赋存于微观模拟装置中的控制体积区内，溶解相赋存于扩散区中的干酪根基质内部，而吸附相则富集于干酪根基质的外表面，有效实现了二氧化碳分子不同赋存形式的定量区分。
S4.页岩气化学势与压力关系获取。在338K下，利用GCMC-MD方法和NVT系综在空盒子内模拟甲烷和二氧化碳在给定化学势下的吸附，吸附平衡后，计算盒子内对应的气体压力和密度。改变化学势，分别获取338K下甲烷和二氧化碳的化学势-压力对应关系，如图3。由如图4A的压力-密度关系验证甲烷和如图4B的二氧化碳模拟结果的合理性，模拟得到的压力-密度关系与报道结果基本一致，表明化学势-压力对应关系具有较高的准确度。
S5.气体吸附/解吸分子模拟方法设定。基于步骤S3中构建的如图2所示的微观模拟装置，设定提出的DCV-GCMD-F方法。具体地，DCV-GCMD-F模拟方法在两个控制体积区内采用GCMC-MD方法实现流体的插入、删除以及移动，维持恒定的气体的化学势，在扩散区内采用MD方法实现气体分子的质量扩散传递。扩散区内的干酪根基质在MD算法下可自由变形，而控制体积区b内的干酪根基质保持固定，可防止扩散区内的干酪根基质解体，进而维持干酪根基质的拓扑完整性。
S6.页岩气吸附过程模拟。将步骤S3中的最终定型的微观模拟装置用作吸附的初始系统构型，参照获取的如图3所示的化学势-压力对应关系，由目标压力反推出对应的化学势作为输入参数，利用提出的DCV-GCMD-F方法模拟系统在目标压力下的吸附。吸附模拟过程中，实时监控系统中的气体分子数和温度以判断系统是否达到平衡，当如图5A所示的温度和如图5B所示的气体分子数在最近2ns内基本保持不变，则认为系统达到平衡。然后逐渐提高模拟压力，将前一压力点下平衡的系统构型作为下一压力点的初始系统构型，分别模拟得到如图6A所示的甲烷和如图6B所示的二氧化碳在338K下的等温吸附曲线。
S7.页岩气解吸过程模拟。将步骤S5中甲烷和二氧化碳等温吸附曲线上最高压力点对应的的平衡系统构型作为解吸模拟的初始系统构型，如二氧化碳在213atm和338K下吸附平衡后的如图2所示的模拟系统。参照获取的如图3所示的甲烷和二氧化碳化学势-压力对应关系，由目标解吸压力反推化学势作为输入参数，采用同步骤S5相同的DCV-GCMD-F方法模拟系统解吸的物理过程。逐渐降低解吸压力，将前一压力点下平衡的系统构型作为下一压力点的初始系统构型，模拟得到给定温度下图6A甲烷和图6B二氧化碳的等温解吸曲线。
S8.页岩气吸附回滞现象分析。结合步骤S5和步骤S6获取的甲烷和二氧化碳等温吸附曲线和等温解吸曲线，研究气体的吸附回滞现象，观察回滞环的形状和大小。图6A、图6B展示了338K下甲烷和二氧化碳在扩散区中的吸附回滞环，和实验测试结果一致，模拟的甲烷和二氧化碳等温吸附/解吸曲线均呈现出回滞现象，回滞环延伸至极低的压力，表明毛管凝聚不是造成吸附回滞的原因。通过定量拆分甲烷和二氧化碳在扩散区内不同的赋存形式，研究不同赋存形式对吸附回滞的贡献。图7A、图7B为甲烷和二氧化碳的吸附相和溶解相在气体吸附和解吸过程中的变化，结果表明甲烷和二氧化碳的吸附相不引起回滞现象，扩散区内的回滞现象主要由气体的溶解相造成。
Claims (2)
1.一种页岩气吸附回滞现象的分子模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1. 模拟系统初始化
确定系统初始模拟盒子尺寸，其中x和y方向的尺寸设定为最终目标值，z方向的尺寸设定为足够大；向初始模拟盒子里投放一定数量的干酪根分子和不同尺寸的虚粒子；将模拟盒子在z方向的两个端面分别与活塞和无机矿物层结合，形成初始化的模拟系统；
S2. 模拟系统凝聚化
在模拟系统的活塞上沿z方向施加一定的压缩作用力，模拟NPT系综中的压力，基于严格的退火模拟流程开展干酪根基质的结构驰豫，使干酪根基质发生凝聚；模拟系统在x和y方向的尺寸保持固定，在z方向的尺寸随模拟逐渐减小并达到平衡；
S3. 模拟系统定型化
针对步骤S2中达到凝聚化的模拟系统，将活塞延z方向拉伸一定距离形成控制体积区域a，将系统中的虚粒子删除形成控制体积区域b；然后将模拟系统在NVT系综下进行结构驰豫，消除应力集中；接着在模拟系统中划分出控制体积区域a、扩散区和控制体积区域b，形成最终定型的微观模拟装置；
S4. 页岩气化学势与压力关系获取
在无页岩基质的空盒子内，采用GCMC-MD方法模拟页岩气在不同给定化学势下的压力，获取某一温度下气体化学势与压力的对应关系，由气体密度检验化学势-压力对应关系的合理性；
S5. 气体吸附/解吸分子模拟方法设定
基于步骤S3中构建的微观模拟装置，设定提出的双控制体积-巨正则蒙特卡洛-分子动力学-结构变形耦合DCV-GCMD-F方法；
所述的DCV-GCMD-F方法为，在两个控制体积区内，采用GCMC-MD方法实现流体的插入、删除以及移动，实现气体化学势的准确确定；在扩散区，采用MD方法实现气体分子的扩散运移，实现气体质量扩散传递的考虑；气体在扩散区和控制体积区间的交换通过GCMC算法中的随机移动，或者通过MD算法中的热动力学运动实现；系统中的扩散区是用于研究气体吸附回滞的目标区域，其中的干酪根基质由MD算法约束，在模拟中自由变形，而为了同时实现孔隙结构的拓扑完整性，控制体积区b内的干酪根基质始终保持固定；系统中的活塞和无机矿物层作为边界层，在吸附模拟中保持固定；
S6. 页岩气吸附过程模拟
基于获取的化学势-压力对应关系，以化学势为输入参数，结合构建的微观模拟装置，采用提出的DCV-GCMD-F方法，模拟系统在给定压力下吸附的物理过程；逐渐提高模拟压力，将前一压力点下平衡的系统构型作为下一压力点的初始系统构型，模拟得到给定温度下的等温吸附曲线；
S7. 页岩气解吸过程模拟
以吸附过程中最大压力点下的系统平衡构型作为解吸模拟的系统初始构型，基于获取的化学势-压力对应关系，以化学势为输入参数，采用提出的DCV-GCMD-F方法，模拟系统在给定压力下吸附的物理过程；逐渐降低模拟压力，将前一压力点下平衡的系统构型作为下一压力点的初始系统构型，模拟得到给定温度下的等温解吸曲线；
S8. 页岩气吸附回滞现象分析
基于给定温度下的等温吸附曲线和解吸曲线，研究页岩气的吸附回滞现象，观察回滞环的形状和大小；定量拆分气体不同的赋存形式，研究不同赋存形式对吸附回滞的贡献。
2.根据权利要求1所述的一种页岩气吸附回滞现象的分子模拟方法，其特征在于，步骤S3中，所述的微观模拟装置中的两个控制体积区采用非对称性的设计，控制体积区a内不包含干酪根基质，对应于一个外部的体相储层，控制体积区b是一个由干酪根基质和无机质矿物层共同围成的不规则洞穴；
微观模拟装置中的控制体积区定义为气体自由相的赋存空间，扩散区中的干酪根基质内部定义为气体溶解相的赋存空间，而干酪根基质外表面定义为气体吸附相的赋存表面。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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