第六届非常规油气地质评价暨新能源学术研讨会
6th Symposium on Unconventional Oil and Gas Geological Evaluation and New Energy

92 / 2021-05-27 15:56:33

基于分子动力学模拟的页岩微尺度孔隙系统中页岩油赋存的机理探讨

页岩油,赋存机理,分子动力学模拟

页岩油气理论与技术

对于复杂致密的页岩油微纳米孔隙系统来说，游离态油可能是页岩油中利用现有技术所能开采的最具潜力的部分。迄今为止，前人已经提出了基于多种地球化学参数来估算页岩中游离油的方法，这些地化参数主要与页岩油的滞留、迁移和驱替过程有关。然而，目前针对页岩微纳米孔隙结构中油的赋存状态相关的机理分析和理论计算模型还较少。本次研究通过建立基于真实地质参数的单组分和混合组分的页岩油分子模型，在黏土矿物和真实干酪根表面开展了分子动力学模拟。通过对平衡态模拟结果的分析去研究饱和烃、芳香烃、非烃和沥青质在亲水和亲油矿物表面和干酪根表面的赋存特征。研究发现油组分在页岩微尺度孔隙表面形成层状排列的“类固态”吸附层，亲水和亲油矿物表面的吸附厚度不同，其平均吸附厚度约为1.88nm。本次研究基于狭缝型孔隙模型建立了矿物和有机质表面的吸附层平均密度和单位面积吸附量的计算模型。对于黏土矿物来说其可作为衡量吸附能力的单位面积的吸附量为1.39mg/m²,而有机质表面为1.78mg/m²，其大小顺序为有机质（干酪根）>蒙脱石>高岭石。不同性质表面油的赋存特征亦不同。通过表面对油组分的相互作用能分析发现，重质烷烃主要受到范德华相互作用而吸附在亲油表面，而非烃等极性化合物受到库伦相互作用和氢键作用的影响易吸附在亲水表面。沥青质在页岩孔隙中主要存在聚集赋存和单分子吸附两种赋存状态。真实干酪根的单位面积吸附能力较矿物和石墨烯弱，其吸附量大主要与有机质孔比表面积大有关。重质烷烃组分溶胀量高，而沥青质等大分子难以进入干酪根而吸附在其表面。随着孔径尺度从小变大，油的吸附密度峰值逐渐减小，当孔隙直径达到4nm时，吸附层密度峰值，吸附厚度及吸附量基本保持不变。随着温度升高总吸附量逐渐减小，且烷烃在亲水表面吸附比例降低，非烃反而增加，在亲油表面正好相反；压力对油吸附量的影响可忽略。基于混合组分页岩油的分子动力学模拟得到的页岩油基础赋存参数，建立了不同孔隙形状下的页岩油吸附比例方程，从而对不同尺寸孔隙中的页岩油赋存特征进行评价。本次研究为页岩微尺度孔隙系统中页岩油的赋存提供了重要的机理性认识，为评价页岩油吸附游离态比例提供了新的思路。