摘要
页岩气是一种清洁高效的非常规油气资源，其主要成分是CH4，20-85%的页
岩气以吸附的方式赋存于纳米孔隙，因此正确理解CH4在纳米孔隙中的吸附扩散机
理是页岩气开采的基础。本文采用巨正则蒙特卡洛和分子动力学相结合的方法模拟
分析了CH4在纳米孔隙中的吸附特点，并探究了不同摩尔组分下CO2和CH4的竞
争吸附，最后进行了CO2对CH4的动力学驱替模拟研究，讨论了粗糙度、温度、
压强、孔径等因素的影响。具体研究内容和结果如下：
以石墨烯代替页岩有机质构建了0.9-6nm的粗糙狭缝孔隙，讨论了孔隙粗糙
度、温度、压力、孔径大小等因素对其吸附的影响。结果表明：甲烷的吸附属于物
理吸附，粗糙度越大，吸附热越大。粗糙度还减小了孔隙的有效体积，粗糙狭缝吸
附能力不如光滑孔隙。甲烷在粗糙孔隙内呈不均匀分布，在光滑狭缝两侧孔壁分别
形成一个吸附层，而在粗糙孔隙孔壁凹陷和凸起处形成两个吸附层，其峰值密度约
为光滑孔隙吸附层的一半。甲烷的超额吸附量和绝对吸附量在微孔(≤2nm)中随孔
(2nm)
径的增大而增大，在介孔＞中随孔径的增大而减小。
基于真实干酪根分子建立页岩基质和狭缝模型，模拟了CO/CH混合气体不同
24
COCH
组分下的竞争吸附。结果表明：比有更的强吸附能力，相同摩尔组分下，
24
COCH2-31-2COCH
基质中2的吸附量约为4的倍，狭缝为倍。此外，2比4有优先
1
吸附特性，这种优先程度在低压下更明显，两种孔隙中的吸附选择性系数均大于，
COCOCH
且这种选择性随的摩尔含量升高而降低。和在干酪根基质中主要吸附
224
SNCOCH
于含、等官能团，在狭缝中2主要吸附孔壁形成吸附层，4大量以游离态
存在，少数形成弱吸附层。水的存在降低了气体的吸附，干酪根含氧基团有较强的
亲水性，水分子取代了CO2和CH4在含氧基团上的吸附，减少了气体的吸附。
在石墨狭缝模型的基础上建立了半封闭孔隙和连通孔隙驱替模型。模拟结果表
明：连通模型有更高的驱替效率，相同条件下，连通孔隙的驱替效率是半封闭模型
的1.2-3倍。狭缝的粗糙度主要减小CO2分子流速，几乎不影响CO2对CH4的驱替
效率。在用CO2驱替CH4开采页岩气的过程中，高温有助于页岩气的开采，低温
COCO
有利于的封存；在小孔隙中有更高的驱替效率，但在大孔径中有更好的封
22
存效果。
CO
关键字：页岩气；吸附；驱替；粗糙度；干酪根
2
I
II