高嶺石甲烷吸附規律的分子模擬研究

唐巨鵬，孫勝杰，包思遠

（遼寧工程技術大學力學與工程學院，遼寧阜新123000）

頁巖氣勘探開發是清潔能源領域的研究熱點， 相比常規氣藏，頁巖氣主要以吸附態賦存于頁巖層中的有機質和黏土礦物中，吸附態頁巖氣達到總氣體體積的20%～85%［1］。頁巖氣以甲烷為主要成分，同時含有少量乙烷、丙烷等氣體混合物，目前頁巖氣吸附特性研究主要針對甲烷的吸附性質［2］。有機質和黏土礦物作為頁巖的吸附載體，決定其吸附甲烷性能的強弱。黏土礦物吸附能力小于有機質［3］，但作為頁巖的重要組成部分，其含量超過50%，對甲烷吸附的貢獻不可忽視。

黏土礦物主要有蒙脫石、伊利石和高嶺石等，已有許多學者從實驗角度研究了甲烷在不同溫度、壓力、孔隙結構、礦物組成和含水率等條件下的吸附特性，并得到相應的吸附規律［4-7］。在宏觀研究不斷推進的基礎上，從微觀角度研究多孔介質吸附性能的理論也日益成熟，計算機的快速發展使分子模擬技術成為一種可以在分子或原子水平上對復雜體系進行研究的有效手段，為探討頁巖氣吸附機理創造了條件。TITILOYE等應用分子模擬方法，研究了甲烷在蒙脫石層間域的賦存形式和運移機理［8-9］。李文華等采用巨正則蒙特卡洛方法計算不同埋深下蒙脫石對甲烷和二氧化碳的競爭吸附特性，結果表明二氧化碳與蒙脫石之間的吸附性能強于甲烷，利用二氧化碳驅替置換甲烷具有合理性［10］。GEATCHES等通過第一性原理對伊利石結構進行了模擬計算，在伊利石單胞基礎上分別對四面體和八面體片層上進行摻雜［11］。……