页岩中黏土矿物吸附特性分子模拟

孙仁远，张云飞，范坤坤，史永宏，杨世凯

（1 中国石油大学（华东）石油工程学院，山东 青岛 266580；2 中国石油大学（华东）计算机与通信工程学院，山东 青岛 266580）

引 言

页岩气以游离气和吸附气为主，原位饱和富集于黏土矿物颗粒及孔隙表面，其中吸附气可占赋存总量的20%～85%[1-3]。页岩中CH4的吸附规律对页岩气资源评价及其开发具有重要的作用。对于温度、压力、孔隙结构、矿物组成和含水量等因素对页岩吸附规律的影响已进行了多年的研究[4-9]，但这些研究主要采用传统实验方法，很难反映页岩中黏土矿物对CH4的吸附机理，因此亟需从微观的角度对页岩气的吸附机理进行研究。

计算机分子模拟是一种可以在分子水平对复杂体系进行研究的有效手段，为探讨页岩气吸附机理创造了条件[10]。李希建等[11]从微观角度阐述了煤层CH4吸附与解吸的Monte Carlo（MC）模拟可行性；Ottiger 等[12]采用巨正则Monte Carlo（GCMC）方法对煤层CO2、CH4和N2的竞争吸附进行了模拟。本工作采用计算机理论模拟方法构建了3 种对页岩气吸附起主要作用的黏土矿物的分子模型，研究了不同压力和温度下3 种黏土矿物对CH4的吸附规律，计算了吸附过程中产生的吸附热，得到了黏土颗粒对CH4的微观吸附机理。该研究可对页岩气的勘探开发起到理论指导意义。

1 黏土矿物模型的构建

假设黏土矿物为无水化理想模型，利用Material Studio 软件进行不同黏土矿物模型的构建。

1.1 蒙脱石分子模型的构建及优化

根据蒙脱石基本结构特征（2:1 晶型；单斜晶体C12/m1 空间群；L2PC 对称性结构；……