多孔介质内甲烷碳同位素迁移扩散的分子动力学模拟研究

刘 畅，张慧，赵耀中，陈威，2

(1.苏州大学能源学院，江苏 苏州 215006；2.中国航天科技集团有限公司氢能工程技术研发中心，北京 100074；3.北京航天试验技术研究所，北京 100074)

随着常规油气资源的日趋紧缺和出于能源清洁的考虑，页岩气这一清洁能源已成为多国学者研究的热点之一[1]。页岩气作为一种非常规能源，由于其具有储量丰富，燃烧时污染程度低的优良性能[2]，在能源领域发挥着越来越重要的作用。近年来，水平钻井和压裂技术的发展提高了页岩气的开采能力，促进了美国“页岩气革命”的成功。学者们对致密页岩内的气体流动展开了相关研究，但是目前对于页岩气在纳米级孔尤其是在含孔喉纳米孔中的吸附、扩散和同位素分馏特征仍不十分清晰[3]。

稳定碳同位素气体的组成、分馏可以为各成熟阶段的天然气提供有价值的地球化学信息，如气体的成因、示踪运移、聚集和散失等[4-7]，也被作为探索页岩内部气体分子微观尺度非线性输运过程的新方法。甲烷气体产出具有明显的多尺度流动的特征，包含了渗流、吸附/脱附和努森扩散等大量分子层次的非线性流动，其流体的渗透率和有效扩散系数等参数不再是常数[8]。在纳米级孔内不但存在烷烃气体分子的相对运动，而且存在甲烷同位素气体(12CH4和13CH4)的分馏(即在流动、吸附和热解等物理或者化学过程中，轻、重同位素分子的丰度在物相之间重新分配，12CH4和13CH4相对比例发生浮动)。由于实验技术和测量手段的限制，目前还无法直接观测热采工况下致密页岩内部甲烷的赋存状态和微观流动现象。……