超临界CO2剥离页岩油的作用机理研究

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近年来,我国面临能源短缺和环境恶化的双重压力。随常规油气藏开采量日益下降,油藏开采难度大。世界各国逐渐将重心转移到非常规油气的开采,包括:致密砂岩油气、煤层气、页岩油气等。在微纳米尺度上,油气(不同链长烷烃)因纳米尺度效应多数附着于岩石孔道壁面处,导致非常规油气藏难以高效开采。超临界CO2具有强扩散、吸附能力等。目前在微纳米尺度下驱油的常规实验在技术上受到了极大的限制,且超临界CO2驱替下油藏内部各组分间存在的相互作用复杂。因此本文采用MD(分子动力学模拟)手段,研究超临界CO2剥离页岩油的作用机理,探究不同岩石孔道类型对页岩油剥离的影响机制,为页岩油的开采提供理论基础。对正己烷/超临界CO2/Si O2壁面体系的模拟结果表明:超临界CO2剥离油膜的步骤:起初,CO2通过GCMC(蒙特卡洛)模拟进入体系快速填充孔道内的自由空间;接着,CO2通过扩散进入C6团簇在岩石壁面处形成的油膜,造成油膜结构疏松;最终,在CO2与Si O2壁面强相互作用下,CO2吸附在壁面上造成油膜最终脱离壁面。不同二氧化碳注入压力下(6.0MPa、7.5MPa、9.0MPa、10.5MPa、12.0MPa),从溶胀油膜的效率以及剥离速率、扩散渗透作用、径向分布函数、相互作用能等方面阐述不同二氧化碳注入压力溶胀剥离页岩油膜的作用机理。结果表明在10.5MPa时发生转折,正己烷的剥离速率达到1.5,此时剥离效率为38.2%,预测在10.5MPa附近正己烷/超临界CO2/Si O2壁面体系中两组分达到混相状态,为最小混相压力提供一种简便的预测方法。此外,不同注入压力影响不同组分与壁面间的相互作用能,从而深入揭示了剥离机理。对不同壁面类型(石英Si O2、蒙脱石MMT、方解石Ca CO3)/超临界CO2/正己烷三种体系的模拟结果表明:不同壁面类型下,吸附正己烷的结构不同。发现不同岩石孔隙对正己烷的吸附能力有所差异,由强到弱分别是:Ca CO3>MMT>Si O2。该顺序与相互作用能结果一致,说明主要驱动力是壁面与正己烷之间的相互作用能。超临界CO2注入后,统计并计算了不同壁面下,超临界CO2剥离正己烷的速率以及效率,结果发现在剥离速率以及效率排序分别为:VSi O2>VMMT>VCa CO3,ηSi O2>ηMMT>ηCa CO3。与相互作用能的结果一致,在剥离过程中的阻力来自于正己烷与壁面之间的相互作用能,复杂的相互作用是超临界CO2驱替页岩油的作用机制。为不同壁面下的页岩油剥离提供了理论基础。
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