潤(rùn)濕性巖石表面氣體吸附行為的分子模擬研究

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1、中圖分類號(hào):O469單位代碼:11414學(xué)號(hào):2013216009題目潤(rùn)濕性巖石表面氣體吸附行為的分子模擬研究學(xué)科專業(yè)物理學(xué)研究方向凝聚態(tài)物理碩士生王詩(shī)萌指導(dǎo)教師盧貴武教授高磊副教授二○一六年五月碩士學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明鄭重聲明:本碩士學(xué)位論文是作者個(gè)人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下,獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外,論文中不包含其他個(gè)人和集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果,也不包含為獲得中國(guó)石油大學(xué)或者其它單位的學(xué)位或證書所使用過(guò)的材料。對(duì)本研究做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體,均已在論文中做了明確的說(shuō)明并表示了謝意。作者和導(dǎo)師完全意識(shí)到本聲明產(chǎn)生的法律后果由作者和導(dǎo)師相應(yīng)承擔(dān)。作者簽名

2、:日期:導(dǎo)師簽名:日期:碩士學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者及指導(dǎo)教師完全了解中國(guó)石油大學(xué)(北京)學(xué)位論文版權(quán)使用的有關(guān)規(guī)定,使用方式包括但不限于:學(xué)校有權(quán)保留并向有關(guān)部門和機(jī)構(gòu)送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子版;允許學(xué)位論文被查閱和借閱;學(xué)??梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容,可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編學(xué)位論文;可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索。本學(xué)位論文屬于保密范圍,保密期限0年,解密后適用本授權(quán)書。本學(xué)位論文作者如需公開出版學(xué)位論文的部分或全部?jī)?nèi)容,必須征得導(dǎo)師書面同意,且須以中國(guó)石油大學(xué)(北京)為第一署名單位。作者簽名:日期:導(dǎo)師簽名:日期:

3、-I-摘要摘要天然氣是一種高效、清潔、優(yōu)質(zhì)的能源,同時(shí)也是一種重要的化工原料。目前,氣藏井的勘探開發(fā)在我國(guó)四川、陜西、新疆等地都有很大進(jìn)展。在油氣井壓裂施工增產(chǎn)改造過(guò)程中,巖石表面存在許多氣體組分和有機(jī)相介質(zhì),使得采出的天然氣組分往往不盡如人意。盡管對(duì)于石灰?guī)r油氣藏與流體之間的反應(yīng)研究已經(jīng)持續(xù)了許多年,實(shí)驗(yàn)報(bào)導(dǎo)的混合氣體在巖石表面的吸附順序和相關(guān)機(jī)理迄今為止還沒(méi)有公認(rèn)的結(jié)論。本文以石灰?guī)r油氣藏的主要巖石組分方解石為研究對(duì)象,采用分子動(dòng)力學(xué)方法考察高溫高壓條件下氣體組分在巖石表面的吸附行為,探討活性劑改變巖石表面潤(rùn)濕性的微觀機(jī)理,為油氣藏勘探開發(fā)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論指導(dǎo)。首先,在井下溫度

4、373K、壓強(qiáng)20MPa的條件下,通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬,計(jì)算了水分子、CO2分子、CH4分子和N2分子在方解石(110)表面的結(jié)合能和亥姆霍茲自由能,模擬過(guò)程采用NVT系綜,模擬時(shí)間1ns。研究結(jié)果表明氣體分子在方解石(110)表面的吸附順序?yàn)椋篐2O>CO2>CH4>N2。密度分布和徑向分布函數(shù)分析顯示,方解石(110)表面為親水表面,且水分子在其表面呈現(xiàn)出雙層吸附行為,CO2分子表現(xiàn)為單層吸附,CH4分子和N2分子則沒(méi)有明顯的吸附特征。其次,本文選擇乙醇為活性劑改變方解石表面的潤(rùn)濕性。在相同條件下,通過(guò)對(duì)乙醇分子在方解石表面吸附行為的分子動(dòng)力學(xué)模擬,發(fā)現(xiàn)在方解石(110)表面乙醇分子

5、排布規(guī)律有序,且碳鏈(CH2-CH3)朝外側(cè)分布,-OH基團(tuán)朝結(jié)晶表面吸附,其中-OH中的O原子向Ca原子靠近,H原子向巖石中的O原子靠近。結(jié)合能和徑向分布函數(shù)的分析表明乙醇分子的吸附性優(yōu)于水分子,方解石(110)表面被乙醇分子完全覆蓋并形成一層緊密的疏水層,改變了方解石的潤(rùn)濕性。最后,在吸附有乙醇分子的方解石表面,采用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了水、CO2和CH4三種分子的吸附行為,結(jié)果表明水分子結(jié)合能顯著降低,表現(xiàn)出單層吸附特征,而CO2分子和CH4分子均沒(méi)有鮮明的吸附特征。由此可以說(shuō)明,在工業(yè)上加入乙醇溶劑突破水鎖效應(yīng)和提高天然氣采收率是非??尚械霓k法。關(guān)鍵詞:分子動(dòng)力學(xué);方解石;氣體吸

6、附;表面活性劑;結(jié)合能-II-ABSTRACTMoleculardynamicsinvestigationontheadsorptionbehaviorsofgasesonwettingrocksurfaceABSTRACTNaturalgasisoneofthemostefficientandhigh-qualityenergyacrosstheworld.Inrecentyears,thegasreservoirexplorationhavemadeagreatprogressinSichuan,Shanxi,Xinjiangprovincesandsooninourcountry

7、.Duringthefracturingstimulationandtransformationprocessofgaswells,therearemanygascomponentspresenceonthereservoirrocksurface,suchasN2,CO2,CH4,andH2Oandsoon.Limestoneandchalkprovideasubstantialportionoftheworld’shydrocarbonre

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