中国坐拥世界第一大页岩气资源, 页岩气可采资源潜力为 25.1 万亿立方米.尽管页岩气具有储量巨大、低碳清 洁等优势, 但是我国页岩气的赋存特点导致了其开发难度巨大. 我国页岩地层极深 (~3 km), 页岩孔隙结构复杂、孔喉直径非常小, 渗透率极低 (<1 μD), 并且 70% 的页岩气以吸附气的方式储集在页岩中, 必须进行水力压裂才能进行商业化开采, 而 “甜点区” 水资源紧缺. 因此, 通过传统的压裂、加热、减压、化学试剂注入等方法开采, 效率极低、成本极高, 并且会导致生态、地质和安全问题, 这直接导致了目前我国页岩气的采收率极低、发展缓慢的现状. 目前国内外的研究者们已经在其中的某些方面开展了相关的研究工作, 并取得了一定的研究进展. 然而这些工作大多是基于连续介质的模型上通过不同方式的修正进行展开的. 要研究清楚气体在纳米孔中的吸附/解吸和驱替的规律与机理, 需要从量子力学和统计力学出发, 真正考虑到系统的原子、分子尺度结构, 并且结合实验和模拟多种手段, 才能获得较为本质的认识.

本学位论文在此背景下, 主要围绕 CH₄ 在微纳孔隙中的吸附、解吸及驱替动力学展开研究, 针对多孔介质中毛细凝聚和吸附相变、驱替运移两大关键科学问题, 通过第一性原理及分子动力学 (MD) 跨尺度模拟, 统计力学和准连续介质理论分析以及实验观测相结合的方法, 开展研究工作.

基于分子吸附过程中空间点群的变化, 厘清了吸附过程中对称性破缺机理并确立了高对称性位点; 通过范德华修正的密度泛函理论 (DFT-D2) 计算不同分子在石墨烯上的吸附位点及吸附能. 基于 MD 计算了多种分子在石墨烯表面的三维势能分布及不同分子在石墨烯表面对应吸附位点的吸附能. 阐明了 CH₄ 在石墨烯缝隙中的吸附特性及其作为页岩模拟模型的依据. 通过理论分析研究了 CH₄ 与石墨烯的相互作用势, 探讨了石墨烯层数对相互作用势的影响.

建立了等效吸附应力模型和应变-吸附理论. 结合粒子间相互作用势, 提出了一种简单而有效的方法来描述或计算吸附剂在吸附和解吸过程中的应力场. 从统计力学配分函数出发, 得到了吸附量与基底表面性质的关系, 结合 Cauchy-Born 准则, 厘清了基底应变和吸附能对吸附量的影响及其量化关系, 为后续设计出更为实用的吸附模型提供理论指导.

通过 MD 模拟, 厘清了驱替过程中需跨越能垒的动力学过程及微观机理. 从热动平衡熵判据出发, 通过分析不同直线型、非直线型分子在游离态及吸附态时构形熵的变化, 揭示了超临界流体驱替天然气过程中自发、熵变、放热等详细过程, 进而解释不同超临界流体驱替效率的差异. 明确了超临界流体驱替受限 CH₄ 的动力学过程及驱替效率, 为业界筛选驱替介质.

从实验出发, 通过 FE-SEM 观察、图像分析、盒计数法, 获得了在地下 3000 米深的多块页岩样品的原位孔隙结构及其分形特征. 基于图像识别, 建立多孔介质模型, 首次实现了深部页岩气的原位模拟. 阐明了超额吸附等温线交叉现象的微观机理并建立了高压 Langmuir 吸附模型. 厘清了解吸迟滞现象的微观机理及其存在性条件.

本论文探索了页岩气在微纳孔隙中的吸附、解吸及驱替动力学的微观机理, 为解决页岩气开采中存在的基本难题提供理论基础, 为推进工业界形成新的非常规能源开发核心技术, 提供指导和预测.