氣體在致密儲(chǔ)層中的運(yùn)移是地下氣體能源（如煤層氣和頁(yè)巖氣）開采的關(guān)鍵問題，大量吸附態(tài)氣體經(jīng)歷解吸、擴(kuò)散進(jìn)入裂隙后，經(jīng)滲流得以開采。擴(kuò)散是氣體從致密儲(chǔ)層微孔中進(jìn)入裂隙的主要方式，對(duì)氣體擴(kuò)散過程的深入理解對(duì)于能源氣體開發(fā)有重要意義。

近日，中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所科研人員利用分子動(dòng)力學(xué)，研究了煤層氣主要成分甲烷（CH4）和CO2單組分氣體及其混合氣體在煤中的自擴(kuò)散和互擴(kuò)散行為，分析了分子水平上煤的自由體積和氣體分子徑向分布函數(shù)，發(fā)現(xiàn)自由體積的大小和空間分布對(duì)氣體分子的擴(kuò)散起著重要的作用。

由于地下儲(chǔ)層對(duì)二氧化碳（CO2）良好的吸附性，向煤層中注入CO2一方面可增加煤層氣，另一方面可實(shí)現(xiàn)溫室氣體的地下封存。由于CO2的注入，使得儲(chǔ)層中同時(shí)存在兩種以上的氣體，其擴(kuò)散行為不同于單種氣體的擴(kuò)散。

研究發(fā)現(xiàn)，氣體的自擴(kuò)散系數(shù)受到濃度、溫度和組分的影響。隨著濃度的增大，氣體的自擴(kuò)散系數(shù)減小；徑向分布函數(shù)表明，擴(kuò)散過程中氣體沒有團(tuán)簇現(xiàn)象。研究人員首次計(jì)算了多組分氣體（CO2-CH4）擴(kuò)散系數(shù)矩陣（互擴(kuò)散系數(shù)），結(jié)果表明CO2和CH4擴(kuò)散相互耦合，其耦合強(qiáng)度取決于擴(kuò)散矩陣的非對(duì)角元素，耦合強(qiáng)度隨著氣體濃度的增加而下降，通常情況下，注入CO2后氣體在煤中的擴(kuò)散服從多組分氣體擴(kuò)散方程，只有在深部地層（3200米以下），氣體間的耦合減弱，可簡(jiǎn)化為單組分?jǐn)U散。

該研究在分子水平上揭示了氣體在儲(chǔ)層中擴(kuò)散的微觀機(jī)制，并提供了實(shí)驗(yàn)上難以達(dá)到條件或難以測(cè)量的宏觀多組分?jǐn)U散系數(shù)，為預(yù)測(cè)氣體運(yùn)移提供了參數(shù)輸入，相關(guān)成果發(fā)表在Fuel期刊上。

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》(2019-09-04第5版創(chuàng)新周刊)

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