煤中多组分气体扩散的分子动力学研究获进展

气体在致密储层中的运移是地下气体能源（如煤层气和页岩气）开采的关键问题，大量吸附态气体经历解吸、扩散进入裂隙后，经渗流得以开采。扩散是气体从致密储层微孔中进入裂隙的主要方式，对气体扩散过程的深入理解对于能源气体开发有重要意义。

近日，中国科学院武汉岩土力学研究所科研人员利用分子动力学，研究了煤层气主要成分甲烷（CH4）和CO2单组分气体及其混合气体在煤中的自扩散和互扩散行为，分析了分子水平上煤的自由体积和气体分子径向分布函数，发现自由体积的大小和空间分布对气体分子的扩散起着重要的作用。

由于地下储层对二氧化碳（CO2）良好的吸附性，向煤层中注入CO2一方面可增加煤层气，另一方面可实现温室气体的地下封存。由于CO2的注入，使得储层中同时存在两种以上的气体，其扩散行为不同于单种气体的扩散。

研究发现，气体的自扩散系数受到浓度、温度和组分的影响。随着浓度的增大，气体的自扩散系数减小；径向分布函数表明，扩散过程中气体没有团簇现象。研究人员首次计算了多组分气体（CO2-CH4）扩散系数矩阵（互扩散系数），结果表明CO2和CH4扩散相互耦合，其耦合强度取决于扩散矩阵的非对角元素，耦合强度随着气体浓度的增加而下降，通常情况下，注入CO2后气体在煤中的扩散服从多组分气体扩散方程，只有在深部地层（3200米以下），气体间的耦合减弱，可简化为单组分扩散。

该研究在分子水平上揭示了气体在储层中扩散的微观机制，并提供了实验上难以达到条件或难以测量的宏观多组分扩散系数，为预测气体运移提供了参数输入，相关成果发表在Fuel期刊上。

《中国科学报》(2019-09-04第5版创新周刊)

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