煤中多組分氣體擴散的分子動力學研究獲進展

　　氣體在致密儲層中的運移是地下氣體能源（如煤層氣和頁巖氣）開采的關鍵問題，大量吸附態氣體經歷解吸、擴散進入裂隙后，經滲流得以開采。擴散是氣體從致密儲層微孔中進入裂隙的主要方式，對氣體擴散過程的深入理解對于能源氣體開發有重要意義。

　　近日，中國科學院武漢巖土力學研究所科研人員利用分子動力學，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散和互擴散行為，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，發現自由體積的大小和空間分布對氣體分子的擴散起著重要的作用。

　　由于地下儲層對二氧化碳（CO2）良好的吸附性，向煤層中注入CO2一方面可增加煤層氣，另一方面可實現溫室氣體的地下封存。由于CO2的注入，使得儲層中同時存在兩種以上的氣體，其擴散行為不同于單種氣體的擴散。

　　研究發現，氣體的自擴散系數受到濃度、溫度和組分的影響。隨著濃度的增大，氣體的自擴散系數減小；徑向分布函數表明，擴散過程中氣體沒有團簇現象。研究人員首次計算了多組分氣體（CO2-CH4）擴散系數矩陣（互擴散系數），結果表明CO2和CH4擴散相互耦合，其耦合強度取決于擴散矩陣的非對角元素，耦合強度隨著氣體濃度的增加而下降，通常情況下，注入CO2后氣體在煤中的擴散服從多組分氣體擴散方程，只有在深部地層（3200米以下），氣體間的耦合減弱，可簡化為單組分擴散。

　　該研究在分子水平上揭示了氣體在儲層中擴散的微觀機制，并提供了實驗上難以達到條件或難以測量的宏觀多組分擴散系數，為預測氣體運移提供了參數輸入，相關成果發表在Fuel期刊上。