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。相对渗流，扩散属于慢过程，是气体运移的决速步骤，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。

　　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。

　　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单组份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。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，可简化为单组份扩散。

　　该研究一方面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参数输入。

　　该研究获得国家自然科学基金和国家重点研发计划的资助。相关成果发表在Fuel（187 (2017), 220-228）期刊上。