【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于煤层气勘探开发，具体涉及煤体纳米孔隙结构中气体吸附解吸过程的分子模拟方法。
技术介绍
1、随着煤炭资源开发强度和深度的不断增加，煤层气的勘探潜力得以突破，推动着煤炭精准开采和能源供需跃进目标的早日实现。然而，煤体渗透率低、孔隙度小、地质构造复杂等因素使得煤层气的开发和对其储运特性的理解面临巨大的挑战。因此，煤层气在煤体内的赋存特性和运移规律依旧是目前煤层气藏开发研究中的热点和难点。
2、煤是一种天然的双重多孔介质，具有复杂多样的多尺度孔裂隙网络，限制着煤体储气含量、解吸速率及扩散流动等发展过程。其中，孔隙形态是重要的孔隙结构特征参数，对煤层气的富集程度、赋存状态和运移规律的影响不可忽视。虽然已有学者围绕孔隙形态在煤层气解吸和扩散过程中的重要作用开展相关研究，应用分子模拟手段从微观角度揭示煤层气的赋存机理，以刚性碳原子、石墨烯或碳纳米管为基础构型构建有机质孔隙模型，运用巨正则蒙特卡罗及分子动力学方法，提出了孔隙结构对气体解吸扩散规律影响的相似模拟研究，但发现这些研究中所建孔隙模型的壁面材料对气体吸附解吸特征影响较大，同时无法契合煤层气的实际储存环境。由此可知，对于不同形态孔隙结构中气体分子微观吸附解吸过程的探索不够深入，尚未构建真实的煤体孔隙结构模型，难以揭示煤体孔隙形态与煤层气储运特性之间的相应关系。
3、因此，亟待从微观分子层面提出一种煤体纳米级孔隙结构构建方法及气体吸附解吸过程的模拟方法，揭示煤体孔隙形态差异对煤层气吸附解吸特性的影响，进而解决煤体内不同赋存形式气体定量化表征难题，努力实
技术实现思路
1、针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种煤体纳米孔隙结构中气体吸附解吸过程的分子模拟方法，尤其涉及一种基于蒙特卡洛和分子动力学方法模拟煤体不同形态孔隙模型中气体吸附解吸过程的新方法。
2、为解决上述问题，本专利技术提供了如下的技术方案：
3、本方案提供的一种煤体纳米孔隙结构中气体吸附解吸过程的分子模拟方法，包括如下五个步骤：
4、s1构建煤体内不同形态的纳米级单个孔隙模型：运用晶体充填法，构建煤体致密固体基质下形态各异的纳米级单个孔隙模型，在与构型平面垂直和平行的方向上均使用周期性边界，形成初始化的孔隙模拟空间；
5、s2获取孔隙模型的结构参数和形态分布特征：以氦气分子动力学直径大小的球形探针为标准，计算孔隙模型的体积和表面积大小；沿xz平面方向制作孔隙形态切片，获取所建孔隙模型的形态分布特征；
6、s3孔隙模型内气体吸附过程模拟：将s1中构建的孔隙模型作为气体吸附的初始构型，获取气体逸度与压力的对应关系，以逸度为输入参数，采用蒙特卡洛-结构优化-分子动力学耦合方法，模拟单个孔隙模型在给定条件下对气体的物理吸附过程，得到目标压力值和温度值下能量最低的平衡态吸附构型和等温吸附曲线；
7、s4吸附平衡后气体分子赋存形式的定量化表征方法：利用原子组定义法则，在平衡态吸附构型中提取孔壁附近某一特定范围内的气体分子，定义为紧密束缚的吸附层，剩余分子定义为游离扩散的自由层，分别计算各分子层所占比例，实现不同赋存形式气体分子的量化区分；
8、s5孔隙模型内气体分子宏观解吸过程模拟：在s3所得平衡态吸附构型的z方向上插入真空层，使得孔隙结构与外部气相空间相连；随后，应用分子动力学方法模拟煤体孔隙模型内气体分子瞬时解吸并扩散至气相空间的全过程，揭示实际工程应用中常见的宏观解吸现象。
9、在步骤s1中，所述的煤体纳米级单个孔隙模型的构建过程包括如下步骤：
10、s11以金刚石晶体作为内置充填材料的基础构型，将其聚合成不同的几何形状；
11、s12确定周期性晶胞盒子的尺寸(x、y、z)，将聚合成的金刚石晶体构型固定于晶胞盒子的目标位置上；
12、s13基于受限空间充填-分子动力学耦合方法，循环“煤大分子充填-分子动力学方法平衡弛豫-煤大分子充填”的过程，将煤大分子模型随机插入至晶胞盒子的剩余空间内，当晶胞盒子内煤大分子密度分布达到预期密度值时，停止循环过程；对完成充填的晶胞盒子依次进行几何结构优化、退火模拟和动力学弛豫，完成系统的能量和结构优化；
13、s14移除晶胞盒子中内置的金刚石晶体，得到目标孔径和形态的煤体纳米级单个孔隙模型。
14、在步骤s4中，所述的气体分子赋存形式的定量化表征方法包括如下步骤：
15、s41在平衡态吸附构型中，基于原子组定义法则依次选定孔壁附近0.1nm以内和0.1nm以外的气体分子，分别定义为紧密束缚的吸附层分子qa和游离扩散的自由层分子qf；
16、s42依据吸附平衡状态下孔隙模型中气体的绝对吸附量q，得到不同赋存形式的吸附层分子qa和自由层分子qf占绝对吸附量q的比例值na和nf，记为计算值；
17、s43基于绝对吸附量q和s2中获取的孔隙结构参数，计算气体的过剩吸附量qe，具体公式如下：
18、qe＝q-napvmp/rt (1)
19、式中：qe——过剩吸附量,cm3/g；
20、q——绝对吸附量,cm3/g；
21、na——阿伏伽德罗常数,6.02×1023；
22、vmp——孔隙体积,cm3；
23、r——通用气体常数,8.31j·mol-1·k-1；
24、t——温度，k；
25、将过剩吸附量qe与绝对吸附量q的比值定义为吸附层分子比例的理论值ne，(1-ne)定义为自由层分子比例的理论值，一一对比计算值和理论值，当误差范围控制在10％以内时，证明原子组定义法则中所取间距大小合理。
26、在步骤s5中，所述的气体分子宏观解吸过程模拟包括如下步骤：
27、s51在平衡态吸附构型的z方向上插入真空层，模拟吸附构型外部的气相空间，为平衡态吸附构型中气体分子的解吸扩散行为提供空间条件，进而形成气体分子宏观解吸模拟的初始构型；
28、s52对初始构型进行总时长为100皮秒(ps)的动力学模拟，设定系综为正则系综(nvt)，观察不同时段下孔隙模型中气体分子向低浓度气相空间内解吸扩散的全过程；
29、s53分析煤体纳米孔隙结构中气体分子的解吸特征。
30、由于采用上述的技术方案，本专利技术专利的有益效果是：
31、(1)本专利技术提出了基于煤大分子模型的煤体孔隙模型的构建方法，实现了煤体中不同形态纳米级孔隙结构的构建，还原了煤基质内孔隙结构的真实形貌，考虑了孔隙形态差异引起的煤层气储量差异，揭示了煤层气在真实煤体纳米级孔隙中的复杂赋存行为，使得从分子层面剖析煤体内部复杂孔隙网络与煤层气赋存微观机理之间的关系成为可能，为煤层气高效开采提供新思路。
32、(2)本专利技术提出了一种煤体中不同赋存形式气体定量表征的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.煤体纳米孔隙结构中气体吸附解吸过程的分子模拟方法，其特征在于，包括如下五个步骤：
2.根据权利要求1所述的煤体纳米孔隙结构中气体吸附解吸过程的分子模拟方法，其特征在于，在步骤S1中，所述的煤体纳米级单个孔隙模型的构建过程包括如下步骤：
3.根据权利要求1所述的煤体纳米孔隙结构中气体吸附解吸过程的分子模拟方法，其特征在于，在步骤S4中，所述的气体分子赋存形式的定量化表征方法包括如下步骤：
4.根据权利要求1所述的煤体纳米孔隙结构中气体吸附解吸过程的分子模拟方法，其特征在于，在步骤S5中，所述的气体分子宏观解吸过程模拟包括如下步骤：
【技术特征摘要】
1.煤体纳米孔隙结构中气体吸附解吸过程的分子模拟方法，其特征在于，包括如下五个步骤：
2.根据权利要求1所述的煤体纳米孔隙结构中气体吸附解吸过程的分子模拟方法，其特征在于，在步骤s1中，所述的煤体纳米级单个孔隙模型的构建过程包括如下步骤：
3.根据权利要求1所述的...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐超，王文静，王凯，郭琳，杨通，蔡永博，苑永旺，胡园园，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。