關鍵詞：頁巖油,提高采收率，CO2封存，分子動力學，lammps

摘要：應用CO2提高致密油采收率具有巨大的發展潛力，目前已經成為致密油藏開發領域的研究熱點。近年來，分子模擬方法在探究納米尺度下分子間相互作用方面展現出巨大的技術優勢。因此，本文采用分子動力學模擬方法，研究體相及納米孔隙中CO2/原油的混相機理，以及納米孔隙中CO2驅替原油的作用規律：另外，根據現場應用時CO2的注采工藝特點，分別開展了CO2加壓驅替以及降壓抽提原油時的混相行為研究：最后，根據氣驅的基本特點，提出并分析了CO2/N2段塞驅提高致密油采收率的方法與微觀機理。

整個分子動力學過程通過Lammps實現，其中部分壁面需要在MS中進行調整。全部流程如下：

1，建立壁面模型(干酪根，石墨烯，二氧化硅，蒙脫石，高嶺石，伊利石，方解石等)；建立原油組分分子結構；建立注入氣(CO2, CH4, N2)的分子結構；

2，賦予干酪根CVFF力場，粘土礦物ClayFF力場，CO2, N2分別用fix rigid設為剛體，CH4用聯合原子力場，原油組分用OPLS力場。

3，利用in文件將壁面，油，CO2氣體，板子等組合成data文件。

4，進行能量最小化，設置平板移動速度進行分子動力學模擬。

首先設置一個初始尺寸較大的模擬盒子，大小為22×5.2×10 nm3，將24個干酪根分子(如圖1所示)均勻排列至模擬盒子內。體系設置為NVT系綜，初始溫度設置為330 K，最高溫度設置為900 K,經過一系列的退火模擬使干酪根結構趨于穩定，體系達到平衡。接著，在體系的z方向頂部和底部分別設置LJ勢能壁，該壁面對于干酪根僅保留排斥作用，以減少對于干酪根結構的影響。固定下壁面靜止不動，使上壁面垂直向下緩慢移動，對團狀干酪根進行縱向壓縮，逐漸移動至z = 1.5 nm時停止運動。在x方向再進行同樣的操作，固定干酪根z方向壁面，在體系的x方向左右兩側設置LJ勢能壁，固定左側壁面，使右壁面向左緩慢移動，對干酪根進行橫向壓縮。當右壁面移動至x=15 nm時壁面固定不動。最終，在330 K溫度下繼續模擬500 ps，得到的干酪根結構基本穩定，最終構型如圖2所示。整個塊狀的干酪根尺寸約為15×5.2×1.5 nm3。計算該模擬干酪根的密度為1.19 g/cm3，符合Ⅱ型干酪根的實驗值密度范圍(1.18 - 1.35 g/cm3)。

通過所得干酪根建立5 nm寬的狹縫孔。在干酪根左側添加CO2，盒子尺寸為9.15×5.2×8 nm3,按照330 K，30 MPa溫度壓力條件填充CO2分子數量。在干酪根孔隙內填充一定量的頁巖油分子，比例為甲烷(8wt.%)、正辛烷(42wt.%)以及正二十烷(50wt.%)。右側設置真空層，以避免橫向周期性邊界的影響。在模擬驅替之前，首先在NVT系綜下對于孔隙內烷烴進行1 ns平衡模擬，模擬真實儲層孔隙內烷烴吸附的效果。在CO2流體的左側放置一塊壓力板，對該板設置驅替速度，以驅動狹縫孔內流體向右前方運動。系統溫度始終保持330 K，時間步長設置為1 fs。每1000步記錄數。有機孔隙模型如圖4.3所示，甲烷、辛烷、二十烷以及CO2分子顏色分別標記為黃、紅、藍和粉色。

有機質孔隙內驅替過程如圖4所示，CO2流體隨著壓力板的推動進入孔隙后驅使頁巖油分子向前移動，但驅替效果并不理想。可以觀察到壁面仍吸附有大量的烷烴分子。這層附著在壁面的油膜分布甚廣，即從孔隙入口段就鋪展開直至孔隙出口端。圖5展示了有機孔隙內甲烷與二十烷在x方向的密度分布。辛烷的密度峰值隨驅替時間推移下降明顯，在2 ns時辛烷吸附峰值僅為0.16 g/cm3，而四種無機孔隙內峰值分布在0.18 - 0.30 g/cm3。且辛烷的運移距離均小于四種無機孔隙內的表現，未到達孔隙出口端。二十烷密度變化形態與方解石孔相似，驅替距離較短且表面剩余油較多。

圖5 不同時間下(a)烷烴在有機孔隙內X方向密度分布；

(b)烷烴在X方向運移距離

計算烷烴質心在x方向的變化值，可以代表一類烷烴流體的運移距離，在相同時間內流體較長的運移距離也代表著孔隙內CO2對該流體產生較大的驅替速度。干酪根孔隙內辛烷和二十烷的運移距離最短，而四種無機孔隙內烷烴運移距離表現為：蒙脫石>長石>石英>方解石。通過上述分析可得，在有機孔隙內CO2對于烷烴的驅替效果明顯弱于無機孔隙。

計算體系內相互作用能，研究烷烴-CO2與烷烴–壁面之間的能量差，表示體系內CO2對于烷烴驅替能力的強弱。計算結果如圖5所示。隨著驅替速度增加，曲線基本上呈下降趨勢。對于長石和方解石孔隙，該值始終為負值。說明盡管CO2驅替能力會隨速度增長而有所下降，但仍可以保持在一個較好的驅替效果。而在干酪根孔隙內，僅有驅替速度為2 m/s時滿足條件。因此，對于干酪根孔隙而言，驅替速度的大小對于CO2驅替行為具有重要影響。

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