页岩油在干酪根中吸附行为的分子动力学模拟与启示

doi:10.11743/ogg20230609

石油与天然气地质 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (6): 1442-1452.doi: 10.11743/ogg20230609

页岩油在干酪根中吸附行为的分子动力学模拟与启示

王民^1,²(), 余昌琦², 费俊胜^2,³, 李进步^1,⁴, 张宇辰², 言语^1,², 吴艳², 董尚德², 唐育龙²

^1.全国深层油气重点实验室，山东青岛 266580
^2.中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东青岛 266580
^3.中国石化江苏油田分公司物探研究院，江苏南京 211103
^4.中国科学院广州地球化学研究所，广东广州 510640

收稿日期:2023-07-16 修回日期:2023-09-04 出版日期:2023-12-01 发布日期:2023-12-20
第一作者简介:王民（1981—），男，教授、博士生导师，致密/页岩油气地质与资源评价。E?mail： wangm@upc.edu.cn。
基金项目:
国家自然科学基金项目(41922015);中央高校基本科研业务费项目(22CX07001A)

Molecular dynamics simulation of shale oil adsorption in kerogen and its implications

Min WANG^1,²(), Changqi YU², Junsheng FEI^2,³, Jinbu LI^1,⁴, Yuchen ZHANG², Yu YAN^1,², Yan WU², Shangde DONG², Yulong TANG²

^1.Key Laboratory of Deep Oil and Gas，Qingdao，Shandong 266580，China
^2.School of Geosciences，China University of Petroleum （East China），Qingdao，Shandong 266580，China
^3.Geophysical Research Institute of Jiangsu Oilfield Branch，SINOPEC，Nanjing，Jiangsu 211103，China
^4.Guangzhou Institute of Geochemistry，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou，Guangdong 510640，China

Received:2023-07-16 Revised:2023-09-04 Online:2023-12-01 Published:2023-12-20

摘要/Abstract

摘要：

有机质及其相关孔隙吸附行为的研究对于揭示页岩油赋存状态与机理有重要意义。不同于以往采用石墨烯模型代替有机质的方法，研究采用真实的干酪根分子模型（Ⅱ-C型），基于GAFF（general Amber force field）力场模拟了有机孔内页岩油多组分体系下的吸附行为。结果表明：①与石墨烯仅能模拟壁面吸附不同，干酪根对页岩油具有吸附和吸收双重作用：壁面上存在页岩油竞争吸附，以极性和重质组分吸附为主，而骨架中则存在页岩油组分吸收现象，小分子迁移距离较远。页岩油在干酪根壁面上的吸附和在骨架中的迁移受控于页岩油与干酪根相互作用能的强弱及分子大小，重质组分表现出“强吸附-弱吸收”、轻质组分呈“弱吸附-强吸收”的特征。②页岩油组分的吸收使得干酪根骨架和孔隙发生变化，表现出新孔隙的形成、原有孔隙的扩大和部分塌陷。干酪根的塑性对吸收页岩油进而膨胀起重要作用，干酪根塑性较强时（干酪根成熟度低），页岩油更容易被吸收从而引发明显的干酪根骨架膨胀，反之，干酪根膨胀较弱。③温度增加会促进干酪根骨架吸收芳香烃分子萘和非极性分子甲酸、乙醇以及噻吩，降低干酪根壁面的吸附作用，同时有利于饱和烃类分子的脱附。压力对页岩油在干酪根中的吸附和吸收影响不明显。研究利用真实的干酪根分子模型，首次创新性地模拟了干酪根吸附和吸收页岩油组分的现象，对于客观揭示页岩油在干酪根中赋存状态及赋存机理具有重要帮助。

关键词: 吸附, 吸收, 赋存状态, 干酪根模型, 分子动力学模拟, 页岩油

Abstract:

Investigating the adsorption behavior in organic matter and its associated pores holds critical significance for revealing the occurrence states and mechanisms of shale oil. Differing from the previous method of replacing the organic matter model with the graphene model， a realistic kerogen molecular model， the Type Ⅱ-C model， is employed to simulate the adsorption behavior of multi-component shale oil within organic pores based on the general Amber force field （GAFF）. The results are as follows. （1） Unlike graphene， which can only be used to simulate surface adsorption， kerogen has the dual functions of both adsorption and absorption. Competitive shale oil adsorption transpires on kerogen walls， dominated by the adsorption of polarity and heavy components， while the kerogen skeleton is characterized by absorption of small molecules moving far away. The shale oil adsorption on the surface and absorption in the skeleton with migration are influenced by the interaction energy between shale oil and kerogen， as well as the molecular size. Specifically， heavy components of shale oil are subjected to strong adsorption but weak absorption， while its light components undergo weak adsorption but strong absorption；（2） The absorption of shale oil components leads to the deformation of the kerogen skeleton and pores， manifested as the formation of new pores and the expansion and partial collapse of original pores. The plasticity of kerogen plays a significant role in its shale oil absorption and further skeleton swelling. Highly plastic kerogen （with low maturity） is more prone to absorb shale oil and swell significantly in skeleton. In contrast， weakly plastic kerogen swells slightly with absorption；（3） An increase in temperature enhances the absorption of aromatic hydrocarbon molecules （like naphthalene） and non-polar molecules （e.g.， formic acid， ethanol， and thiophene） in kerogen skeleton， which reduces the adsorption on kerogen surface， and is conducive to the desorption of saturated hydrocarbon molecules. Additionally， pressure produces insignificant effects on the shale oil adsorption and absorption in kerogen. In this study， the realistic kerogen molecular model is innovatively applied to simulate kerogen’s adsorption and absorption of shale oil components， which is of great help in objectively revealing the shale oil occurrence state and mechanism in kerogen.

Key words: adsorption, absorption, occurrence state, kerogen model, molecular dynamics simulation, shale oil

中图分类号:

TE122.1

王民,余昌琦,费俊胜,等. 页岩油在干酪根中吸附行为的分子动力学模拟与启示[J]. 石油与天然气地质, 2023, 44(6): 1442-1452. doi: 10.11743/ogg20230609 Min WANG,Changqi YU,Junsheng FEI,et al. Molecular dynamics simulation of shale oil adsorption in kerogen and its implications[J]. Oil & Gas Geology, 2023, 44(6): 1442-1452. doi: 10.11743/ogg20230609

图/表 8

图1

图2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

参考文献 38

1	孙龙德，刘合，何文渊，等. 大庆古龙页岩油重大科学问题与研究路径探析［J］. 石油勘探与开发， 2021， 48（3）： 453-463.
	SUN Longde， LIU He， HE Wenyuan， et al. An analysis of major scientific problems and research paths of Gulong shale oil in Daqing Oilfield， NE China［J］. Petroleum Exploration and Development， 2021， 48（3）： 453-463.
2	王永诗，李政，王民，等. 渤海湾盆地济阳坳陷陆相页岩油吸附控制因素［J］. 石油与天然气地质， 2022， 43（3）： 489-498.
	WANG Yongshi， LI Zheng， WANG Min， et al. Factors controlling lacustrine shale oil adsorption in the Jiyang Depression， Bohai Bay Basin［J］. Oil & Gas Geology， 2022， 43（3）： 489-498.
3	王学军，宁方兴，郝雪峰，等. 古近系页岩油赋存特征——以济阳坳陷为例［J］. 科学技术与工程， 2017， 17（29）： 39-48.
	WANG Xuejun， NING Fangxing， HAO Xuefeng， et al. Paleogene shale oil occurrence features： A case of Jiyang Depression［J］. Science Technology and Engineering， 2017， 17（29）： 39-48.
4	吴松涛，邹才能，朱如凯，等. 鄂尔多斯盆地上三叠统长7段泥页岩储集性能［J］. 地球科学（中国地质大学学报）， 2015， 40（11）： 1810-1823.
	WU Songtao， ZOU Caineng， ZHU Rukai， et al. Reservoir quality characterization of Upper Triassic Chang 7 shale in Ordos Basin［J］. Earth Science（Journal of China University of Geosciences）， 2015， 40（11）： 1810-1823.
5	CHEN Guohui， LU Shuangfang， ZHANG Junfang， et al. A method for determining oil-bearing pore size distribution in shales： A case study from the Damintun Sag， China［J］. Journal of Petroleum Science and Engineering， 2018， 166： 673-678.
6	李吉君，史颖琳，黄振凯，等. 松辽盆地北部陆相泥页岩孔隙特征及其对页岩油赋存的影响［J］. 中国石油大学学报（自然科学版）， 2015， 39（4）： 27-34.
	LI Jijun， SHI Yinglin， HUANG Zhenkai， et al. Pore characteristics of continental shale and its impact on storage of shale oil in northern Songliao Basin［J］. Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science）， 2015， 39（4）： 27-34.
7	王民，马睿，李进步，等. 济阳坳陷古近系沙河街组湖相页岩油赋存机理［J］. 石油勘探与开发， 2019， 46（4）： 789-802.
	WANG Min， MA Rui， LI Jinbu， et al. Occurrence mechanism of lacustrine shale oil in the Paleogene Shahejie Formation of Jiyang Depression， Bohai Bay Basin， China［J］. Petroleum Exploration and Development， 2019， 46（4）： 789-802.
8	钱门辉，蒋启贵，黎茂稳，等. 湖相页岩不同赋存状态的可溶有机质定量表征［J］. 石油实验地质， 2017， 39（2）： 278-286.
	QIAN Menhui， JIANG Qigui， LI Maowen， et al. Quantitative characterization of extractable organic matter in lacustrine shale with different occurrences［J］. Petroleum Geology and Experiment， 2017， 39（2）： 278-286.
9	蒋启贵，黎茂稳，钱门辉，等. 不同赋存状态页岩油定量表征技术与应用研究［J］. 石油实验地质， 2016， 38（6）： 842-849.
	JIANG Qigui， LI Maowen， QIAN Menhui， et al. Quantitative characterization of shale oil in different occurrence states and its application［J］. Petroleum Geology and Experiment， 2016， 38（6）： 842-849.
10	田善思. 页岩储层孔隙微观特征及页岩油赋存与可动性评价［D］. 青岛：中国石油大学（华东）， 2019.
	TIAN Shansi. Micro-pore characteristics of shale reservoirs and evaluation of shale oil occurrence and movability［D］. Qingdao： China University of Petroleum（East China）， 2019.
11	张世明. 东营凹陷页岩油赋存特征分子动力学模拟［J］. 油气地质与采收率， 2021， 28（5）： 74-80.
	ZHANG Shiming. Molecular dynamics simulation of shale oil occurrence in Dongying Depression［J］. Petroleum Geology and Recovery Efficiency， 2021， 28（5）： 74-80.
12	王森，冯其红，查明，等. 页岩有机质孔缝内液态烷烃赋存状态分子动力学模拟［J］. 石油勘探与开发， 2015， 42（6）： 772-778.
	WANG Sen， FENG Qihong， ZHA Ming， et al. Molecular dynamics simulation of liquid alkane occurrence state in pores and fractures of shale organic matter［J］. Petroleum Exploration and Development， 2015， 42（6）： 772-778.
13	HU Yinan， DEVEGOWDA D， SIGAL R. A microscopic characterization of wettability in shale kerogen with varying maturity levels［J］. Journal of Natural Gas Science and Engineering， 2016， 33： 1078-1086.
14	YANG Yongfei， LIU Jie， YAO Jun， et al. Adsorption behaviors of shale oil in kerogen slit by molecular simulation［J］. Chemical Engineering Journal， 2020， 387： 124054.
15	UNGERER P， COLLELL J， YIANNOURAKOU M. Molecular modeling of the volumetric and thermodynamic properties of kerogen： Influence of organic type and maturity［J］. Energy & Fuels， 2015， 29（1）： 91-105.
16	ZHOU Juan， JIN Zhehui， LUO K H. The role of brine in gas adsorption and dissolution in kerogen nanopores for enhanced gas recovery and CO₂ sequestration［J］. Chemical Engineering Journal， 2020， 399： 125704.
17	WANG Sen， YAO Xinyu， FENG Qihong， et al. Molecular insights into carbon dioxide enhanced multi-component shale gas recovery and its sequestration in realistic kerogen［J］. Chemical Engineering Journal， 2021， 425： 130292.
18	LI Zheng， YAO Jun， FIROOZABADI A. Kerogen swelling in light hydrocarbon gases and liquids and validity of Schroeder’s paradox［J］. The Journal of Physical Chemistry C， 2021， 125（15）： 8137-8147.
19	YU Xinran， LI Jing， CHEN Zhangxin， et al. Determination of CH₄， C₂H₆ and CO₂ adsorption in shale kerogens coupling sorption-induced swelling［J］. Chemical Engineering Journal， 2021， 410： 127690.
20	TISSOT B P， WELTE D H. Petroleum formation and occurrence［M］. 2nd ed. Berlin： Springer， 1984.
21	HAN Qiuya， LI Meijun， LIU Xiaoqiang， et al. A maturation scale for molecular simulation of kerogen thermal degradation［J］. Organic Geochemistry， 2023， 175： 104507.
22	TIAN Shansi， ERASTOVA V， LU Shuangfang， et al. Understanding model crude oil component interactions on kaolinite silicate and aluminol surfaces： Toward improved understanding of shale oil recovery［J］. Energy & Fuels， 2018， 32（2）： 1155-1165.
23	FEI Junsheng， WANG Min， LI Jinbu， et al. Molecular dynamics simulation of adsorption and absorption behavior of shale oil in realistic kerogen slits［J］. Energy & Fuels， 2023， 37（5）： 3654-3671.
24	BAYLY C I， CIEPLAK P， CORNELL W， et al. A well-behaved electrostatic potential based method using charge restraints for deriving atomic charges： The RESP model［J］. The Journal of Physical Chemistry， 1993， 97（40）： 10269-10280.
25	LORENTZ H A. Ueber die anwendung des satzes vom virial in der kinetischen theorie der gase［J］. Annalen der Physik， 1881， 248（1）： 127-136.
26	SANDVIK E I， YOUNG W A， CURRY D J. Expulsion from hydrocarbon sources： The role of organic absorption［J］. Organic Geochemistry， 1992， 19（1/3）： 77-87.
27	HO T A， WANG Yifeng， XIONG Yongliang， et al. Differential retention and release of CO₂ and CH₄ in kerogen nanopores： Implications for gas extraction and carbon sequestration［J］. Fuel， 2018， 220： 1-7.
28	陈晓明，李建忠，郑民，等. 干酪根溶解理论及其在页岩气评价中的应用探索［J］. 天然气地球科学， 2012， 23（1）： 14-18.
	CHEN Xiaoming， LI Jianzhong， ZHENG Min， et al. Kerogen solution theory and its exploratory application in shale gas assessment［J］. Natural Gas Geoscience， 2012， 23（1）： 14-18.
29	TESSON S， FIROOZABADI A. Deformation and swelling of kerogen matrix in light hydrocarbons and carbon dioxide［J］. The Journal of Physical Chemistry C， 2019， 123（48）： 29173-29183.
30	KELEMEN S R， WALTERS C C， ERTAS D， et al. Petroleum expulsion Part 2. Organic matter type and maturity effects on kerogen swelling by solvents and thermodynamic parameters for kerogen from regular solution theory［J］. Energy & Fuels， 2006， 20（1）： 301-308.
31	WANG Sen， FENG Qihong， JAVADPOUR F， et al. Oil adsorption in shale nanopores and its effect on recoverable oil-in-place［J］. International Journal of Coal Geology， 2015， 147/148： 9-24.
32	TESSON S， FIROOZABADI A. Methane adsorption and self-diffusion in shale kerogen and slit nanopores by molecular simulations［J］. The Journal of Physical Chemistry C， 2018， 122（41）： 23528-23542.
33	FALK K， PELLENQ R， ULM F J， et al. Effect of chain length and pore accessibility on alkane adsorption in kerogen［J］. Energy & Fuels， 2015， 29（12）： 7889-7896.
34	李明，王民，张金友，等. 中国典型盆地陆相页岩油组分评价及意义［J］. 石油与天然气地质， 2023， 44（6）： 1479-1498.
	LI Ming， WANG Min， ZHANG Jinyou， et al. Evaluation and significance of continental shale oil composition in typical basins of China［J］. Oil & Gas Geology， 2023， 44（6）： 1479-1498.
35	HUANG Liang， KHOSHNOOD A， FIROOZABADI A. Swelling of kimmeridge kerogen by normal-alkanes， naphthenes and aromatics［J］. Fuel， 2020， 267， 117155.
36	LIANG Tian， ZHAN Zhaowen， ZOU Yanrong， et al. Interaction between organic solvents and three types of kerogen investigated via X-ray diffraction［J］. Energy & Fuels， 2022， 36（3）： 1350-1357.
37	LIANG Tian， ZHAN Zhaowen， ZOU Yanrong， et al. Interaction between organic solvents and three types of kerogen investigated via X-ray diffraction［J］. Energy & Fuels， 2022， 36（3）： 1350-1357.
38	李进步，王民，卢双舫，等. 页岩吸附油定量评价模型——以松辽盆地北部白垩系青山口组一段为例［J］. 石油勘探与开发， 2023， 50（5）： 990-1002.
	LI Jinbu， WANG Min， LU Shuangfang， et al. Quantitative evaluation model of shale oil adsorption： A case study of the first member of Cretaceous Qingshankou Formation in northern Songliao Basin， NE China［J］. Petroleum Exploration and Development， 2023， 50（5）： 990-1002.

[1]	郭旭升, 马晓潇, 黎茂稳, 钱门辉, 胡宗全. 陆相页岩油富集机理探讨[J]. 石油与天然气地质, 2023, 44(6): 1333-1349.
[2]	孙龙德, 王小军, 冯子辉, 邵红梅, 曾花森, 高波, 江航. 松辽盆地古龙页岩纳米孔缝形成机制与页岩油富集特征[J]. 石油与天然气地质, 2023, 44(6): 1350-1365.
[3]	米立军, 徐建永, 李威. 渤海海域页岩油资源潜力[J]. 石油与天然气地质, 2023, 44(6): 1366-1377.
[4]	刘惠民, 李政, 包友书, 张守春, 王伟庆, 吴连波, 王勇, 朱日房, 方正伟, 张顺, 刘鹏, 王敏. 渤海湾盆地济阳坳陷高产页岩油井BYP5页岩地质特征[J]. 石油与天然气地质, 2023, 44(6): 1405-1417.
[5]	李志明, 刘雅慧, 何晋译, 孙中良, 冷筠滢, 李楚雄, 贾梦瑶, 徐二社, 刘鹏, 黎茂稳, 曹婷婷, 钱门辉, 朱峰. 陆相页岩油“甜点”段评价关键参数界限探讨[J]. 石油与天然气地质, 2023, 44(6): 1453-1467.
[6]	方志雄, 肖秋生, 张殿伟, 段宏亮. 苏北盆地陆相“断块型”页岩油地质特征及勘探实践[J]. 石油与天然气地质, 2023, 44(6): 1468-1478.
[7]	李明, 王民, 张金友, 张宇辰, 刘召, 雒斌, 卞从胜, 李进步, 王鑫, 赵信斌, 董尚德. 中国典型盆地陆相页岩油组分评价及意义[J]. 石油与天然气地质, 2023, 44(6): 1479-1498.
[8]	陈轩, 陶鑫, 覃建华, 许长福, 李映艳, 邓远, 高阳, 尹太举. 准噶尔盆地吉木萨尔凹陷及周缘二叠系芦草沟组异重流沉积[J]. 石油与天然气地质, 2023, 44(6): 1530-1545.
[9]	张谦, 金之钧, 朱如凯, 刘全有, 张瑞, 王冠平, 陈万利, Littke Ralf. 岩石热解方法应用于页岩油气研究需注意的几个问题[J]. 石油与天然气地质, 2023, 44(4): 1020-1032.
[10]	金之钧, 张谦, 朱如凯, 董琳, 付金华, 刘惠民, 云露, 刘国勇, 黎茂稳, 赵贤正, 王小军, 胡素云, 唐勇, 白振瑞, 孙冬胜, 李晓光. 中国陆相页岩油分类及其意义[J]. 石油与天然气地质, 2023, 44(4): 801-819.
[11]	刘合, 孟思炜, 王素玲, 董康兴, 杨柳, 陶嘉平, 梁立豪. 古龙页岩力学特征与裂缝扩展机理[J]. 石油与天然气地质, 2023, 44(4): 820-828.
[12]	张瑞, 金之钧, 朱如凯, 李明松, 惠潇, 魏韧, 贺翔武, 张谦. 中国陆相富有机质页岩沉积速率研究及其页岩油勘探意义[J]. 石油与天然气地质, 2023, 44(4): 829-845.
[13]	白斌, 戴朝成, 侯秀林, 杨亮, 王瑞, 王岚, 孟思炜, 董若婧, 刘羽汐. 松辽盆地白垩系青山口组页岩层系非均质地质特征与页岩油甜点评价[J]. 石油与天然气地质, 2023, 44(4): 846-856.
[14]	王梓毅, 付金华, 刘显阳, 李士祥, 张昌虎, 梁新平, 董琳. 鄂尔多斯盆地上三叠统延长组7段埋藏期热液活动对页岩油储层的影响[J]. 石油与天然气地质, 2023, 44(4): 899-909.
[15]	邓勇, 范彩伟, 胡德胜, 何卫军, 张建新. 北部湾盆地涠西南凹陷流沙港组二段下亚段页岩油储层非均质性特征[J]. 石油与天然气地质, 2023, 44(4): 923-936.

页岩油在干酪根中吸附行为的分子动力学模拟与启示

Molecular dynamics simulation of shale oil adsorption in kerogen and its implications

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 8

参考文献 38

相关文章 15

编辑推荐

Metrics