温馨提示

1.实验背景

随着社会对清洁能源需求不断扩大，天然气价格不断上涨，人们对页岩气的认识迅速提高。特别是水平井与压裂技术水平不断进步，人类对页岩气的勘探开发正在形成热潮。页岩含气量是计算页岩气资源潜力、储量预测的重要参数，并对页岩气勘探开发具有重要的意义。页岩含气量是指每吨页岩中所含天然气在标准状态（0℃，101．325kPa）下的体积，包括游离气、吸附气和溶解气。要确定页岩含气量，就需要进行页岩气解吸实验。

岩心解吸方式包括快速解吸和慢速解吸2种方法。快速解吸的时间短，一般在8～24h之间，总解吸气量包括损失气、解吸气和残留气3部分；慢速解吸的时间长达45d以上，总解吸气量包括损失气量和解吸气量2部分。由于岩心在取样过程中，不可避免会产生气量损失，因此，即使在钻井现场进行解吸，也往往不能获得准确的页岩气含气量。在理想情况下，物理吸附和解吸是可逆的，实际情况二者有所差别。为了简化问题，一般先对页岩进行吸附实验，然后在进行解吸实验。

常用的吸附仪器比较昂贵，并且实验时间很长，很难在大学物理实验中作为一个实验项目开展工作。为此，开发了页岩气物理吸附解吸虚拟仿真实验。

本实验项目依托“大学物理实验”课程，以实际页岩气开发工程需求为背景，构建页岩样品选样、制备、测试和分析等全实验流程虚拟情境，实现三维交互仿真

2.实验目的

1、了解物理吸附解吸的基本实验流程、原理、操作方法，能够利用测试数据分析吸附特征；

2、掌握朗缪尔单分子层吸附理论、BET多层吸附理论的物理模型；

3、掌握蒙脱石、高岭石和伊利石等实际多孔介质的构建方法，学会建立物理吸附模型；

4、掌握分子力场及势能函数的特征，了解如何用不同的势函数去逼近真实的气体分子的相互作用；能够获取等温吸附线；

6、拓展研究新型多孔介质吸附模型，探索新的吸附理论。

3.实验原理

页岩气（主要成分是甲烷）是一种赋存在致密页岩储层中的天然气，一部分处于游离状态，服从一般气体状态方程,可自由运移；还有一部分吸附在页岩孔隙表面，这种吸附为物理吸附，并且主要是单分子层吸附，也会出现多分子层吸附的情况。

对单分子层吸附，一般用Langmuir吸附模型来描述，具体形式为：

式中，V为吸附量，m3/t; VL为Langmuir体积，m3/t; pL为Langmuir压力，MPa；??为吸附平衡压力，MPa。

对多单分子层吸附，可用BET吸附模型来描述，具体形式为：

式中，V为吸附量，m3/t; ????为BET 方程单层最大吸附量，m3/t;c是与吸附热有关的常数；??0为饱和蒸汽压，MPa；??为平衡压力，MPa。

常用的吸附量测试方法主要有容量法、重量法、动态法、色谱法、量热法等，本实验采用容量法测试页岩样品的吸附等温线。它是在设定的温度下,首先测定被吸附气体的压力和体积,根据气体状态方程计算气体的量,然后使吸附气体与吸附剂充分接触,待其达到吸附平衡后,再次测定被该气体的压力和体积,并利用气体状态方程计算吸附剰余气体的量,前后两次测定的气体的量之差值即为该气体的吸附量。

设在某温度T0下，气体平衡时，压强和体积分别为p0、V0，则由理想气体状态方程，气体的摩尔数为

式中，R为理想气体常数。

当气体与吸附剂充分接触，气体体积膨胀或压缩，平衡时的压强和体积分别变为p1、V1 ，气体的摩尔数变为

由此获得压强为p1时的吸附量为

实验中改变p1的值，分别取为 ，这样就可以得到n个压强下的吸附量，从而画出等温吸附曲线。

上述实验原理是在假设气体为单一组分，并且是理想气体的情况下获得的，实际气体不是理想气体，所满足的方程形式为 ，和理想气体方程相比较，多了一个气体压缩因子Z，它是压强和温度的函数，可以有专门的程序计算得到。本实验中，将压缩因子Z的计算编入程序，直接放入到吸附量的计算中，不再单独涉及。由于页岩气的主要成分是甲烷，因此，本实验仅以甲烷进行吸附实验，对混合气体的情况，实验原理是类似的。

由于甲烷是可燃性较强的气体，为了安全，实验室中将排出的甲烷进行收集处理。