采用蒙特卡洛方法模拟计算了高岭石吸附甲烷的吸附能和范德华能及其随孔隙压力和含水量的变化规律,分析了高岭石吸附甲烷的微观机理。结果表明:随着孔隙压力的增大,高岭石吸附甲烷的范德华能和吸附能均呈先增大后趋于平衡的规律,符合Langmuir模型;随着含水量的增大,高岭石吸附甲烷的吸附能呈线性规律降低。高岭石中的水分子以氧原子端靠近高岭石孔壁表面、氢原子端远离孔壁表面的方式吸附,并占据了高岭石吸附甲烷的空间;高岭石对甲烷分子的吸附是典型的物理吸附,对水分子的吸附是物理与化学吸附并存;孔隙压力和含水量影响高岭石和甲烷分子间的距离,进而影响了高岭石和甲烷分子间范德华能的大小。研究结果从微观角度揭示了在松软低渗透煤层条件下,将水力压裂和卸压钻孔置于煤层顶底板岩层中,在富含黏土矿物的岩层中实施水力压裂和卸压有利于释放煤层气,为实现煤及其顶底板岩层中煤系气的一体化强化开采奠定了微观理论基础。

国家自然科学基金项目(51174141)；