石英纳米孔中氦气与甲烷竞争扩散的分子模拟

氦气具有尺寸小、扩散和渗透能力强等特点,其独特的物理性质严重制约了氦气的聚集成藏。因此,深入揭示地质条件下氦气与甲烷的竞争扩散规律,是系统认识富氦天然气成藏机制的重要途径。首次采用分子模拟技术,构建了石英纳米狭缝-通道孔复合模型,探索了甲烷与氦气的混合气体在模型中的竞争扩散规律。分子模拟结果表明,甲烷对氦气的扩散有抑制作用,并且甲烷对吸附态氦气有较强的驱替能力;当氦气在混合气体中摩尔分数达90%时,游离态的氦分子可聚合形成直径更大的氦团簇,氦团簇的出现对氦气存储以及储氦库建设具有一定的启示。此外,当扩散通道孔的直径小于甲烷和氦气的动力学直径2倍时,甲烷和氦气无法从石英纳米通道扩散出去,此时分子间的排斥力很强,将阻止气体分子的进一步逸散,有利于氦气保存。研究结果提供了在原子分子水平下氦气与甲烷在石英纳米孔中的竞争逸散规律,为氦气的富集和保存机制研究提供了有用信息,并为氦气资源的勘探与开发提供了参考依据。