针对以上科学问题，我校水资源与环境学院“温室气体与水-岩相互作用实验室”于青春教授课题组与美国伯克利实验室Tokunaga课题组合作，对我国柴达木盆地石炭系不同类型和含水率的页岩样品开展了系统的室内实验和模型模拟研究，取得以下创新成果：
1、以实验数据为基础提出了新的描述非饱和页岩吸附能力的数学模型，能够计算吸附量、平均吸附层厚度、吸附层密度分布；
2、通过实验定量分析了页岩中水分含量与吸附量之间的关系，探讨了水分的作用机制。实验结果表明，水分会使页岩对甲烷的吸附能力普遍降低，在本研究的条件下可使吸附能力降低13% - 42%。水分对吸附的影响通过两种机制发挥作用：一种是阻断甲烷的运移通道，另一种是与甲烷分子竞争吸附位；
3、水分作用的显著程度与岩石的矿物成分有关，其中粘土矿物的控制作用比较明显。页岩中的水分倾向于被粘土矿物吸附成为“层间水”，因此在其他条件相同的情况下，粘土矿物含量低的页岩中水分对吸附的影响更加显著。
页岩对CH4，CO2等气体吸附问题是多个资源与环境前沿课题的交叉点：泥页岩中核废料储存安全性、页岩气渗流与聚集、水力压裂后气体逃窜、地下储气库及CO2地质封存的盖层封闭性、地球深部温室气体向地表自然释放等问题都与之紧密相关。目前大多数****研究泥页岩对CH4，CO2等气体吸附多针对干燥页岩，针对不同程度含水页岩的研究还很少。由于泥页岩空隙多为微纳米级，水在其中的赋存方式、对甲烷运移聚集的影响，以及作用过程构成一个非常复杂的科学问题。本研究为多个资源与环境问题提供理论基础，具有重要的理论与实践意义。
图1：吸附状态甲烷密度分布示意图
图2：页岩样品1不同含水量不同压力条件下吸附量的模型计算值（其他样品请见原文）
图3：页岩样品1不同含水量不同压力条件下吸附层厚度计算结果（其他样品请见原文）
上述研究成果发表在水资源领域权威刊物《Water Resources Research》上：Wang, L., Wan, J., Tokunaga, T. K., Kim, Y., Qingchun Yu(*). Experimental and modeling study of methane adsorption onto partially saturated shales. Water Resources Research 2018, 54. https://doi.org/10.1029/2017WR020826.[IF2017=4.36]
附件2018121217413862119.pdf(2.886755MB)
