Fuel：頁巖氣在非直孔道中納米流動的分子模擬研究

張明敏等-Fuel：頁巖氣在非直孔道中納米流動的分子模擬研究

頁巖氣是一種非常規天然氣，以吸附態或游離態賦存在富有機質頁巖的微納米孔隙或裂縫中。與常規的化石能源相比，頁巖氣具有儲量巨大、清潔高效的特點。使用水平鑽井和水力壓裂技術，可以使頁巖氣從微納米孔隙運移到壓裂縫網，最後匯聚到井筒流出。頁巖氣的微觀流動規律呈現非達西的特點，是一個尚未解決的科學問題。前人在分子模擬研究中，大多構建平直管道來研究頁巖氣的微納米流動，但頁巖樣品的微納米孔隙網絡十分複雜且曲折延伸，所以研究非直管道的納米流動規律對於開發頁巖氣具有重要的實際意義。

為了探索上述問題，中國科學院地質與地球物理研究所油氣資源研究院重點實驗室的博士生張明敏在郭光軍研究員的指導下，採用非平衡分子動力學模擬方法研究了非直納米圓管中傾斜角和轉向角對頁巖氣納米流動的影響。

他們構建了4種模擬體系（圖1），考慮了光滑/粗糙與傾斜/彎折兩類因素的組合。在溫度400 K、壓力30 MPa條件下，保持孔長和外加壓力梯度不變，監測甲烷分子的流量隨傾斜角（α）和轉向角（λ）的變化。

圖1 模擬體系構型。（a）Case //：光滑傾斜孔道。（b）Case //_bend：光滑彎折孔道。（c）Case⊥：粗糙傾斜孔道。（d）Case⊥_bend：粗糙彎折孔道。所有陰影區表示直徑為2nm的圓管孔道。α和λ分別表示孔道的傾斜角和轉向角。Lp和Lw分別表示孔道的實際長度和埠間水平距離。甲烷分子用青色小球表示，石墨碳原子用灰色小球表示。外加泵力f（紅色箭頭）被施加在兩側封閉氣倉內所有甲烷分子上，h表示泵頭。光滑體系中，流向平行於石墨層；粗糙體系中，流向垂直於石墨層

研究結果表明：（1）孔道表面粗糙度的影響要強於孔道非直形狀的影響。由於粗糙的納米孔道表面具有更強的吸附作用和較慢的流動速度，所以粗糙體系的流量總是小於光滑體系的流量（圖2a）；（2）無論孔道表面光滑還是粗糙，增加孔道的傾斜角都可以促進頁巖氣的流動（圖2a）；（3）轉向角的作用很有趣，它促進頁巖氣在粗糙孔道中的流動，但是卻阻礙在光滑孔道中的流動（圖2b）。這些觀察結果可以用孔道入口和彎折點的自由能壘，以及孔道的平均Lennard-Jones勢能來合理解釋。

圖2 （a）甲烷流量分別隨傾斜角（圓圈）和轉向角（菱形）的變化；（b）彎折孔道相對於傾斜孔道的流量比值隨轉向角的變化（排除了傾斜角的影響）

該研究首次清楚地區分了傾斜角和轉向角對納米流動的影響，是將來進一步探索孔道迂曲度影響的關鍵基礎，對於理解頁巖氣在曲折粗糙的孔隙網絡中以及在光滑的碳納米管中的流動規律具有重要意義。

研究成果發表於Fuel。（張明敏，郭光軍*，田會全，張正財，高愷. Effects of italicized angle and turning angleon shale gas nanoflows in non-straight nanopores: A nonequilibrium moleculardynamics study [J]. Fuel, 2020, 278: 118275. DOI: 10.1016/j.fuel.2020.118275）

校對：覃華清

張明敏等-Fuel：頁巖氣在非直孔道中納米流動的分子模擬研究

頁巖氣是一種非常規天然氣，以吸附態或游離態賦存在富有機質頁巖的微納米孔隙或裂縫中。與常規的化石能源相比，頁巖氣具有儲量巨大、清潔高效的特點。使用水平鑽井和水力壓裂技術，可以使頁巖氣從微納米孔隙運移到壓裂縫網，最後匯聚到井筒流出。頁巖氣的微觀流動規律呈現非達西的特點，是一個尚未解決的科學問題。前人在分子模擬研究中，大多構建平直管道來研究頁巖氣的微納米流動，但頁巖樣品的微納米孔隙網絡十分複雜且曲折延伸，所以研究非直管道的納米流動規律對於開發頁巖氣具有重要的實際意義。

為了探索上述問題，中國科學院地質與地球物理研究所油氣資源研究院重點實驗室的博士生張明敏在郭光軍研究員的指導下，採用非平衡分子動力學模擬方法研究了非直納米圓管中傾斜角和轉向角對頁巖氣納米流動的影響。

他們構建了4種模擬體系（圖1），考慮了光滑/粗糙與傾斜/彎折兩類因素的組合。在溫度400 K、壓力30 MPa條件下，保持孔長和外加壓力梯度不變，監測甲烷分子的流量隨傾斜角（α）和轉向角（λ）的變化。

圖1 模擬體系構型。（a） Case //：光滑傾斜孔道。（b）Case //_bend：光滑彎折孔道。（c） Case⊥：粗糙傾斜孔道。（d）Case⊥_bend：粗糙彎折孔道。所有陰影區表示直徑為2nm的圓管孔道。α和λ分別表示孔道的傾斜角和轉向角。Lp和Lw分別表示孔道的實際長度和埠間水平距離。甲烷分子用青色小球表示，石墨碳原子用灰色小球表示。外加泵力f（紅色箭頭）被施加在兩側封閉氣倉內所有甲烷分子上，h表示泵頭。光滑體系中，流向平行於石墨層；粗糙體系中，流向垂直於石墨層

研究結果表明：（1）孔道表面粗糙度的影響要強於孔道非直形狀的影響。由於粗糙的納米孔道表面具有更強的吸附作用和較慢的流動速度，所以粗糙體系的流量總是小於光滑體系的流量（圖2a）；（2）無論孔道表面光滑還是粗糙，增加孔道的傾斜角都可以促進頁巖氣的流動（圖2a）；（3）轉向角的作用很有趣，它促進頁巖氣在粗糙孔道中的流動，但是卻阻礙在光滑孔道中的流動（圖2b）。這些觀察結果可以用孔道入口和彎折點的自由能壘，以及孔道的平均Lennard-Jones勢能來合理解釋。

圖2 （a）甲烷流量分別隨傾斜角（圓圈）和轉向角（菱形）的變化；（b）彎折孔道相對於傾斜孔道的流量比值隨轉向角的變化（排除了傾斜角的影響）

該研究首次清楚地區分了傾斜角和轉向角對納米流動的影響，是將來進一步探索孔道迂曲度影響的關鍵基礎，對於理解頁巖氣在曲折粗糙的孔隙網絡中以及在光滑的碳納米管中的流動規律具有重要意義。

研究成果發表於Fuel。（張明敏，郭光軍*，田會全，張正財，高愷. Effects of italicized angle and turning angleon shale gas nanoflows in non-straight nanopores: A nonequilibrium moleculardynamics study [J]. Fuel, 2020, 278: 118275. DOI: 10.1016/j.fuel.2020.118275）

校對：覃華清