地質地球所在氣倉構型和孔徑對頁巖氣納米流動影響研究中取得進展

2020-11-27 中國科學院

　　頁巖氣是一種非常規油氣資源，通常賦存在儲層頁巖有機質和無機質的微納米孔隙中。有別於宏觀尺度孔隙中的常規達西流，頁巖氣在微納米孔隙中的擴散輸運不符合達西定律。查明頁巖氣的微觀輸運規律和流動機理對於頁巖氣多尺度滲流研究以及可採性評價具有重要的科學意義和應用價值。

　　中國科學院地質與地球物理研究所地球與行星物理重點實驗室博士生田會全在導師郭光軍指導下，使用外加力場的非平衡分子動力學方法，成功模擬了甲烷在圓管狀石墨納米孔隙中的循環穩態流動，研究了氣倉構型和孔徑對納米流動的影響，獲得如下發現：

　　1）文獻中常用的開放氣倉構型體系（圖1a）存在尺寸效應，甲烷流量隨氣倉橫截面邊長的增大而降低，並逐漸趨於收斂。由於該體系氣流性質不純（即孔隙內有邊界約束流動與氣倉內無邊界約束流動的混合），因此不適合用來模擬研究納米流動；

　　2）新設計的封閉氣倉構型體系（圖1b）可以產生可靠的穩態氣流，但是流量隨表面粗糙度增大而迅速減小，直至氣倉橫截面邊長大於孔直徑至少2 nm後收斂。考慮到頁巖微納米孔隙具有複雜粗糙的表面，該體系收斂後的穩態流有資格代表頁巖氣的真實流動；

　　3）封閉氣倉構型體系中隨孔徑變化的流量數據能夠很好地被Javadpour公式描述，這也是首次用分子模擬直接驗證了該公式的可靠性（圖2）。進一步分析表明孔隙內滑移流對總流量的貢獻在半徑為1.25 nm的孔隙中達到最大值（圖3），符合理論的定性預測。

　　研究成果發表於美國物理學會（AIP）期刊The Journal of Chemical Physics（Tian H Q, Guo G J, Geng M, et al. Effects of gas reservoir configuration and pore radius on shale gas nanoflow: A molecular dynamics study. The Journal of Chemical Physics, 2018, 148(20)：204703. DOI: 10.1063/1.5021139）。

    論文連結

  

　　圖1 模擬體系的構型圖。a）開放氣倉構型，b）封閉氣倉構型。圖中深灰色球為石墨碳原子，青色球為甲烷分子，紅色虛線框為施加外力（f）的泵區，紅色箭頭表示f的方向（指向系統Z軸，即甲烷流動方向），泵區的總長度為h，橫截面的邊長為LS

  

　　圖2 甲烷流量隨孔徑的變化。圖中紅色和藍色數據點分別代表開放氣倉構型體系和封閉氣倉構型體系，紅色實線代表描述宏觀管流的Hagen-Poiesuille公式，藍色的實線與虛線分別代表Javadpour公式中切向動量協調係數a分別取0.7055和1的情況。數據點覆蓋了誤差線

 

圖3 滑移流（由孔壁附近第一吸附層構成）佔總流量的百分比隨孔徑的變化

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