田会全等-JCP：气仓构型和孔径对页岩气纳米流动影响的分子模拟研究

　　页岩气是一种非常规油气资源，通常赋存在储层页岩有机质和无机质的微纳米孔隙中。有别于宏观尺度孔隙中的常规达西流，页岩气在微纳米孔隙中的扩散输运不符合达西定律。查明页岩气的微观输运规律和流动机理对于页岩气多尺度渗流研究以及可采性评价具有重要的科学意义和应用价值。 

　　中科院地质地球所地球与行星物理院重点实验室博士生田会全在导师郭光军研究员指导下，使用外加力场的非平衡分子动力学方法，成功模拟了甲烷在圆管状石墨纳米孔隙中的循环稳态流动，研究了气仓构型和孔径对纳米流动的影响，获得如下发现： 

　　1）文献中常用的开放气仓构型体系（图1a）存在尺寸效应，甲烷流量随气仓横截面边长的增大而降低，并逐渐趋于收敛。由于该体系气流性质不纯（即孔隙内有边界约束流动与气仓内无边界约束流动的混合），因此不适合用来模拟研究纳米流动； 

　　2）新设计的封闭气仓构型体系（图1b）可以产生可靠的稳态气流，但是流量随表面粗糙度增大而迅速减小，直至气仓横截面边长大于孔直径至少2 nm后收敛。考虑到页岩微纳米孔隙具有复杂粗糙的表面，该体系收敛后的稳态流有资格代表页岩气的真实流动； 

　　3）封闭气仓构型体系中随孔径变化的流量数据能够很好地被Javadpour公式描述，这也是首次用分子模拟直接验证了该公式的可靠性（图2）。进一步分析表明孔隙内滑移流对总流量的贡献在半径为1.25 nm的孔隙中达到最大值（图3），符合理论的定性预测。 　　

图1 模拟体系的构型图。a）开放气仓构型，b）封闭气仓构型。图中深灰色球为石墨碳原子，青色球为甲烷分子，红色虚线框为施加外力（f）的泵区，红色箭头表示f的方向（指向系统Z轴，即甲烷流动方向），泵区的总长度为h，横截面的边长为L_S 

图2 甲烷流量随孔径的变化。图中红色和蓝色数据点分别代表开放气仓构型体系和封闭气仓构型体系，红色实线代表描述宏观管流的Hagen-Poiesuille公式，蓝色的实线与虚线分别代表Javadpour公式中切向动量协调系数a分别取0.7055和1的情况。数据点覆盖了误差线 

图3 滑移流（由孔壁附近第一吸附层构成）占总流量的百分比随孔径的变化