【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】天然氣水合物(可燃冰)是資源量巨大的戰(zhàn)略性清潔能源，可以通過降壓法、熱激法等開采。開采時(shí)，水合物因溫壓平衡條件被打破而原位分解為甲烷氣和水，隨后通過儲(chǔ)層孔隙系統(tǒng)滲流到井筒中。該過程是一個(gè)十分復(fù)雜的多場(chǎng)、多相、多介質(zhì)、多尺度問題，亟需從多環(huán)節(jié)、多角度、多層次，用多手段開展研究，從而為高效、可控、安全地開采可燃冰資源提供理論支撐。研究天然氣水合物采氣過程不可或缺的氣水兩相滲流問題，查明孔隙內(nèi)水飽和度變化對(duì)氣水滲透率的影響，對(duì)深入理解水合物試采中遇到的產(chǎn)氣量衰減現(xiàn)象有重要意義。
 

　　為了探索上述問題，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所油氣資源研究院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生鄭超在郭光軍研究員的指導(dǎo)下，與廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局等單位合作，采用分子模擬方法研究了甲烷氣與水的兩相滲流過程。他們?cè)谝粋€(gè)親水的SiO₂圓管中構(gòu)建了不同水飽和度的初始?xì)馑w系，采用泵致壓差法，在溫度288 K、壓力15 MPa、壓差3 MPa條件下，開展了大規(guī)模的氣水兩相滲流分子模擬，并分別監(jiān)測(cè)甲烷氣與水的流量(Q)及相對(duì)滲透率(K_r)。得益于本研究首創(chuàng)的高精度“納米壓力計(jì)”方法(圖1)，模擬中體系壓力的誤差被控制在小于0.2%，壓力差的誤差小于2%。

　　圖1 模擬體系構(gòu)型。(A) 泵區(qū)，用于產(chǎn)生壓差，f和箭頭表示施加在泵區(qū)每個(gè)分子上的外力。(B) 緩沖區(qū)，用于降低泵區(qū)粒子被加速而對(duì)流動(dòng)產(chǎn)生的干擾。(C) 氣腔，用于測(cè)量孔道兩端的局部壓力，即P₁和P₂(以虛線框?yàn)槿臃秶?。(D)孔道區(qū)，用于氣水兩相流動(dòng)。在孔隙介質(zhì)中，黃色點(diǎn)為硅原子，紅色點(diǎn)為氧原子，表面上的白點(diǎn)為氫原子。孔隙內(nèi)充填物為氣相甲烷(青色球)和水相(白色液態(tài)區(qū))
 

　　模擬結(jié)果表明，隨著孔隙內(nèi)水飽和度(S_w)升高，甲烷氣流量和相對(duì)滲透率都單調(diào)降低(圖2a、圖2b)，但在S_w = 0.52時(shí)，兩者突降至幾乎為0，表明甲烷停止了流動(dòng)。該現(xiàn)象緣于孔道內(nèi)“水鎖”形成并阻斷了甲烷氣的輸運(yùn)(圖2c)，這對(duì)于天然氣水合物開采十分不利。他們基于新提出的水鎖模型(圖3a)和兩個(gè)強(qiáng)有力證據(jù)——水相表面積隨時(shí)間演化降低(圖3b)和水膜厚度隨 Sw增加存在最大值與平臺(tái)值(圖3c)，闡明了水鎖的形成是氣-水界面的表面張力和孔壁-水之間吸附力互相競(jìng)爭并達(dá)到平衡的結(jié)果。根據(jù)這個(gè)新認(rèn)識(shí)，建議在優(yōu)化可燃冰采氣方案時(shí)需要考慮采取各種除水措施，如電潛泵抽排水以及注入吸水材料和耗水材料等，從而避免因形成水鎖而減產(chǎn)。此外，本研究首創(chuàng)的用納米壓力計(jì)測(cè)量局部壓力的方法在分子模擬中有廣泛應(yīng)用前景，而且在分子尺度上闡明的水鎖形成機(jī)制也對(duì)頁巖氣、致密氣、深層氣等其它氣水兩相滲流體系的研究有重要啟示和應(yīng)用價(jià)值。
 

　　圖2 (a)甲烷氣和水流量隨孔隙內(nèi)水飽和度(Sw)的變化，甲烷流量(Qg)在S_w=0.52處突降至幾乎為0，表明甲烷停止流動(dòng)；(b)甲烷氣的相對(duì)滲透率(Krg)隨孔隙內(nèi)水飽和度(S_w)的變化，同樣在S_w=0.52處突降；(c)水鎖形成過程的快照(S_w=0.54)
 

　　圖3 (a)水鎖形態(tài)模型示意圖，由兩個(gè)彎月面相夾的水柱組成，并被孔壁上的一層水膜包裹；(b)氣-水界面表面積(SA_wg)隨時(shí)間(t)而降低，指示了表面張力的驅(qū)動(dòng)作用；(c) 孔隙水膜厚度(d_wf)隨水飽和度(S_w)增加依次出現(xiàn)最大值和平臺(tái)值，指示了孔壁對(duì)水分子的吸附作用
 

　　研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Fuel(鄭超，郭光軍，秦緒文，董艷輝，陸程，彭博，唐偉，邊航. Molecular simulation studies on the water/methane two-phase flow in a cylindrical silica nanopore: Formation mechanisms of water lock and implications for gas hydrate exploitation [J]. Fuel, 2023, 333: 126258. DOI: 10.1016/j.fuel.2022.126258)