原创 ACS Publications ACS美国化学会
英文原题：Transport of Shale Gas in Microporous/Nanoporous Media: Molecular to Pore-Scale Simulations
通讯作者：吴恒安，中国科学技术大学
作者：Hao Yu (余昊，共同一作), HengYu Xu (徐亨宇，共同一作), JingCun Fan (范竞存), YinBo Zhu (朱银波), FengChao Wang (王奉超), HengAn Wu (吴恒安)
页岩气是一种重要的非常规油气资源，在世界范围内分布广泛，储量巨大，具有广阔的开发前景。随着北美“页岩气革命”的成功，美国已经完成了从能源进口大国到出口大国的转变，实现了能源独立。作为全球页岩气储量最多的国家之一，中国也在积极探索页岩气的商业化开发，力求扭转当前油气资源过度依赖进口的不利局势。不同于常规油气资源，页岩气是一种典型的致密天然气，其所贮存的页岩层孔隙度（<10%）和渗透率（<0.1mD）极低，绝大多数的页岩气以吸附或游离状态贮存在页岩微纳米孔道。在实际生产中，气体从页岩微纳米孔道运移进入压裂产生的裂缝网络，最终汇聚到井筒。这一过程涉及气体的多尺度输运行为，特别是在页岩微纳米孔道中，气体的输运表现出显著的微纳尺度固气（液）界面效应。因此如何准确认识页岩气的多尺度输运特性并建立相应的输运模型，成为制约页岩气产能评估和高效开采的工程难题，同时也是重要的微纳尺度限域传质力学问题。近日，中国科学技术大学吴恒安教授研究团队系统总结了国内外众多课题组在页岩气多尺度输运理论模型和数值方法领域的研究进展。综述重点介绍了该领域研究者基于分子动力学模拟、格子玻尔兹曼和孔隙网络方法的页岩气纳尺度、跨尺度输运研究的代表性成果，并指出了该研究领域当前面临的挑战和未来的发展方向，该研究综述近期作为封面论文发表于Energy & Fuels期刊。该综述首先介绍了围绕分子动力学（Molecular dynamics, MD）模拟的页岩纳米孔道气体输运研究进展，包括有机质和无机矿物分子构型的发展历程，纳米孔道和甲烷体系的构造策略，驱动力的施加方式，以及不同储层条件（环境压力、孔隙尺寸、孔隙类型、原子尺度粗糙度、孔隙结构）影响下的甲烷气体输运特性和内在机制。主要结论是，环境压力和孔道尺寸的减小都会增强气体在页岩纳米孔道中的输运能力，其原因可以归结于气体和壁面之间界面效应的增强，衍生了气体在壁面处的滑移和扩散效应。而气-固界面效应受到孔道壁面结构影响较大，一般来说，随着壁面粗糙度的增大，滑移和扩散效应会被显著削弱，甚至出现无滑移的流动特征。此外，该综述也讨论了水对气体在页岩纳米孔道中输运特性的影响，发现水在纳米孔道中会形成水膜（亲水壁面）或者水簇（疏水壁面）结构，从而极大地限制气体在纳米孔道中的输运能力。
图1. 甲烷在页岩纳米孔道中流动的分子模型
格子玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method, LBM）是一种对流体进行粒子化离散的方法，其在宏观上等效于Navier-Stokes方程，在微观上又具有粒子特性，因此可以用来描述跨尺度的流动行为，但需要进行修正。一般有两种修正思路：一种是直接对边界处粒子的反弹条件进行修正；第二种策略是借助理论公式对格子玻尔兹曼方法的模拟结果进行修正。值得注意的是，以上两种思路均可通过将分子模拟得到的气-固界面效应通过直接修改边界条件或间接提供修正公式的方法引入格子玻尔兹曼方法当中，从而实现跨尺度的气体输运模拟。
图2. 格子玻尔兹曼方法给出的页岩孔网尺度气体输运特性
孔隙网络模型（Pore Network Model, PNM）提供了更为简便的接口来引入分子尺度下揭示的界面效应。不同于格子玻尔兹曼方法对流体粒子的离散，孔隙网络模型的基本思想是对多孔结构的离散，将其等效为由多个简单孔道连接而成的孔道网络。因此孔隙网络模型方法的运算核心只依赖于单个孔道的气体输运控制方程，这里就可以很方便地将分子模拟所得到的滑移、扩散等界面效应以输运控制方程的形式引入到孔隙网络模型当中，以同时考虑气体在页岩基质中输运所具有的多孔结构复杂性和流动机制多样性。
图3. 基于数字岩心的页岩孔隙网络提取和渗流模拟
基于分子模拟所揭示的纳米孔道气体输运特性，并结合孔网尺度的格子玻尔兹曼方法和孔隙网络模型，可以得到气体在页岩基质中的跨尺度输运行为（图4）。随着孔隙尺寸的减小，气体的流动机制逐渐偏离宏观的粘性流动，出现了微纳尺度下的气体滑移和扩散机制。因此基于传统宏观达西渗流理论的渗透率预测方案失效，需要通过分子尺度和孔网尺度相耦合的跨尺度理论和模拟策略来预测气体在页岩基质中的复杂渗流行为，从而为页岩气的产能评估和优化开采方案提供可靠的理论指导。
图4. 页岩气在不同孔道尺度下的输运特性和机制
扫描二维码阅读英文原文
Energy & Fuels. 2021, 35, 2, 911–943
Publication Date: November 25, 2020
https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.0c03276
Copyright © 2021 American Chemical Society
实验室概况
相关新闻