【儀表網 儀表研發】天然氣水合物(可燃冰)是資源量巨大的戰略性清潔能源，可以通過降壓法、熱激法等開采。開采時，水合物因溫壓平衡條件被打破而原位分解為甲烷氣和水，隨后通過儲層孔隙系統滲流到井筒中。該過程是一個十分復雜的多場、多相、多介質、多尺度問題，亟需從多環節、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，查明孔隙內水飽和度變化對氣水滲透率的影響，對深入理解水合物試采中遇到的產氣量衰減現象有重要意義。
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博士生鄭超在郭光軍研究員的指導下，與廣州海洋地質調查局等單位合作，采用分子模擬方法研究了甲烷氣與水的兩相滲流過程。他們在一個親水的SiO2圓管中構建了不同水飽和度的初始氣水體系，采用泵致壓差法，在溫度288 K、壓力15 MPa、壓差3 MPa條件下，開展了大規模的氣水兩相滲流分子模擬，并分別監測甲烷氣與水的流量(Q)及相對滲透率(Kr)。得益于本研究首創的高精度“納米壓力計”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 模擬體系構型。(A) 泵區，用于產生壓差，f和箭頭表示施加在泵區每個分子上的外力。(B) 緩沖區，用于降低泵區粒子被加速而對流動產生的干擾。(C) 氣腔，用于測量孔道兩端的局部壓力，即P1和P2(以虛線框為取樣范圍)。(D)孔道區，用于氣水兩相流動。在孔隙介質中，黃色點為硅原子，紅色點為氧原子，表面上的白點為氫原子。孔隙內充填物為氣相甲烷(青色球)和水相(白色液態區)
模擬結果表明，隨著孔隙內水飽和度(Sw)升高，甲烷氣流量和相對滲透率都單調降低(圖2a、圖2b)，但在Sw = 0.52時，兩者突降至幾乎為0，表明甲烷停止了流動。該現象緣于孔道內“水鎖”形成并阻斷了甲烷氣的輸運(圖2c)，這對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)和兩個強有力證據——水相表面積隨時間演化降低(圖3b)和水膜厚度隨 Sw增加存在最大值與平臺值(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爭并達到平衡的結果。根據這個新認識，建議在優化可燃冰采氣方案時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。此外，本研究首創的用納米壓力計測量局部壓力的方法在分子模擬中有廣泛應用前景，而且在分子尺度上闡明的水鎖形成機制也對頁巖氣、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用價值。
圖2 (a)甲烷氣和水流量隨孔隙內水飽和度(Sw)的變化，甲烷流量(Qg)在Sw=0.52處突降至幾乎為0，表明甲烷停止流動；(b)甲烷氣的相對滲透率(Krg)隨孔隙內水飽和度(Sw)的變化，同樣在Sw=0.52處突降；(c)水鎖形成過程的快照(Sw=0.54)
圖3 (a)水鎖形態模型示意圖，由兩個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(SAwg)隨時間(t)而降低，指示了表面張力的驅動作用；(c) 孔隙水膜厚度(dwf)隨水飽和度(Sw)增加依次出現最大值和平臺值，指示了孔壁對水分子的吸附作用
研究成果發表于國際學術期刊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)
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