气水两相流在孔道中形成水锁的分子模拟及对可燃冰开采的意义
【仪表网 仪表研发】天然气水合物(可燃冰)是资源量巨大的战略性清洁能源，可以通过降压法、热激法等开采。开采时，水合物因温压平衡条件被打破而原位分解为甲烷气和水，随后通过储层孔隙系统渗流到井筒中。该过程是一个十分复杂的多场、多相、多介质、多尺度问题，亟需从多环节、多角度、多层次，用多手段开展研究，从而为高效、可控、安全地开采可燃冰资源提供理论支撑。研究天然气水合物采气过程不可或缺的气水两相渗流问题，查明孔隙内水饱和度变化对气水渗透率的影响，对深入理解水合物试采中遇到的产气量衰减现象有重要意义。
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为了探索上述问题，中国科学院地质与地球物理研究所油气资源研究院重点实验室博士生郑超在郭光军研究员的指导下，与广州海洋地质调查局等单位合作，采用分子模拟方法研究了甲烷气与水的两相渗流过程。他们在一个亲水的SiO2圆管中构建了不同水饱和度的初始气水体系，采用泵致压差法，在温度288 K、压力15 MPa、压差3 MPa条件下，开展了大规模的气水两相渗流分子模拟，并分别监测甲烷气与水的流量(Q)及相对渗透率(Kr)。得益于本研究首创的高精度“纳米压力计”方法(图1)，模拟中体系压力的误差被控制在小于0.2%，压力差的误差小于2%。
图1 模拟体系构型。(A) 泵区，用于产生压差，f和箭头表示施加在泵区每个分子上的外力。(B) 缓冲区，用于降低泵区粒子被加速而对流动产生的干扰。(C) 气腔，用于测量孔道两端的局部压力，即P1和P2(以虚线框为取样范围)。(D)孔道区，用于气水两相流动。在孔隙介质中，黄色点为硅原子，红色点为氧原子，表面上的白点为氢原子。孔隙内充填物为气相甲烷(青色球)和水相(白色液态区)
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模拟结果表明，随着孔隙内水饱和度(Sw)升高，甲烷气流量和相对渗透率都单调降低(图2a、图2b)，但在Sw = 0.52时，两者突降至几乎为0，表明甲烷停止了流动。该现象缘于孔道内“水锁”形成并阻断了甲烷气的输运(图2c)，这对于天然气水合物开采十分不利。他们基于新提出的水锁模型(图3a)和两个强有力证据——水相表面积随时间演化降低(图3b)和水膜厚度随 Sw增加存在最大值与平台值(图3c)，阐明了水锁的形成是气-水界面的表面张力和孔壁-水之间吸附力互相竞争并达到平衡的结果。根据这个新认识，建议在优化可燃冰采气方案时需要考虑采取各种除水措施，如电潜泵抽排水以及注入吸水材料和耗水材料等，从而避免因形成水锁而减产。此外，本研究首创的用纳米压力计测量局部压力的方法在分子模拟中有广泛应用前景，而且在分子尺度上阐明的水锁形成机制也对页岩气、致密气、深层气等其它气水两相渗流体系的研究有重要启示和应用价值。
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图2 (a)甲烷气和水流量随孔隙内水饱和度(Sw)的变化，甲烷流量(Qg)在Sw=0.52处突降至几乎为0，表明甲烷停止流动；(b)甲烷气的相对渗透率(Krg)随孔隙内水饱和度(Sw)的变化，同样在Sw=0.52处突降；(c)水锁形成过程的快照(Sw=0.54)
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图3 (a)水锁形态模型示意图，由两个弯月面相夹的水柱组成，并被孔壁上的一层水膜包裹；(b)气-水界面表面积(SAwg)随时间(t)而降低，指示了表面张力的驱动作用；(c) 孔隙水膜厚度(dwf)随水饱和度(Sw)增加依次出现最大值和平台值，指示了孔壁对水分子的吸附作用
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研究成果发表于国际学术期刊Fuel(郑超，郭光军，秦绪文，董艳辉，陆程，彭博，唐伟，边航. 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)
