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。
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288K、压力15MPa、压差3MPa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%。
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。
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)
美编:傅士旭
校对:万鹏
页面更新:2024-03-21
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