详细介绍一下,郑超等-Fuel：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

张强律师法律头条 2022-11-15 12:05:07

导读：详介绍一下，郑超等-燃料:气水两相在通道内流动形成的水锁的分子模拟及其对可燃冰开采的意义。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

详介绍一下，郑超等-燃料:气水两相在通道内流动形成的水锁的分子模拟及其对可燃冰开采的意义。

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。天然气水合物(可燃冰)是一种资源巨大的战略性清洁能源，可以通过降压和热力吞吐开采。在开采过程中，由于温压平衡条件的打破，水合物就地分解为甲烷气和水，然后通过储层孔隙系统渗入井筒。这一过程是一个非常复杂的多领域、多阶段、多介质、多尺度的问题，迫切需要从多环节、多角度、多层次、多手段开展研究，为可燃冰资源的高效、可控、安全开采提供理论支撑。研究天然气水合物采气过程中不可或缺的气水两相渗流问题，弄清孔隙中含水饱和度的变化对气水渗透率的影响，对深入认识水合物试采中的产气量递减现象具有重要意义。

为探索上述问题，中国科学院地质与地球物理研究所油气资源研究所重点实验室博士生在郭的指导下，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体和水的两相渗流过程。他们在亲水性二氧化硅圆管中建立了不同含水饱和度的初始气水系统，在温度为288K、压力为15MPa、压力为3MPa的条件下进行了大规模的气水两相渗流分子模拟，分别监测了甲烷气体和水的流量(Q)和相对渗透率(Kr)。得益于本研究首创的高精度“纳米压力计”方法(图1)，模拟中系统压力误差控制在0.2%以内，压差误差小于2%。

图1模拟系统配置。(a)泵区，用于产生压差。f和箭头表示施加到每个分子泵区域的外力。(b)缓冲区，用于减少加速引起的泵区颗粒对流动的干扰。(c)气腔，用于测量通道两端的局部压力，即P1和P2(虚线框为采样范围)。(d)气-水两相流的通道面积。在多孔介质中，黄点是硅原子，红点是氧原子，表面的白点是氢原子。孔隙填充物为气相甲烷(青色球)和水相(白色液体区)。

模拟结果表明，随着孔隙含水饱和度(Sw)的增加，甲烷气体流量和相对渗透率均单调下降(图2a和图2b)，但当Sw=0.52时，它们突然下降到几乎为零，表明甲烷停止流动。这种现象是由于在通道内形成了“水锁”，阻碍了甲烷气体的输送(图2c)，对天然气水合物的开采非常不利。基于新提出的水锁模型(图3a)和两个强有力的证据——水相表面积随时间减小(图3b)和水膜厚度随Sw增加，并存在一个最大值和平台值(图3c)，阐明了水锁的形成是气水界面表面张力和孔壁与水之间吸附力竞争和平衡的结果。根据这一新认识，建议在优化可燃冰产气方案时采取多种除水措施，如电潜泵抽排水、注入吸水材料和耗水材料等。，以避免因水锁形成而减产。此外，本研究首创的纳米压力计测量局部压力的方法在分子模拟中具有广泛的应用前景，在分子尺度上阐述的水锁形成机理对页岩气、致密气、深层气等其他气水两相渗流系统的研究也具有重要的启示和应用价值。