頁(yè)巖氣是一種非常規(guī)油氣資源，通常賦存在儲(chǔ)層頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)和無(wú)機(jī)質(zhì)的微納米孔隙中。有別于宏觀尺度孔隙中的常規(guī)達(dá)西流，頁(yè)巖氣在微納米孔隙中的擴(kuò)散輸運(yùn)不符合達(dá)西定律。查明頁(yè)巖氣的微觀輸運(yùn)規(guī)律和流動(dòng)機(jī)理對(duì)于頁(yè)巖氣多尺度滲流研究以及可采性評(píng)價(jià)具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。 

　　中科院地質(zhì)地球所地球與行星物理院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生田會(huì)全在導(dǎo)師郭光軍研究員指導(dǎo)下，使用外加力場(chǎng)的非平衡分子動(dòng)力學(xué)方法，成功模擬了甲烷在圓管狀石墨納米孔隙中的循環(huán)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，研究了氣倉(cāng)構(gòu)型和孔徑對(duì)納米流動(dòng)的影響，獲得如下發(fā)現(xiàn)： 

　　1）文獻(xiàn)中常用的開(kāi)放氣倉(cāng)構(gòu)型體系（圖1a）存在尺寸效應(yīng)，甲烷流量隨氣倉(cāng)橫截面邊長(zhǎng)的增大而降低，并逐漸趨于收斂。由于該體系氣流性質(zhì)不純（即孔隙內(nèi)有邊界約束流動(dòng)與氣倉(cāng)內(nèi)無(wú)邊界約束流動(dòng)的混合），因此不適合用來(lái)模擬研究納米流動(dòng)； 

　　2）新設(shè)計(jì)的封閉氣倉(cāng)構(gòu)型體系（圖1b）可以產(chǎn)生可靠的穩(wěn)態(tài)氣流，但是流量隨表面粗糙度增大而迅速減小，直至氣倉(cāng)橫截面邊長(zhǎng)大于孔直徑至少2 nm后收斂。考慮到頁(yè)巖微納米孔隙具有復(fù)雜粗糙的表面，該體系收斂后的穩(wěn)態(tài)流有資格代表頁(yè)巖氣的真實(shí)流動(dòng)； 

　　3）封閉氣倉(cāng)構(gòu)型體系中隨孔徑變化的流量數(shù)據(jù)能夠很好地被Javadpour公式描述，這也是首次用分子模擬直接驗(yàn)證了該公式的可靠性（圖2）。進(jìn)一步分析表明孔隙內(nèi)滑移流對(duì)總流量的貢獻(xiàn)在半徑為1.25 nm的孔隙中達(dá)到最大值（圖3），符合理論的定性預(yù)測(cè)。 　　

圖1 模擬體系的構(gòu)型圖。a）開(kāi)放氣倉(cāng)構(gòu)型，b）封閉氣倉(cāng)構(gòu)型。圖中深灰色球?yàn)槭荚?，青色球?yàn)榧淄榉肿?，紅色虛線(xiàn)框?yàn)槭┘油饬Γ?/span>f）的泵區(qū)，紅色箭頭表示f的方向（指向系統(tǒng)Z軸，即甲烷流動(dòng)方向），泵區(qū)的總長(zhǎng)度為h，橫截面的邊長(zhǎng)為L_S 

圖2 甲烷流量隨孔徑的變化。圖中紅色和藍(lán)色數(shù)據(jù)點(diǎn)分別代表開(kāi)放氣倉(cāng)構(gòu)型體系和封閉氣倉(cāng)構(gòu)型體系，紅色實(shí)線(xiàn)代表描述宏觀管流的Hagen-Poiesuille公式，藍(lán)色的實(shí)線(xiàn)與虛線(xiàn)分別代表Javadpour公式中切向動(dòng)量協(xié)調(diào)系數(shù)a分別取0.7055和1的情況。數(shù)據(jù)點(diǎn)覆蓋了誤差線(xiàn) 

圖3 滑移流（由孔壁附近第一吸附層構(gòu)成）占總流量的百分比隨孔徑的變化