氦气在矿物纳米孔隙中运移的分子动力学模拟

作     者：宋丹丹 关平 张驰 任嘉豪 

作者机构：北京大学地球与空间科学学院 

出 版 物：《中国科学:地球科学》 (Scientia Sinica(Terrae))

年 卷 期：2025年第1期

页      面：239-254页

核心收录：

学科分类：081803[工学-地质工程] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 

基　　金：国家重点研发计划项目(2021YFA0719000)资助 

主　　题：氦气运移 纳米孔隙 分子动力学模拟 扩散 流动载体 

摘      要：氦气在矿物纳米孔隙、孔喉中的赋存状态及流动方式对氦气的整体运移至关重要.为了阐明氦气在纳米级矿物孔隙中的运移机制,本文通过平衡分子动力学与非平衡分子动力学方法,分别模拟了氦气在石英层状纳米孔隙中的平衡自扩散和压力驱动下的平流行为.此外,向含氦气的石英纳米孔中加入了水和氢气、甲烷、乙烷、氮气、二氧化碳等气体,以分析流动载体对氦气运移的影响.研究表明,氦气在石英孔隙壁面上的吸附量很小.在孔径小于5nm且气压低于10MPa的条件下,环境因素会显著影响氦气的扩散系数,大孔、高温和低气压的条件能促进氦的解吸附并加快其扩散.氦气以平流的形式在孔隙中运移时,流动速度与孔径大小、压力梯度和孔壁光滑程度正相关.值得注意的是,孔隙中的水和载气扩散都比氦气慢,并且他们的存在都会减少氦气的表面吸附且减弱氦气的扩散.在几种载气中,氮气的吸附性、扩散性和化学稳定性整体最接近氦气,而二氧化碳吸附能力最强、扩散最慢、与氦气差异最大.根据模拟结果,我们认为水和载气的主要作用是作为运输载体,与氦气共同运移.几种载气中,氮气的总体性质与氦气非常相似,可以有效地促进氦气的运移.而二氧化碳气体吸附性强、扩散慢,在多种气体的共同运移过程中容易损失.因此,氮气含量高而二氧化碳含量低的气藏可能具有更高的氦气含量.此外,小孔径、高气压的盖层孔隙中氦气扩散较慢,有利于氦气的保存.并且盖层孔隙中的水和载气会堵塞孔隙空间,进一步阻止了氦气的逸散.