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氦气在矿物纳米孔隙中运移的分子动力学模拟

中国科学:地球科学 2025年第1期 239-254页

作者：宋丹丹关平张驰任嘉豪北京大学地球与空间科学学院

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... 详细信息

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.

关键词：氦气运移纳米孔隙分子动力学模拟扩散流动载体

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纳米孔隙储集层动态渗吸数学模型

石油勘探与开发 2022年第1期49卷 148-155页

作者：田伟兵吴克柳陈掌星雷征东高艳玲李靖中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室北京102249 加拿大卡尔加里大学石油及化学工程系阿尔伯塔T2N 1N4 中国石油勘探开发研究院北京100083

在考虑动态接触角效应、纳米限域效应、惯性效应和入口端效应的基础上,建立了纳米尺度孔隙中油-水渗吸方程,推导出固-油-水三相接触线摩擦系数与界面区流体黏度的关系式,结合毛细管束模型和对数正态分布理论,得到了致密岩心渗吸模型,并... 详细信息

在考虑动态接触角效应、纳米限域效应、惯性效应和入口端效应的基础上,建立了纳米尺度孔隙中油-水渗吸方程,推导出固-油-水三相接触线摩擦系数与界面区流体黏度的关系式,结合毛细管束模型和对数正态分布理论,得到了致密岩心渗吸模型,并对影响渗吸动态的关键参数进行了分析。研究表明,纳米孔隙渗吸过程中,动态接触角效应对渗吸的影响最为显著,纳米限域效应(多层黏附效应和滑脱效应)次之,惯性效应和入口端效应影响最小;渗吸初期,惯性力的作用减小,接触线摩擦力的作用增加,动态接触角从初始的平衡接触角逐渐增大至最大并基本保持稳定;渗吸后期,接触线摩擦力的作用减小,接触角则从最大动态接触角逐渐降低并趋于初始的平衡接触角;孔隙半径减小,渗吸初期动态接触角效应增强,渗吸中后期动态接触角效应减弱;油水界面张力增加,渗吸动力增大,动态接触角效应增强;界面张力对渗吸动态的影响存在临界值,致密储集层渗吸提高采收率,过低的界面张力并不能获得更好的渗吸效果,最佳的界面张力需通过优化获得。

关键词：致密储集层纳米孔隙毛细管渗吸模型渗吸动态影响因素

准噶尔盆地吉木萨尔凹陷致密油储层纳米孔隙特征及其含油性

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地球科学 2018年第5期43卷 1594-1601页

作者：靳军杨召依力哈木.尔西丁李璐璐刘明中国石油新疆油田分公司实验检测研究院新疆克拉玛依834000

纳米技术在非常规油气致密储层微观孔隙结构表征、油气赋存等研究中发挥着重要的作用.以准噶尔盆地东部吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组致密油储层为例,综合运用高压压汞分析、场发射扫描电镜及纳米CT扫描等纳米分析技术,对吉木萨尔凹陷芦... 详细信息

纳米技术在非常规油气致密储层微观孔隙结构表征、油气赋存等研究中发挥着重要的作用.以准噶尔盆地东部吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组致密油储层为例,综合运用高压压汞分析、场发射扫描电镜及纳米CT扫描等纳米分析技术,对吉木萨尔凹陷芦草沟组致密油储层微纳米孔隙特征与结构进行研究,并结合宏微观特征分析了原油在孔隙中的赋存状态.结果表明:吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组储层为中低孔、特低渗储层,孔隙以微纳米级为主,类型多样,主要有粒间孔(隙)、粒间溶孔、晶间孔及微裂隙等,纳米孔隙是吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组致密油储层主要储集空间之一,纳米孔隙中普遍含油,且多以吸附状态存在,赋存在纳米孔隙中的油气,改变了微米级孔隙是油气储层唯一微观孔隙的传统认识,是未来石油工业的发展方向.

关键词：纳米技术芦草沟组致密油储层纳米孔隙油气地质

富油煤地下热解过程中纳米孔隙结构特性演化规律

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煤炭学报 2024年第11期49卷 4553-4562页

作者：许涛陈杰伍永平柯于斌解盘石吕文玉西安科技大学能源学院陕西西安710054 中国散裂中子源广东东莞523803

富油煤地下热解是一种可有效提取煤中油气资源的绿色低碳技术,是煤炭清洁低碳利用的前沿方向。煤中纳米孔隙是地下热解过程中吸附和解吸焦油气的主要空间,因此探明地下热解条件下纳米孔隙结构特性演化规律,是提高富油煤地下热解工艺油... 详细信息

富油煤地下热解是一种可有效提取煤中油气资源的绿色低碳技术,是煤炭清洁低碳利用的前沿方向。煤中纳米孔隙是地下热解过程中吸附和解吸焦油气的主要空间,因此探明地下热解条件下纳米孔隙结构特性演化规律,是提高富油煤地下热解工艺油气产率的关键科学问题。利用中国散裂中子源(CSNS)-小角中子散射(SANS)技术,模拟煤层地下热解环境,定量表征富油煤在无围限压力条件下不同加热速率与温度下纳米孔隙的散射强度、平均孔径与分形维数演变,结合低温吸附(BET)、热重实验(TG)、扫描电镜(SEM)等多种物理表征方法,揭示富油煤地下热解过程中纳米孔隙结构特性演化规律。研究结果表明:在地下热解过程中,纳米孔隙的平均孔径随温度的升高逐渐增大,在热解干燥脱气阶段(纳米孔隙发育最为剧烈,增长幅度为57.1%,在随后二次脱气阶段发育再次减缓;在低-中-高温(≤800℃)条件下热解没有引起富油煤表面分形维数D_(s)的明显变化。基于SANS散射光谱,分析发现热解过程中富油煤纳米孔隙分布呈现各向同性特征,表明热解反应不会影响本实验样品中纳米孔隙发育的方向性。对比不同加热速率(5℃/min与20℃/min),实验发现加热速率对地下热解过程中富油煤纳米孔隙平均孔径与分形维数影响较小;较慢加热速率下富油煤的最终整体散射强度更高,纳米孔隙结构发育更充分,更有利于地下热解反应的进行。此外,与BET等常规表征方法相比,CSNS-SANS技术可检测到样品中的闭孔,且实验条件更符合原位环境,实验结果更具可靠性。

关键词：富油煤地下热解原位分析纳米孔隙小角中子散射

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不同方向石墨烯片构筑纳米孔隙浸润特征

物理学报 2022年第19期71卷 258-265页

作者：王文远谢章郝少倩吴锋民寇建龙浙江师范大学凝聚态物理研究所金华321004 山西大学理论物理研究所太原030006

以石墨烯为基质构筑的纳米孔隙存在两种壁面结构,水滴浸润纳米孔隙在微流动方面至关重要.本文鉴于实验报道的石墨烯结构,构建了两种石墨烯纳米孔隙,利用全原子分子动力学模拟方法研究了纳米水滴浸润两种纳米孔隙.发现两种不同排列石墨... 详细信息

以石墨烯为基质构筑的纳米孔隙存在两种壁面结构,水滴浸润纳米孔隙在微流动方面至关重要.本文鉴于实验报道的石墨烯结构,构建了两种石墨烯纳米孔隙,利用全原子分子动力学模拟方法研究了纳米水滴浸润两种纳米孔隙.发现两种不同排列石墨烯构筑相同尺度的纳米孔隙展现出完全不同的浸润特点,一种是放置在纳米孔隙入口处的水滴会自发浸润孔隙,另一种是水滴完全不会浸润孔隙.通过分析两种纳米孔隙结构,总结出了产生上述现象主要归因于纳米孔隙内外表面的润湿性差异.建立了纳米孔隙内外表面完全一样的结构,构建了水滴浸润纳米孔隙的润湿性相图,给出了水滴浸润纳米孔隙的一般性规律.

关键词：纳米孔隙纳米水滴润湿性石墨烯面

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基于纳米孔隙弹性理论的页岩气储层地震弹性反演方法

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地球物理学报 2023年第9期66卷 3869-3881页

作者：印林杰印兴耀李坤中国石油大学(华东) 青岛266580 青岛海洋科学与技术试点国家实验室青岛266580 山东省深层油气重点实验室青岛266580

页岩中的有机质干酪根广泛发育大量纳米级别的孔隙,这些孔隙具有极大的表面-体积比,孔隙表面会产生明显的表面效应,从而对页岩整体弹性性质产生影响.在对页岩进行储层预测时,考虑纳米孔隙的影响是十分必要的.现有的AVO技术以经典弹性理... 详细信息

页岩中的有机质干酪根广泛发育大量纳米级别的孔隙,这些孔隙具有极大的表面-体积比,孔隙表面会产生明显的表面效应,从而对页岩整体弹性性质产生影响.在对页岩进行储层预测时,考虑纳米孔隙的影响是十分必要的.现有的AVO技术以经典弹性理论为基础,通常可以预测页岩储层的纵横波速度、弹性模量和密度等,但往往忽略了纳米孔隙的表面效应.结合纳米孔隙弹性理论和AVO技术,将表征纳米孔表面效应的参数(表面弹性模量、纳米孔径)耦合到反射系数近似公式中,提出了一种新的AVO参数化表征方法,直接体现了纳米孔隙相关参数对反射系数的响应特征.新方法中包含3个待反演参数:基质剪切模量、纳米孔隙相关参数和密度.基于平滑背景约束的贝叶斯反演策略,利用测井的模型试验和实际地震数据验证了所提方法的可行性和适用性,实现了对页岩纳米孔隙相关属性的定量预测.通过定量关系转换,创建了一种用以描述页岩含气能力的指示因子.本文提出的方法为预测页岩气储层弹性性质提供了一种新的思路.

关键词：纳米孔隙表面效应 AVO技术贝叶斯反演

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页岩气藏纳米孔隙气体渗流特征分析

天然气地球科学 2013年第5期24卷 1042-1047页

作者：李智锋李治平苗丽丽付应坤王杨谢姗中国华电工程(集团)有限公司北京100035 中国地质大学(北京)能源学院北京100083 中国石化胜利油田分公司技术检测中心山东东营257000 中国石油长庆油田采气二厂陕西榆林719000

页岩气藏储层孔隙非常细小，国内外页岩孔隙半径主要集中在几个纳米到20个纳米之间，国内部分页岩孔隙半径小于10个纳米。页岩气藏生产受到纳米孔隙中的游离气和吸附于干酪根中吸附气两大主体气源影响，这2种气源气在生产中表现出4种机... 详细信息

页岩气藏储层孔隙非常细小，国内外页岩孔隙半径主要集中在几个纳米到20个纳米之间，国内部分页岩孔隙半径小于10个纳米。页岩气藏生产受到纳米孔隙中的游离气和吸附于干酪根中吸附气两大主体气源影响，这2种气源气在生产中表现出4种机理。研究了纳米孔隙中气体分子克努森扩散、气体滑脱、达西渗流及吸附于干酪根中气体扩散4种机理下页岩气体渗透率及孔隙压力的变化情况，并以此建立圆柱管内平面单向稳定渗流数学模型。模型模拟结果表明页岩的表观渗透率远远大于达西渗透率，孔隙半径越小，则两者比值越大，当孔隙半径从20个纳米减小到几个纳米，两者比值将会从十增大到几十；孔隙压力越小，则两者比值越大，而当压力小于5MPa时，表观渗透率与达西渗透率之比明显增加1～2个数量级。随着压力降低，克努森扩散作用不断增强，相应的压力损耗不断增加，使得纳米管柱内平面单向从供给边缘到排液道的稳定渗流压力分布已不再是线性分布。干酪根中气体由于扩散速度慢、扩散量小而对压力影响不明显。

关键词：页岩气纳米孔隙克努森扩散干酪根数学模型

核磁共振冷冻测孔法及其在页岩纳米孔隙表征的应用

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科学通报 2016年第21期61卷 2387-2394页

作者：张倩董艳辉童少青李晓王礼恒中国科学院页岩气与地质工程重点实验室中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院大学地球科学学院

页岩气已成为如今最具开采前景与价值的非常规天然气,而以纳米级孔隙为主体的页岩孔隙结构极大程度地决定着其成藏机理与运移机制,因此,能否准确地表征页岩孔隙结构是影响页岩气资源评价合理与否的关键因素.目前,扫描电子显微镜、压汞... 详细信息

页岩气已成为如今最具开采前景与价值的非常规天然气,而以纳米级孔隙为主体的页岩孔隙结构极大程度地决定着其成藏机理与运移机制,因此,能否准确地表征页岩孔隙结构是影响页岩气资源评价合理与否的关键因素.目前,扫描电子显微镜、压汞法、氮气吸附法、CT法等已被大量用于页岩的孔隙特征研究,然而由于页岩孔隙结构复杂、非均质性强等特点,不同方法在表征时往往受到适用范围和测试精度等方面的限制.针对新兴的核磁共振冷冻测孔法,利用标准孔隙样品对该基于核磁共振原理的变温测孔技术进行了方法验证,并将其用于页岩的孔隙度及孔径分布研究,同时探讨了块状、磨碎两种样品形态对测试结果的影响.测试结果表明该方法获取的孔隙度、孔径分布数据与压汞法、氮气吸附法在同一表征条件下吻合较好,且样品磨碎后相较块状样品能一定程度地获取封闭的不连通孔隙信息.该方法扰动小、直观、快速,能够很好地获取21000 nm范围的孔隙结构信息,可对其他测试手段进行补充和验证,为页岩等低渗介质复杂孔隙结构表征研究提供了新方法.研究除对技术特点与适用条件进行分析外,也针对技术改进、应用拓展等方面提出了展望.

关键词：页岩气纳米孔隙微观结构核磁共振冷冻测孔法

单链高分子通过薄膜上纳米孔隙的输运过程:链间相互作用的影响

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高等学校化学学报 2006年第7期27卷 1343-1346页

作者：王海军顾芳河北大学化学与环境科学学院

从理论上研究了高分子链通过位于薄膜上的一个纳米孔隙的输运问题.考虑在膜的一侧引入与传输高分子链有特殊相互作用的高分子链段,研究链间相互作用致使高分子链构型的改变对其平均首次通过时间的影响,进而在不同条件下进行了相应的数... 详细信息

从理论上研究了高分子链通过位于薄膜上的一个纳米孔隙的输运问题.考虑在膜的一侧引入与传输高分子链有特殊相互作用的高分子链段,研究链间相互作用致使高分子链构型的改变对其平均首次通过时间的影响,进而在不同条件下进行了相应的数值模拟,并讨论了其它一些相关问题.

关键词：纳米孔隙氢键平均首次通过时间