煤层气中甲烷扩散及水锁效应的分子动力学研究

煤层气的开采效率受到很多因素影响,煤层开采过程注入的压裂液及煤层中自生的液态水常常会阻碍煤层气的扩散及开采,形成水锁效应,但其成因、机理以及缓解方法仍不完全清楚,也是目前研究的热点。基于大规模、可扩展、可准确反映煤层化学结构的分子模型,通过采用分子动力学方法,在微观尺度模拟了在煤层微孔隙中,甲烷在受到水膜阻碍的情况下,水气两相的流动规律。定量计算了水膜厚度、孔径、储层压力、压差等因素对甲烷及水膜运移速度的影响。结果表明,水的存在会极大地阻碍甲烷的扩散,即造成水锁效应;煤层中的孔径大小及流动压差也会影响甲烷/水的两相流动速率,较大的孔径及较高的压差都有利于甲烷和水的流动。通过对水膜在运移过程中发生的结构变化的分析,对水锁效应出现及消失的规律进行了探究。在大孔径及较厚水膜的条件下,水相可在流动过程中保持完整的连续相,完全封闭煤层中的孔隙,造成水锁效应。而在水膜较薄或孔径较小时,水分子与煤层之间的相互作用力使得水相更容易破裂为多个水分子团簇,并与甲烷气相混合,从而缓解水锁效应。通过纳米尺度的分子模型定量分析了煤层孔径、压差、水膜厚度等因素对水锁效应的影响规律,表明减弱水分子之间并增强水分子与煤层之间的相互作用可能有利于缓解水锁效应。此项研究可以为进一步理解水锁效应机理、提高煤层气开采效率提供启示。