页岩纳米孔隙内气水混合流动的分子动力学模拟

在页岩压裂开采过程中,气水共存以及流动的情况尤为重要.本文通过使用非平衡分子动力学来模拟研究页岩纳米孔隙内的水和甲烷气体在页岩地层状态下(温度60°C)的混合流动行为.本文选取高岭石建立了具有矩形横截面形状的孔隙模型,内部孔隙表面由基面和B chain端面组成.B chain端面结构和氧原子电荷分别由周期性键链理论决定和键价法计算.气水的流动由施加额外体积外力来驱动.模拟结果表明,高岭石端面和羟基面极具亲水性,而甲烷具有疏水性.高岭石表面的硅氧原子比水对甲烷分子更有亲和力.纳米受限环境下的水膜在长方体孔型中形成了近似圆形的水通道.气体的流动呈现出圆管中的泊肃叶流动特征.计算得到的气体流量约为同等条件下水的两倍.随着外部压力从10 MPa增加到400 MPa,水和气体的滑移速度分别从0.4 m/s,1.6 m/s增加到9 m/s,15.2 m/s.另外,当被限制在高岭石纳米孔中时,受限水的黏度大幅度上升(11.4 m Pa·s),明显高于其宏观液态下的黏度(0.47 m Pa·s),而甲烷气体的黏度与其宏观状态相比变化较小.