[论文解读] Investigation of methane adsorption and its effect on gas transport in shale matrix through microscale and mesoscale simulations

Zhongzhen Li, Ting Min+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2015

Hydrocarbon exploration and reservoir analysis参考文献 38被引用 5

一句话总结

本研究通过耦合微观分子动力学（MD）与介观格子Boltzmann（LB）模拟，探究了页岩基质中甲烷吸附及其对气体运移的影响。结果表明，压力依赖的吸附层厚度与滑脱效应显著影响表观渗透率，竞争机制导致低渗透率页岩体系中渗透率呈现非单调变化趋势。

ABSTRACT

Methane adsorption and its effect on fluid flow in shale matrix are investigated through multi-scale simulation scheme by using molecular dynamics (MD) and lattice Boltzmann (LB) methods. Equilibrium MD simulations are conducted to study methane adsorption on the organic and inorganic walls of nanopores in shale matrix with different pore sizes and pressures. Density and pressure distributions within the adsorbed layer and the free gas region are discussed. The illumination of the MD results on larger scale LB simulations is presented. Pressure-dependent thickness of adsorbed layer should be adopted and the transport of adsorbed layer should be properly considered in LB simulations. LB simulations, which are based on a generalized Navier-Stokes equation for flow through low-permeability porous media with slippage, are conducted by taking into consideration the effects of adsorbed layer. It is found that competitive effects of slippage and adsorbed layer exist on the permeability of shale matrix, leading to different changing trends of the apparent permeability.

研究动机与目标

• 理解在不同压力和孔隙尺寸下页岩基质纳米孔中甲烷吸附行为。
• 量化甲烷吸附层在有机与无机孔壁上的厚度与密度分布。
• 通过将MD结果整合到LB模拟中，实现微观吸附效应与介观气体运移的桥梁连接。
• 评估吸附层动力学与滑脱流对低渗透率页岩中表观渗透率的影响。
• 构建一个多尺度模拟框架，准确捕捉页岩中吸附与流动之间的相互作用。

提出的方法

• 开展平衡态分子动力学（MD）模拟，研究甲烷在有机与无机纳米孔表面的吸附行为。
• 分析不同孔隙尺寸与压力下，吸附层与自由气相区域内的密度与压力分布。
• 将MD模拟所得参数——特别是压力依赖的吸附层厚度——作为输入，用于介观格子Boltzmann（LB）模拟。
• 在LB模拟中引入广义的Navier-Stokes方程，以模拟具有滑脱边界条件的低渗透率多孔介质中的流动行为。
• 在LB模型中同时考虑滑脱与吸附层阻力效应，以模拟表观渗透率。
• 通过确保微观吸附数据与介观流动预测之间的一致性，验证多尺度方法的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 甲烷在页岩纳米孔中的吸附行为如何随孔隙尺寸与压力变化？
• RQ2 甲烷吸附层在有机与无机表面的厚度与密度分布如何随压力变化？
• RQ3 滑脱与吸附层阻力如何共同影响页岩基质中的气体运移？
• RQ4 在不同压力与孔隙尺寸条件下，表观渗透率的变化趋势如何？
• RQ5 如何有效将微观吸附数据向上扩展，以影响介观流动模拟？

主要发现

• 甲烷吸附层厚度随压力增加而增大，该压力依赖性必须在介观模拟中显式建模。
• 吸附层呈现非均匀的密度与压力分布，靠近孔壁处密度较高，向自由气相区域逐渐降低。
• 孔壁处的滑脱效应可增强流动，但吸附层的存在会降低渗透率，形成竞争效应。
• 滑脱与吸附层共同作用导致表观渗透率随压力增加呈现非单调变化。
• 准确模拟页岩中气体运移，需在介观模型中同时考虑吸附层的动态厚度与滑脱效应。
• 多尺度框架成功将微观MD结果与介观LB模拟相连接，显著提升了页岩气运移的预测精度。