页岩纳米通道气体差异性传输与氦气富集机理研究取得新进展

     纳米通道中气体传输行为不再遵循达西定律和哈根-泊肃叶方程，气体分子动力学行为，特别是分子平均自由程差异深刻影响气体在纳米通道的迁移行为，这一观点已成为微纳米流体力学的普遍共识。沉积盆地中的页岩是天然的纳米孔隙介质，天然气及伴生特种气体如氦气等的成藏和开发均受到泥页岩地层的影响，准确理解泥页岩纳米孔隙中气体差异传输行为有利于页岩气勘探开发，并有助于揭示含氦天然气富集成藏过程。

      中国科学院西北研究院油气资源研究中心长期从事天然气成因和成藏过程研究，研究成果受国内外同行一致认可。近期，油气中心孙泽祥博士和周世新研究员系统比较了氦气、氮气、甲烷和氦气-甲烷混合组分在页岩纳米通道的差异传输行为，通过研究发现：（1）对单一组分而言，氦气的表观渗透率大于氮气的大于甲烷的，特别是在低孔隙压力条件下（图1）。（2）甲烷的表观渗透率受甲烷吸附性影响，一方面甲烷吸附效应会减小通道大小，影响甲烷传输能力；另一方面，甲烷吸附效应会增大通道表面的粗糙度，降低动量传输效率，导致切向动量调节系数随气体吸附量的增大而增大（图2）。（3）在甲烷-氦气混合组分中，氦气优于甲烷传输，并且12CH4的传输能力优于13CH4，其传输能力的差异受混合体系各组分分子平均自由程和克努森数差异控制（图3）。该研究认为，页岩纳米通道中，在压力梯度驱动下，含氦天然气中氦气优于甲烷传输是氦气富集成藏的关键因素，并且该研究认为，地质条件下，富含天然气藏应该出现在盆地次级低压气藏中，而这些低压气藏在传统天然气勘探开发过程中极易忽略。

      相关研究成果以 A laboratory observation for gases transport in shale nanochannels: Helium, nitrogen, methane, and helium-methane mixture 为题发表在工程领域权威期刊 Chemical Engineering Journal上（IF=15.1）。西北研究院特别研究助理孙泽祥博士为论文第一作者，孙泽祥博士和周世新研究员为通讯作者，北京大学能源学院李朋朋博士为合作作者。该研究获国家自然科学基金（42272192、41872147和42203027）、中科院稳定支持基础研究领域青年团队计划（YSBR-017）、甘肃省自然科学基金和甘肃省油气资源研究重点实验室共同资助。

      原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144939

图1：氦气、氮气和甲烷的表观渗透率差异。

图2：甲烷吸附导致甲烷切向动量转换系数（TMAC）明显大于氦气和氮气。

图3：甲烷-氦气混合体系中各组分的克努森数差异导致气体富集系数有显著差异。