页岩气是一种非常规天然气，以吸附态或游离态赋存在富有机质页岩的微纳米孔隙或裂缝中。与常规的化石能源相比，页岩气具有储量巨大、清洁高效的特点。使用水平钻井和水力压裂技术，可以使页岩气从微纳米孔隙运移到压裂缝网，最后汇聚到井筒流出。页岩气的微观流动规律呈现非达西的特点，是一个尚未解决的科学问题。前人在分子模拟研究中，大多构建平直管道来研究页岩气的微纳米流动，但页岩样品的微纳米孔隙网络十分复杂且曲折延伸，所以研究非直管道的纳米流动规律对于开发页岩气具有重要的实际意义。
　　为了探索上述问题，中国科学院地质与地球物理研究所油气资源研究院重点实验室的博士生张明敏在郭光军研究员的指导下，采用非平衡分子动力学模拟方法研究了非直纳米圆管中倾斜角和转向角对页岩气纳米流动的影响。
　　他们构建了4种模拟体系（图1），考虑了光滑/粗糙与倾斜/弯折两类因素的组合。在温度400 K、压力30 MPa条件下，保持孔长和外加压力梯度不变，监测甲烷分子的流量随倾斜角(α)和转向角(λ)的变化。

　　图1 模拟体系构型。(a) Case //：光滑倾斜孔道。(b) Case //_bend：光滑弯折孔道。(c) Case⊥：粗糙倾斜孔道。(d) Case⊥_bend：粗糙弯折孔道。所有阴影区表示直径为2nm的圆管孔道。α和λ分别表示孔道的倾斜角和转向角。Lp和Lw分别表示孔道的实际长度和端口间水平距离。甲烷分子用青色小球表示，石墨碳原子用灰色小球表示。外加泵力f（红色箭头）被施加在两侧封闭气仓内所有甲烷分子上，h表示泵头。光滑体系中，流向平行于石墨层；粗糙体系中，流向垂直于石墨层
　　研究结果表明：（1）孔道表面粗糙度的影响要强于孔道非直形状的影响。由于粗糙的纳米孔道表面具有更强的吸附作用和较慢的流动速度，所以粗糙体系的流量总是小于光滑体系的流量（图2a）；（2）无论孔道表面光滑还是粗糙，增加孔道的倾斜角都可以促进页岩气的流动（图2a）；（3）转向角的作用很有趣，它促进页岩气在粗糙孔道中的流动，但是却阻碍在光滑孔道中的流动（图2b）。这些观察结果可以用孔道入口和弯折点的自由能垒，以及孔道的平均Lennard-Jones势能来合理解释。

　　图2 (a)甲烷流量分别随倾斜角（圆圈）和转向角（菱形）的变化；(b)弯折孔道相对于倾斜孔道的流量比值随转向角的变化（排除了倾斜角的影响）
　　该研究首次清楚地区分了倾斜角和转向角对纳米流动的影响，是将来进一步探索孔道迂曲度影响的关键基础，对于理解页岩气在曲折粗糙的孔隙网络中以及在光滑的碳纳米管中的流动规律具有重要意义。
　　研究成果发表于Fuel。（张明敏，郭光军*，田会全，张正财，高恺. Effects of italicized angle and turning angle on shale gas nanoflows in non-straight nanopores: A nonequilibrium molecular dynamics study [J]. Fuel, 2020, 278: 118275. DOI: 10.1016/j.fuel.2020.118275）（原文链接）