Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, School of Energy & Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China
Abstract:The surface dissolution of rock nanopores, caused by the acidic environment, increases the salt concentration of water solution flowing in the nanopores, thereby destroying the surface structure of the rock, which can be found in CO2 geological sequestration and crude oil and shale gas exploration. In this paper, the molecular dynamics method is adopted to study the flow characteristics of water solution in the forsterite (Mg2SiO4) slit nanopores, by which the effects of salt concentration and structure destruction of pore surface on the velocity profiles of water solution confined in nanopores are systematically analyzed. The hydrogen bond density, radial distribution function (RDF) and water density distribution are calculated to explain the changes in viscosity, velocity profiles and interaction between water and nanopore surface. The results show that as the salt concentration increases, the water solution flow in the rock nanopore obeys the Hagen-Poiseuille equation, and the velocity profiles of water solution remain parabolic shape. However, the hydrogen bond network among water molecules becomes denser with salt concentration increasing, which can account for the linear increase in the viscosity of water solution. Besides, the higher salt concentration gives rise to the larger water flow resistance from the pore surface. As a result, with the salt concentration increasing, the maximum of water velocity decreases and the curvature radius of the parabolic velocity profile curve becomes bigger. Moreover, the surface structure destruction in rock nanopores changes the roughness of surface in the flow channel, which enhances the attraction of nanopore surface to H2O. As the structure destruction of nanopore surface deteriorates, the water density near the rough surface moves upward, whereas the velocity of water near the rough surface declines obviously. Interestingly, when the degree of surface structure destruction reaches 50%, a significant negative boundary slipping near the rough surface appears. Keywords:rock nanopore/ rock dissolution/ molecular dynamics simulation/ flow
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2.1.模拟细节
镁橄榄石(Mg2SiO4)是CO2地质封存盖层岩石的主要成分之一, 本文将镁橄榄石作为岩石固体相成分, 选取Mg2SiO4晶体最常见表面之一的(010)表面[31]作为纳米级孔隙表面. 镁橄榄石纳米级孔隙宽度选为d = 15 nm, 孔隙两侧设置厚度为7 nm镁橄榄石层. 所构建的物理模型示于图1, 将模型中Y轴的坐标原点设置在孔隙宽度方向的中间平面上, 模型在X轴和Z轴方向的尺寸分别为3.8152 nm和3.6018 nm, 计算域孔隙内包含6772个H2O分子. Mg2SiO4晶体(010)表面溶解会使其表面的Mg2+脱落, Mg2+进入纳米级孔隙增加了孔隙内水溶液的盐离子浓度. 因此, 本文在分析盐离子对孔隙内水溶液流动特性的影响时, 在水溶液中加入了不同浓度的Mg2+离子. 此外, 考虑到深部盐水层内阴离子中Cl–的摩尔比高达90%—99%[32], 故本文模型中的阴离子为Cl–. 模型在X和Z方向均采用了周期性边界条件, 以在XZ平面形成无限大的镁橄榄石层, 而在Y方向形成宽度为d的岩石缝隙. 图 1 纳米级镁橄榄石孔隙内水溶液流动的模拟系统图 Figure1. The simulation system of water solution flow in the forsterite nanopore.
为研究盐离子浓度对镁橄榄石孔隙内水溶液流动特性的影响, 本文分别模拟了盐离子(MgCl2)浓度为0, 0.25, 0.50, 0.75, 1.00 mol/L的含盐水溶液的流动过程. 经数据处理, 模拟所得的纯水(盐离子浓度为0)和含盐水的微观结构示于图3(a). 由图3(a)可知, 在远离孔隙表面的主流区域纯水中的单一H2O分子被约4.00个H2O分子组成的水合壳包围; 在含盐水溶液中, 盐离子与极性H2O间存在较强的静电力, 盐离子被具有特定分子取向的H2O分子水合, 形成水合自由离子或水合离子对, 从而改变了水溶液的微观溶剂结构. 对模拟轨迹文件分析结果表明, 当含盐水溶液的盐离子(MgCl2)浓度为1 mol/L时, 主流区域的单一H2O分子水合壳内的H2O分子数目增加至4.32个. 由此可知盐离子的存在改变了水溶液的微观结构, 进而导致了水溶液的宏观物化性质发生相应变化. 图 3 (a)纯水和MgCl2含盐水中以0.32 nm半径的水合壳结构示意图; (b)不同MgCl2浓度下纳米级镁橄榄石孔隙内纯水和含盐水的+Z向速度分布 Figure3. (a) Snapshots for the solvation shell with a radius of 0.4 nm in pure water and MgCl2 solution, (b) the velocity profiles in the +Z direction of water solution in the forsterite nanopore with different MgCl2 concentrations.
本文基于纯水在镁橄榄石纳米级孔隙内沿+Z向的流量Q, 求取纯水沿+Z向流动的平均速度u0, 即u0 = Q/A, A为孔隙XY截面面积, 计算可得u0 = 163.14 m/s. 本文规定水溶液沿+Z向的约化速度$u_z^* = {{{u_z}}}/{{{u_0}}}$, 坐标y的约化坐标${y^*} = {y}/{{15}}$. 纯水和含盐水的$u_z^*$计算结果示于图3(b). 由图3(b)可知, 在相同的压力差驱动下, 流体的速度曲线均呈“抛物线”状, 表明不同离子浓度下含盐水的流速分布均符合泊肃叶方程; 随着MgCl2盐离子浓度的增加, 近壁区域的速度差异较小, 但主流区的速度不断降低, 同时“抛物线”顶点处的曲率半径不断增大. 该变化较为明显, 与纯水溶液相比, 1 mol/L的含盐水流动时的最大约化速度$u_z^*$降低了29.72%; 抛物线顶点处曲率半径增加了43.99%, 由泊肃叶流动黏度求解方法可知, 孔隙内水溶液的黏度增大. 流体的流动特性与其自身黏度密切相关, 为分析盐离子对镁橄榄石纳米级孔隙内水溶液黏度的影响规律, 本文根据(4)式计算了图3(b)中不同盐离子浓度纯水和含盐水的黏度, 计算结果示于图4(a). 由图4(a)可知, 在0—1 mol/L的离子浓度区间内, 含盐水的MgCl2浓度每增加0.25 mol/L, 含盐水的黏度约增长41.17 μPa·s, 故在该离子浓度区间内含盐水的黏度随MgCl2盐离子浓度增加呈线性增长, 该线性规律可用公式y = 164.69x + 383.00 (y为含盐水黏度, x为MgCl2浓度)描述. 图 4 (a)不同MgCl2浓度含盐水的黏度及其内部氢键密度; (b)不同MgCl2浓度含盐水Ow-Ow原子对的径向分布函数 Figure4. (a) The viscosity and hydrogen bond density of water solution with different MgCl2 concentrations; (b) the radial distribution function of Ow-Ow near the wall of nanopores.
纳米级岩石孔隙壁面溶解会导致孔隙表面结构的破坏, 为研究镁橄榄石纳米级孔隙表面结构破坏对纯水流动特性的影响, 本文构造孔隙不同破坏程度的粗糙表面, 以表示孔隙表面发生了不同程度的溶解和离子脱落, 所构建的5种镁橄榄石纳米级孔隙模型示于图6. 为便于比较, 本文构建了一侧为光滑表面, 一侧为粗糙表面的计算模型. 粗糙表面为发生不同程度溶解破坏的表面, 即发生不同程度结构破坏的粗糙表面, 粗糙表面结构破坏程度为0, 17%, 33%, 50%和67%, 分别用模型M1—M5表示. 图 6 不同表面结构破坏程度的纳米级镁橄榄石孔隙示意图 Figure6. The schematic of forsterite nanopores with various degrees of surface structure destruction.
计算所得不同表面结构破坏程度下水溶液的+Z向速度分布示于图7. 从图7可以看出, 在距孔隙表面的距离相同时, 粗糙表面近壁区域水溶液的流速明显低于其在光滑表面近壁区域的流速. 随着镁橄榄石孔隙粗糙表面破坏程度的提高, 水溶液在粗糙表面近壁区域及主流区域的速度曲线逐渐偏离“抛物线”状, 流速不断降低, 并且当表面破坏程度达到50%以上时, 水溶液在粗糙表面附近存在负边界滑移, 模型M4和M5中水溶液在粗糙表面的边界负滑移约化速度us分别为0.29和0.34. 另外, 随着粗糙表面破坏程度增加, 水溶液流速降低的区域逐渐向光滑表面蔓延, 但在光滑表面近壁区域水溶液的流型和流速均未发生明显的变化, 表明光滑表面结构性质对其附近水的流速和流型有重要影响. 图 7 不同表面结构破坏程度下纳米级镁橄榄石孔隙内水的+Z向速度分布 Figure7. The velocity profiles in the +Z direction of water solution in forsterite nanopores with various degrees of surface structure destruction.
为研究镁橄榄石纳米级孔隙表面结构破坏对水溶液流动阻力的影响机制, 本文以模型M2(表面破坏程度17%)和模型M3(表面破坏程度33%)为代表, 计算了水溶液在纳米级镁橄榄石孔隙内密度ρ的分布, 结果示于图8. 由图8可知, 随镁橄榄石孔隙表面破坏程度的提高, 粗糙表面附近水溶液密度振荡的第一峰值增大, 且粗糙表面附近的水溶液密度振荡不断向主流区域扩散, 振荡距离L不断增加, 而光滑表面附近水溶液的密度分布及密度振荡未收到明显影响, 水溶液在粗糙表面附近的密度比在光滑表面附近更大, H2O分子在粗糙表面附近有聚集现象, 且聚集程度随孔隙表面结构破坏程度提高而不断增大. 由此可知, 随着纳米级镁橄榄石孔隙表面结构破坏程度的提高, 粗糙表面对H2O分子的吸引力不断增强, H2O分子在粗糙表面附近更加密集, H2O分子倾向于“滞留”在粗糙表面附近, 此现象解释了图7中粗糙表面破坏程度为50%和67%的速度曲线存在负滑移的原因. 此外, 粗糙表面近壁区域水溶液密度的增加, 增大了粗糙表面附近H2O分子间的相互碰撞频率, 导致水溶液在粗糙壁面附近的流动阻力不断增加, 降低了水溶液的流动速度. 图 8 不同表面结构破坏程度下纳米级镁橄榄石孔隙内水溶液的密度分布 Figure8. The density profiles of water solution in forsterite nanopores with various degrees of surface structure destruction.