沉積盆地中的頁巖是天然的納米孔隙介質(zhì)，天然氣及伴生特種氣體如氦氣等的成藏和開發(fā)均受到泥頁巖地層的影響，準確理解泥頁巖納米孔隙中氣體差異傳輸行為有利于頁巖氣勘探開發(fā)，并有助于揭示含氦天然氣富集成藏過程。 

　　中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院（以下簡稱“西北研究院”）油氣資源研究中心周世新研究團隊，系統(tǒng)比較了氦氣、氮氣、甲烷和氦氣-甲烷混合組分在頁巖納米通道的差異傳輸行為，通過研究發(fā)現(xiàn)：（1）對單一組分而言，氦氣的表觀滲透率大于氮氣和甲烷，特別是在低孔隙壓力條件下（圖1）。（2）甲烷的表觀滲透率受甲烷吸附性影響，一方面甲烷吸附效應使通道減小，影響甲烷傳輸能力；另一方面甲烷吸附效應會增大通道表面的粗糙度，降低動量傳輸效率，導致切向動量調(diào)節(jié)系數(shù)隨氣體吸附量的增大而增大（圖2）。（3）在甲烷-氦氣混合組分中，氦氣優(yōu)于甲烷傳輸，并且12CH4的傳輸能力優(yōu)于13CH4，其傳輸能力的差異受混合體系各組分分子平均自由程和克努森數(shù)差異控制（圖3）。該研究認為，頁巖納米通道中，在壓力梯度驅動下，含氦天然氣中氦氣優(yōu)于甲烷傳輸是氦氣富集成藏的關鍵因素，并且在地質(zhì)條件下，富含天然氣藏應該出現(xiàn)在盆地次級低壓氣藏中，而這些低壓氣藏在傳統(tǒng)天然氣勘探開發(fā)過程中極易忽略。 

　　相關研究成果以 A laboratory observation for gases transport in shale nanochannels: Helium, nitrogen, methane, and helium-methane mixture 為題發(fā)表在工程領域權威期刊 Chemical Engineering Journal上（IF=15.1）。西北研究院特別研究助理孫澤祥博士為論文第一作者和通訊作者，周世新研究員為共同通訊作者，北京大學能源學院李朋朋博士為合作作者。該研究獲國家自然科學基金、中國科學院穩(wěn)定支持基礎研究領域青年團隊計劃、甘肅省自然科學基金和甘肅省油氣資源研究重點實驗室共同資助。

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圖1 氦氣、氮氣和甲烷的表觀滲透率差異

圖2 甲烷吸附導致甲烷切向動量轉換系數(shù)（TMAC）明顯大于氦氣和氮氣 

圖3 甲烷-氦氣混合體系中各組分的克努森數(shù)差異導致氣體富集系數(shù)有顯著差異