沉積盆地中的頁(yè)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(kāi)發(fā)均受到泥頁(yè)巖地層的影響，準(zhǔn)確理解泥頁(yè)巖納米孔隙中氣體差異傳輸行為有利于頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)，并有助于揭示含氦天然氣富集成藏過(guò)程。 

　　中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“西北研究院”）油氣資源研究中心周世新研究團(tuán)隊(duì)，系統(tǒng)比較了氦氣、氮?dú)?、甲烷和氦?span lang="EN-US">-甲烷混合組分在頁(yè)巖納米通道的差異傳輸行為，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：（1）對(duì)單一組分而言，氦氣的表觀(guān)滲透率大于氮?dú)夂图淄椋貏e是在低孔隙壓力條件下（圖1）。（2）甲烷的表觀(guān)滲透率受甲烷吸附性影響，一方面甲烷吸附效應(yīng)使通道減小，影響甲烷傳輸能力；另一方面甲烷吸附效應(yīng)會(huì)增大通道表面的粗糙度，降低動(dòng)量傳輸效率，導(dǎo)致切向動(dòng)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(rèn)為，頁(yè)巖納米通道中，在壓力梯度驅(qū)動(dòng)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(guān)鍵因素，并且在地質(zhì)條件下，富含天然氣藏應(yīng)該出現(xiàn)在盆地次級(jí)低壓氣藏中，而這些低壓氣藏在傳統(tǒng)天然氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中極易忽略。 

　　相關(guān)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(lǐng)域權(quán)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(xué)能源學(xué)院李朋朋博士為合作作者。該研究獲國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃、甘肅省自然科學(xué)基金和甘肅省油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室共同資助。

　　文章鏈接

圖1 氦氣、氮?dú)夂图淄榈谋碛^(guān)滲透率差異

圖2 甲烷吸附導(dǎo)致甲烷切向動(dòng)量轉(zhuǎn)換系數(shù)（TMAC）明顯大于氦氣和氮?dú)?/span> 

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