气水两相流动是油气开采、水文地质、跨膜输运、植物生理等领域的核心科学问题之一。在页岩气、天然气水合物等非常规油气资源开发中，微纳米孔隙的尺度效应与复杂的固液气界面作用显著改变了常规的达西流动规律。由于气水两相流动的微观机理尚不完全清楚，基于拟合相渗实验的传统流动模型难以准确反映微纳米尺度的渗透率变化，而且他们大多包含经验参数，导致预测能力有限。分子模拟具有分子尺度的时空分辨率，是研究纳米限域空间多相流动机理的有力手段；通过模拟孔隙中气-水-固相互作用，有望揭示流动相的渗流规律和影响机制。
中国科学院地质与地球物理研究所深层油气理论与智能勘探开发重点实验室的博士生郑超在郭光军研究员的指导下，与中国地质调查局油气资源调查中心等单位合作，采用分子模拟方法研究了甲烷气与水在纳米SiO2孔隙中的两相渗流过程。他们首先于2023年建立了“泵致压差法”和“纳米压力计”技术，可以精准调控压力梯度，获得了圆管孔中的高质量相渗数据，成功揭示了水锁形成机理（见《气水两相流在孔道中形成水锁的分子模拟及对可燃冰开采的意义》）。但是当时由于圆管孔中水相形态的变化比较复杂，尚未能解释气体相对渗透率（Krg）随水饱和度（Sw）的变化规律。在这次研究中，他们又模拟了15个不同水饱和度条件下，SiO2狭缝孔中的气水两相流动过程，利用狭缝孔几何空间较为简单的特点，成功观察到了水层由均匀薄层向弓形凸起的动态转变，并获得了甲烷气的相对渗透率曲线。在此基础上，首次提出变形水层（DWL）模型，将水层形变与气体相对渗透率定量关联，可准确描述相渗曲线，并可预测形成水锁的临界条件。
模拟结果表明，随着该狭缝孔隙内水饱和度升高，水相的形态依次变化为：离散液滴→均匀薄层→弓形喉道→水锁栓塞（图1）。作者考虑到狭缝孔隙内水层变形的影响（图2），针对理想化的平行水层（PWL）模型进行了合理校正——即创造性地引入水锁形成临界水饱和度（Swl）来定义权重，再用狭缝孔最宽与最窄处的加权平均定义校正系数——从而首次提出了变形水层（DWL）模型。该模型基于可靠的水层变形物理机制推导，每一个参数都具有清晰的物理含义，预测效果显著优于目前流行的PWL模型和Masuda模型（图3）。该成果具有重要的科学意义与应用价值，可为提高油气开采效率提供理论支撑，也可推动多尺度多相渗流预测研究。
图1 SiO2狭缝中水相分布示意图。(a) Sw < 0.2；(b) Sw = 0.2；(c) 0.2 < Sw < 0.56；(d) 0.56 ≤ Sw ≤ 1。青色为甲烷气相，白色为液态水相，网状区为SiO2孔壁
图2 均匀分布的平行水层经过等体积变形成为弓形水层的示意图。D0表示不含水时的孔径，Dw表示平行水层（PWL）模型中气流的孔径，Harch是变形水层（DWL）的最大厚度，Dd表示水层变形后的最小孔径，对应于气相渗流通道的最窄部分。青色小球为甲烷分子，白色液状区为水相，网状区为SiO2孔壁
图3 不同模型对本次模拟获得的甲烷气相对渗透率数据的预测效果
研究成果近期发表于Nature Index期刊GRL（郑超，郭光军，陆程，董艳辉，彭博，唐伟，韩丙耀. Water/Methane Two‐Phase Flow in the SiO2 Nanoslit Can Be Well Described via the Deformed Water Layer Model: A Molecular Simulation Study [J]. Geophysical Research Letters, 2025, 52(4): e2024GL113458，DOI: 10.1029/2024GL113458.）。研究得到国家自然科学基金地质联合基金（U2244223）、研究所重点部署项目（IGGCAS-201903）、广东省基础与应用基础研究重大项目（No.2020B0301030003）的联合资助。
