研究背景
页岩储层以纳米级孔隙为主，并发育密集微裂缝，其传质与开采机理无法直接套用常规储层理论。本方向从分子尺度到孔隙尺度构建页岩体系的传质机制链条。
1 纳米孔喉中的甲烷扩散
我们提出可再现收敛—发散孔喉特征、同时保持简洁性与通用性的几何模型，用分子动力学模拟甲烷扩散：喉道宽度窄于 20 Å 时显著影响扩散系数，并存在由孔喉处能量壁垒决定的临界喉道宽度，控制甲烷能否自扩散通过喉道；水与 CO2 会在喉道局部富集、降低甲烷扩散系数（20% 摩尔分数的水使扩散降低约 26%），残余水甚至完全堵塞喉道、阻断压力驱动的流动；残余水使扩散主导传质的孔隙尺度范围扩大，为束缚水条件下的页岩气产出提供了解释（SPE Journal 2022）。
图 1 孔喉结构中的甲烷扩散与临界喉道宽度分析（SPE J. 2022, Fig. 2）
2 密集微裂缝储层的渗吸采油与尺度升级建模
针对陆相页岩密集平行微裂缝体系，细网格数值模拟与解析推导表明，逆流渗吸分为两个阶段：早期相邻裂缝互不相关，后期被毛细力强关联；两个阶段累产油都与 t1/2 成正比，但前因子差异很大，后期是采油的主导阶段。后期基质渗透率的贡献很小，基质主要起储存流体的作用；经典双孔模型在驱替前缘附近显著高估裂缝—基质流体交换量；密集微裂缝体系的 REV 尺度油藏模拟需要引入各向异性相对渗透率（SPE Journal 2024）。
图 2 页岩中密集平行微裂缝的 X 射线层析成像（SPE J. 2024, Fig. 1）
3 多相流体的捕集与启动动力学
外场从零准静态增加时，被毛细力捕集的离散流体团先经历不可逆的离散重构而位置不动；外场达到判据后，流体团以序列非平衡跳跃的方式启动迁移。启动过程显著降低毛细滞后：固定体积的静态流体团本存在多个亚稳形态，启动前却归一化到唯一的 kick-off 状态，其形态与热力学性质落入很窄的范围且与体积无关。该规律使启动判据可以解析求解，可大幅简化多孔介质多相流建模，对气驱、泡沫驱等提高采收率技术具有直接意义（Chemical Engineering Science 2024）。
图 3 流体团在外场增加过程中的形态演化与启动（Chem. Eng. Sci. 2024, Fig. 2）
论文
Runxuan Sun, Ke Xu*, Tianjia Huang, Dongxiao Zhang*. 2022. “Methane diffusion through nanopore-throat geometry: A molecular dynamics simulation study”. SPE Journal 27(4). https://doi.org/10.2118/212289-PA
Fei Yu, Rujun Han, Ke Xu*. 2024. “Countercurrent imbibition in porous media with dense and parallel micro-fractures: Numerical and analytical study”. SPE Journal. https://doi.org/10.2118/223094-PA
Chuanxi Wang, Ke Xu*. 2024. “Ganglion startup in porous media”. Chemical Engineering Science 292: 119982. https://doi.org/10.1016/j.ces.2024.119982
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