近日，中国石油大学（北京）“千人计划” 国家特聘专家陈掌星教授研究团队在纳米尺度水传输研究中取得重大突破进展，该成果于2017年3月13日以
发表于国际顶级期刊 PNAS 杂志(论文详情见文末）。
该研究成果由团队成员吴克柳副研究员、陈掌星教授、李相方教授、东晓虎讲师、李靖和徐金泽博士生合作完成。合作单位包括中国石油大学（北京）和加拿大卡尔加里大学（University of Calgary）。陈掌星教授为通讯作者，吴克柳副研究员为第一作者。
纳米孔水流动是海水淡化、生物医学、能源捕集、地质过程等领域的科学研究和工程应用的核心，然而其流动机理和模拟仍存在很多挑战。在该项研究中，陈掌星教授等人首先揭示了纳米孔水传输机理，基于有效滑脱长度的概念，首次提出了纳米孔水传输解析模型，并用该模型成功预测了单纳米孔水传输量。结果表明，纳米孔尺度和润湿性影响水传输机理和传输量；纳米孔水传输能力是体相水的10-1~107倍。该研究成果为纳米孔水传输量的准确预测提供了简单方便的工具，同时，还成功解决了室内实验和分子模拟中水传输能力研究结果一直以来存在相互矛盾的争议。
Schematic representation of water flow in nanopores.
PNAS 2017
另外，陈掌星教授研究团队在纳米材料超临界甲烷存储研究中也取得了重大突破进展，该成果
于2016年9月15日以发表于 Scientific Reports（论文信息见文末）。
该研究成果由团队成员吴克柳副研究员，陈掌星教授，李相方教授和东晓虎讲师合作完成。合作单位包括中国石油大学（北京）和加拿大卡尔加里大学。陈掌星教授为通讯作者，吴克柳副研究员为第一作者。
纳米材料具有尺寸小、比面大等特殊性质，因此，超临界甲烷在其中的存储行为异常复杂，显著区别于体相甲烷。近年来，页岩气大规模开发，富含纳米孔页岩中甲烷存储和以天然气为燃料的汽车甲烷存储等研究对页岩气经济高效的开发和利用具有重要的指导作用。在该项研究中，陈掌星教授等人在充分理解纳米孔甲烷存储机理的基础上，通过捕获甲烷存储的限域效应和表征甲烷分子之间和甲烷分子与纳米材料壁面间的作用力，首次提出了纳米材料中超临界甲烷状态方程，并运用该方程成功预测了纳米材料超临界甲烷的存储行为。该研究成果为页岩气储量评价和汽车天然气存储材料的优化设计提供了理论基础。
此外，陈掌星教授研究团队于2015年3月27日发表于化工综合性国际顶级期刊《美国化学工程会刊》（AIChE Journal）上的论文“A model for gastransport in microfractures of shale and tight gas reservoirs”，近日被评为该期刊2015年度高引用论文（Top cited AIChE Journal papers from 2015）。吴克柳副研究员为论文第一作者。
页岩气和致密砂岩气藏广泛发育微裂缝，其开度多在纳微米级，因此微裂缝气体传输机理异常复杂。在该项研究中，陈掌星教授等人基于滑脱流动和努森扩散，分别以分子之间碰撞频率和分子与壁面碰撞频率占总碰撞频率的比值作为滑脱流动和努森扩散的权重系数，耦合这两种传输机理，建立了微裂缝气体传输模型。结果表明，模型成功模拟了微裂缝中所有气体传输机理，包括连续流动，滑脱流动和过渡流动；微裂缝形状和尺度显著影响气体传输。该研究成果为页岩气和致密砂岩气的气体传输，数值模拟和生产预测奠定了理论基础。
通讯作者简介
陈掌星博士，现为石大石油工程学院油气田开发工程专业博士生导师，教育部“长江学者”讲座教授，中组部“千人计划”国家特聘专家，加拿大卡尔加里大学终身教授，国家讲席教授（加拿大最高教授级别）、非常规油气首席科学家、IT首席科学家、斯伦贝谢数值模拟和可视化中心主任、卡尔加里大学非常规油气研发中心(北京)主任。自美国普渡大学博士毕业后，在美国普渡大学、美国明尼苏达大学、美国德州农机大学、美孚石油公司、美国南美以美大学、加拿大卡尔加里大学等大学工作。陈掌星教授主要研究领域为油藏工程和数值模拟，发表相关论文600篇，出版著作17部，在国际会议作特邀学术报告354次，是10多种国际杂志编委。
陈掌星博士
第一作者简介
吴克柳博士，现为加拿大卡尔加里大学副研究员。2008年获得中国地质大学（武汉）石油工程学士学位，2013年获得中国石油大学（北京）油气田开发工程博士学位，2013-2016年卡尔加里大学博士后。长期从事非常规油气藏流体相态和流动的研究。开发的纳米尺度流体相态和流动模型为非常规油气藏储量和产能的准确模拟和预测、开发方案的优化等奠定了理论基础，同时该成果已被加拿大卡尔加里大学、美国德州农机大学、美国塔尔萨大学等研究同行采用，广泛应用于非常规油气藏数值模拟中。已发表期刊论文62篇，国际会议论文36篇。
吴克柳博士
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题目 Wettability effect on nanoconfined water flow
期刊 PNAS
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日期 February 15, 2017 (received for review July 30, 2016)
摘要 Understanding and controlling the flow of water confined in nanopores has tremendous implications in theoretical studies and industrial applications. Here, we propose a simple model for the confined water flow based on the concept of effective slip, which is a linear sum of true slip, depending on a contact angle, and apparent slip, caused by a spatial variation of the confined water viscosity as a function of wettability as well as the nanopore dimension. Results from this model show that the flow capacity of confined water is 10−1∼107 times that calculated by the no-slip Hagen–Poiseuille equation for nanopores with various contact angles and dimensions, in agreement with the majority of 53 different study cases from the literature. This work further sheds light on a controversy over an increase or decrease in flow capacity from molecular dynamics simulations and experiments
链接 http://www.pnas.org/content/early/2017/03/08/1612608114.abstract
题目 Methane storage in nanoporous material at supercritical temperature over a wide range of pressures.
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摘要 The methane storage behavior in nanoporous material is significantly different from that of a bulk phase, and has a fundamental role in methane extraction from shale and its storage for vehicular applications. Here we show that the behavior and mechanisms of the methane storage are mainly dominated by the ratio of the interaction between methane molecules and nanopores walls to the methane intermolecular interaction, and a geometric constraint. By linking the macroscopic properties of the methane storage to the microscopic properties of a system of methane molecules-nanopores walls, we develop an equation of state for methane at supercritical temperature over a wide range of pressures. Molecular dynamic simulation data demonstrates that this equation is able to relate very well the methane storage behavior with each of the key physical parameters, including a pore size and shape and wall chemistry and roughness. Moreover, this equation only requires one fitted parameter, and is simple, reliable and powerful in application.
链接 http://www.nature.com/articles/srep33461
标题 A model for gas transport in microfractures of shale and tight gas reservoirs
作者 Keliu Wu,Xiangfang Li,Chenchen Wang,Zhang，xin Chen，Wei Yu
期刊 Transport Phenomena and Fluid Mechanics
发表日期 27 March 2015
DOI: 10.1002/aic.14791View/save citation
摘要 A model for gas transport in microfractures of shale and tight gas reservoirs is established. Slip flow and Knudsen diffusion are coupled together to describe general gas transport mechanisms, which include continuous flow, slip flow, transitional flow, and Knudsen diffusion. The ratios of the intermolecular collision frequency and the molecule-wall collision frequency to the total collision frequency are defined as the weight coefficients of slip flow and Knudsen diffusion, respectively. The model is validated by molecular simulation results. The results show that: (1) the model can reasonably describe the process of the mass transform of different gas transport mechanisms; (2) fracture geometry significantly impacts gas transport. Under the same fracture aperture, the higher the aspect ratio is, the stronger the gas transport capacity, and this phenomenon is more pronounced in the cases with higher gas pressure and larger fracture aperture. © 2015 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 61: 2079–2088, 2015
链接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aic.14791/abstract
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