天然气水合物（可燃冰）是由甲烷与水在低温高压条件下形成的笼形结晶化合物，其资源量巨大，有望成为未来的战略性清洁能源。可燃冰开采过程中，通过降压、注热等手段可打破其温压平衡条件而原位分解为水和甲烷气；随后分解产物通过储层孔隙系统渗流到井筒中。然而，孔隙中的水随时间逐渐累积，可能形成水锁堵塞渗流通道，阻止天然气运移，引起产气量衰减。显然，水锁是可燃冰开采中的不利因素之一，但其形成条件及内在机制仍不清楚。本研究利用分子模拟手段，开展了大规模的气水两相渗流模拟，调查了亲水的SiO₂纳米圆管孔中的水/甲烷两相流动，并利用新建立的“纳米压力计”方法精确控制压差，获得了15个不同水饱和度条件下的高质量渗透率数据。结果显示，随着孔隙内水饱和度增加，甲烷流量几乎呈线性下降，直到水饱和度超过阈值时甲烷流动突然停止，其原因是形成了水锁。而且，水饱和度越大，水锁形成时间越短，水锁长度也越大。基于本研究新提出的水锁模型，进一步观测到水/气界面的表面积随时间下降、孔壁吸附的水膜厚度存在最大值。由此阐明了水锁的形成机理，即：水/气界面的表面张力（促进形成）与水/孔壁界面的吸附力（抑制形成）之间的竞争与平衡。本研究结果对于理解水合物分解产物的两相渗流过程和试采中遇到的产气量衰减现象有重要意义；建议在优化可燃冰开采方案时考虑采取各种除水措施，如电潜泵抽排水以及注入吸水、耗水材料等，从而避免形成水锁而减产。此外，本研究新建立的“纳米压力计”方法可广泛应用于其他多相纳米流动模拟中，以利于精确测量局部压力，有效提高模拟质量。
 

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