基于相场方法的孔隙尺度油水两相流体流动模拟

基于真实岩心颗粒粒径分布，利用过程法构建疏松砂岩油藏的三维孔隙结构模型，利用相场方法建立两相流体流动数学模型并利用有限元方法进行求解，研究驱替速度、流体性质、润湿性对剩余油分布以及采出程度的影响.结果表明：驱替速度的增大和油水粘度比的减小会导致较大的毛管数，进而有利于采出程度的提高；就润湿性而言，水湿条件下毛管力是水驱油的动力，而在油湿条件下是阻力，因此水湿岩心采出程度更高.同时，从孔隙尺度对油水渗流机理及剩余油分布机理进行揭示，结果表明：由于多孔介质的复杂孔隙结构，流体在流经不同孔隙时呈现不同的流动特征，进而对油水两相流整体的压力分布、流速分布造成重要影响.     

彭水地区龙马溪组页岩渗吸规律及渗吸动态分布

渗吸作为压裂液在储层中的主要吸收方式, 是提高页岩气产能的重要驱动力。以重庆市彭水地区龙马溪组页岩为研究对象, 依次进行毛管力测试、不同条件下的渗吸实验及核磁共振实验。结果表明: ①页岩的渗透率与孔隙度极低, 以微孔和小孔为主, 基本无大孔, 孔隙结构较差; ②页岩渗吸过程分为三个阶段, 随着压力和温度的升高, 渗吸效果增强, 破胶压裂液的渗吸效果略强于未破胶压裂液, 表面活性剂和KCl溶液可以降低页岩渗吸能力; ③页岩渗吸的核磁共振T₂谱具有明显的双峰特征, 渗吸过程中, 中大的孔隙和裂缝在初期阶段就被液体瞬间充满, 极微的孔隙和裂缝首先被充填, 随后液体进入稍大的微孔隙和微裂缝, 在渗吸过程中页岩表面产生大量的微裂缝。     

规则多边形孔隙毛细管压力理论模型

真实油气储层中的孔隙形状极为复杂,Yang-Laplace方程无法模拟多边形孔隙的毛细管行为。为了研究润湿性及孔隙几何形状对规则多边形孔隙毛细管行为的影响,基于MS-P理论及多边形孔隙两相驱替法则,在均匀润湿状态下推导出等边三角形、正方形、五角星形孔隙的排驱与自吸毛细管压力理论模型,在相同条件下,对不同润湿性及形状因子孔隙的毛细管行为进行分析。结果表明:相同润湿性的排驱与自吸渗流特征在孔隙角隅处相同,而在中央存在明显差异;随着接触角的增加,油相排驱阻力与水相自吸动力减小,油相自吸动力与水相强制自吸阻力增大;在特定润湿状态下,非润湿相在突破压力下完全饱和孔隙;均匀水湿体系的Snap-off程度随着接触角的增加而减小,而均匀油湿体系相反;形状因子对油相排驱过程的突破压力无明显影响;随着形状因子的增加,水相与油相自吸动力、水相强制自吸阻力减小,且非润湿相进入孔隙角隅时的非润湿相饱和度增大;五角星形孔隙的Snap-off现象最为明显。     

川南龙马溪组页岩储层水相渗吸规律

基于川南龙马溪组页岩多重孔隙特征,建立渗吸解析模型,定量计算不同孔隙类型渗吸深度。在此基础之上,开展考虑页岩储层温度、围压、流体压力共同作用下的水相渗吸实验,分析页岩水相渗吸规律。结果表明：基于渗吸饱和度渗吸过程可分为3个阶段：渗吸扩散段、渗吸过渡段、渗吸平衡段,其中渗吸扩散段为渗吸能力主要贡献段。在焖井初期由于流体压力作用页岩渗吸能力大幅度提高,为后续自发渗吸作用提供了渗吸液体。储层围压对页岩渗吸能力有抑制作用,但仍能提高储层改造效果,孔隙度增加倍数范围为0.42倍~1.63倍,渗透率增加倍数范围为17.6倍~67.3倍。黏土孔渗吸深度远大于脆性矿物孔和有机质孔,粘土矿物为页岩水化作用诱导微裂缝主控因素。焖井有利于提高川南龙马溪组页岩储层改造效果。研究成果可为页岩气井返排制度优化提供依据。     

分支通道内液-液自发渗吸规律研究

自发渗吸过程中两相界面在分支通道内的破裂和汇合为强非稳态过程, 难以用经典理论及常规数值计算方法准确描述。本文采用格子玻尔兹曼方法研究孔隙结构分支通道基本单元内的液-液自发渗吸行为, 对比出入口通道大小、两相黏度差异对液-液自发渗吸行为的影响。入口通道的大小对两相界面破裂进入分支通道内的竞争自发渗吸行为起控制作用, 而两相流体黏度控制了自发渗吸整体行为。本研究为复杂孔隙结构内液-液自发渗吸行为定量表征提供研究基础。     

裂缝-孔隙型双重介质油藏渗吸机理的分形分析

低渗透油藏常常伴随裂缝发育,形成裂缝-基质双重介质.自发渗吸是低渗裂缝性水驱油藏的重要采油机理,有顺向和逆向两种渗吸方式.基于基质孔隙结构的分形特征,引入分形几何对裂缝性双重介质渗吸机理的判据进行了改进,建立了渗吸机理的分形判据模型,并进一步推导了结构常数的解析表达式.结果表明,渗吸机理的判别参数是基质孔隙度、高度、孔隙分形维数、流动迂曲度、最大孔隙直径、界面张力、油水密度差以及接触角的函数.改进后的判据模型与现有结果一致.最后绘制了判别渗吸机理的图版,为利用表面活性剂提高低渗透油藏采收率提供理论依据.     

非均匀饱含黏性流体孔隙介质中声波传播及井孔声场分析

声波在饱含流体孔隙介质中的传播特性与流体的黏滞性及孔隙介质的非均匀性密切相关.本文在Biot理论基础上,考虑了孔隙流体的剪切应力及孔隙结构的非均匀性,采用含黏性流体孔隙介质中的波动理论,研究了孔隙介质中四种体波的频散和衰减特性,分析了慢横波对快纵波转换散射的影响,进一步推导了孔隙地层井孔中的模式波及其声场的解析解,研究了非均匀孔隙介质中井孔模式波和波列的特征.研究结果表明,含黏性流体孔隙介质中存在慢横波,慢横波的频散很强,其传播特征受到介质孔隙度、渗透率及孔隙流体黏度的影响.在非均匀孔隙介质中,与慢横波相关的剪切应力平衡过程不仅导致快纵波的频散和衰减,还会影响井孔伪瑞利波及斯通利波的传播特征.本文的工作完善了孔隙介质中声波传播的物理机制,为孔隙地层井孔声波的解释与应用提供了理论指导.     

基于水平集方法的低渗砂岩数字岩心气水两相渗流模拟

低渗致密砂岩气藏孔喉结构复杂,气水流动及分布规律表征难,常规岩心实验精细刻画困难。基于真实低渗砂岩岩心,利用Micro-CT扫描技术构建储层三维数字岩心,提取连通孔隙结构并建立非结构化四面体网格模型。结合水平集法与N-S方程,建立气水两相流数学模型并利用有限元方法进行求解,研究低渗砂岩气水两相流动中的水驱气过程、残余气分布特征、岩石润湿性对两相流的影响以及并联通道中的窜流特征。结果表明：利用水平集方法能清晰地观察到气水两相分布特征与驱替前缘的运移规律;岩石润湿性对两相流过程影响较大,水湿条件下采出程度更高;并联通道中的窜流现象明显,大通道中水相优先突破并形成优势流动通道,狭小通道中的流动受毛管现象影响,存在较大的附加阻力。     

应用核磁共振进行聚驱后泡沫驱油特性研究

采用并联岩心进行聚驱后泡沫驱油实验,利用核磁共振技术,对驱替后岩心的不同直径孔隙内的流体分布进行了研究,得到了水驱、聚合物驱、泡沫驱替阶段的驱出油的孔径范围以及剩余油分布.实验结果表明,与水驱和聚合物驱相比,泡沫驱增大了波及的孔径的范围.泡沫可以在水驱和聚驱易发生窜流的大孔径通道形成封堵,从而波及到了水驱和聚驱未波及到的孔径,不但大幅度的提高了低渗岩心的采收率,也驱出了部分高渗岩心的小孔径的油.     

多孔介质中非等温互溶流体驱替过程的格子Boltzmann研究

利用格子Boltzmann方法,在孔隙尺度上对多孔介质内非等温混溶驱替过程进行数值研究,定量分析温度粘性膨胀系数（β_T）以及路易斯数（Le）对界面不稳定性和驱替效率的影响.结果表明：随着β_T的增大,界面不稳定性增强,驱替效率降低.当β_T>0时,随着Le的增大,界面不稳定性减弱,驱替流体与被驱替流体之间的界面趋于平缓,指尖残余率减小,驱替效率增大.当β_T<0时,Le对于驱替效率的影响相反.     

Macroscopic capillarity without a constitutive capillary pressure function

This paper challenges the foundations of the macroscopic capillary pressure concept. The capillary pressure function, as it is traditionally assumed in the constitutive theory of two-phase immiscible displacement in porous media, relates the pressure difference between nonwetting and wetting fluid to the saturation of the wetting fluid. The traditional capillary pressure function neglects the fundamental difference between percolating and nonpercolating fluid regions as first emphasized in R. Hilfer [Macroscopic equations of motion for two phase flow in porous media, Phys. Rev. E 58 (1998) 2090]. The theoretical approach proposed here starts from residual saturations as the volume fractions of nonpercolating phases. The resulting equations of motion open the possibility to describe flow processes where drainage and imbibition occur simultaneously. The theory predicts hysteresis and process dependence of capillary phenomena. The traditional theory is recovered as a special case in the residual decoupling approximation. Explicit calculations are presented for quasistatic equilibrium profiles near hydrostatic equilibrium. The results are found to agree with experiment.     

Are upwind techniques in multi-phase flow models necessary?

Two alternatives of primary variables are compared for two-phase flow in heterogeneous media by solving fully established benchmarks. The first combination utilizes pressure of the wetting fluid and saturation of the non-wetting fluid as primary variables, while the second employs capillary pressure of the wetting fluid and pressure of the non-wetting fluid. While the standard Galerkin finite element method (SGFEM) is known to fail in the physical reproduction of two-phase flow in heterogeneous media (unless employing a fully upwind correction), the second scheme with capillary pressure as a primary variable without applying an upwind technique produces correct physical fluid behaviour in heterogeneous media, as observed from experiments.     

Viscoplastic flows in channels with variable cross section and deformable walls

A longitudinal axially symmetric Shvedov-Bingham medium flow in a deformable vessel is studied. A formulation of the problem in terms of the integral characteristics of the channel cross section (radius, flow rate, rigid core radius in the cross section, core velocity, and average pressure in the cross section) is pro- posed. The problem of a steady flow in a confuser and the problem of medium acceleration in a cylinder are solved using the integral method.     

多孔介质自发渗吸关键问题与思考

多孔介质自发渗吸现象普遍存在于自然界和工业应用领域, 深入研究其微观流动机理及宏观渗流规律具有重要的科学和工程价值。由于受多孔介质物理属性、流体性质、边界条件等多种因素的影响, 自发渗吸机理及渗流规律难以厘清。目前, 已有众多物理实验、理论分析及数值模拟等方法对多因素影响下的自发渗吸过程进行了广泛而深入的研究。本文就该领域存在的关键问题及最新进展进行梳理分析并提出若干思考, 以期对多孔介质自发渗吸的理解和未来研究工作提供一定的借鉴。     

超大规模集成电路互连电迁移自由体积电阻模型

将晶核析出的Avrami 方程应用于描述超大规模集成电路中金属Al薄膜互连电迁移过程中电阻的演变. 根据电子散射理论，晶界电阻主要起源于晶界处空位或者空洞对电子的散射. 为了描述这些离子的特征，引入了自由体积的概念，将晶界处电子散射这个复杂的过程简化用自由体积的有效散射截面来描述，从而建立了自由体积与电阻变化的定量关系，统一描述了电迁移过程中不同阶段的电阻变化. 数值模拟结果表明，在第一个空洞成核时刻电阻会发生急剧变化，这一结果已被实验所证实. 关键词： 电迁移 Al互连 电阻变化     

纳米尺度下毛细流动的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟研究纳米尺度下壁面润湿性对毛细流动的影响,主要考虑纳米通道两侧壁面润湿性相同与不同两种情况。研究表明：两侧壁面润湿性相同条件下,毛细流动随着壁面润湿性增强而加快, 毛细高度随时间的变化早期偏离Lucas-Washburn理论,但后期与其预测符合。在纳米通道两侧壁面润湿性不同的情况下,液面会发生振荡,两侧壁面毛细高度也不相等,且液面振荡的幅度和两侧壁面毛细高度差都随着两侧壁面润湿性差异的增大而增大。基于能量转化分析,提出两侧壁面湿润性不同情况下纳米通道中毛细流动发生的条件以及毛细流动快慢的判别依据。研究结果加深了对纳米尺度下毛细流动机理的认识,并为相关工程应用提供理论参考。