基于VOF方法的水驱油藏孔隙尺度剩余油分布状态研究

准确认识多孔介质内水驱剩余油的微观赋存状态对于改善高含水油田水驱开发效果,提高水驱采收率具有重要意义。在对Volume of Fluid (VOF)方法验证的基础上,充分利用其追踪两相界面动态变化、再现微观渗流物理过程的优势,开展特高含水期砂岩油藏物性条件、驱替方式对剩余油微观赋存特征和采收率的影响研究。通过分析典型孔隙结构的微观渗流特征和剩余油受力情况,揭示不同类型微观剩余油的动用机制和规律：水湿条件下驱替速度的增大和驱替方向的改变会使得微观剩余油分布较为分散且采收率得到不同程度的提高;油湿及高黏度比条件下毛管阻力、黏滞力较大,剩余油多以簇状和多孔状聚集分布,采出程度相对较低。     

多相非牛顿流体驱替过程的格子Boltzmann模拟

将非牛顿流体模型引入多相格子Boltzmann方法（LBM）,研究多相非牛顿流体的驱替过程.首先以牛顿流体驱替过程作对照,比较非牛顿流体的驱替特性.然后基于简单结构模型,分析不同界面张力下,非牛顿流体的驱替能力和驱替过程中被驱替相的形态变化规律,揭示界面张力的影响机理.结果表明：界面张力在驱替过程中起阻碍作用,其它参数相同情况下,界面张力越低,流体的驱替能力越强.最后,结合四参数随机生长（QSGS）结构生成方法,模拟不同压差、不同界面张力以及不同润湿性条件下多孔复杂结构内的非牛顿多相驱替过程,分析这些参数对过程的影响.     

复杂微通道内非混相驱替过程的格子Boltzmann方法

本文采用改进的基于伪势模型的格子Boltzmann方法研究复杂微通道内的非混相驱替问题.这种方法克服了原始伪势模型中计算结果对网格步长的依赖.首先用Laplace定律验证模型的正确性,然后用该方法研究壁面润湿性、粗糙结构、黏性比以及距离对非混相驱替过程的影响.模拟结果表明:与壁面粗糙结构和黏性比相比,壁面润湿性的影响是决定性的因素.随着接触角的增加,驱替效率增加,当接触角大于某一值后,驱替效率不再变化;随着黏性比的增加,驱替效率增加;而壁面粗糙性对驱替过程的影响较复杂,只有凸起半圆的半径在一定范围内增加时,驱替效率增加;距离较小时将促进驱替过程.     

应用激光蚀刻不同微织构表面的润湿性

运用激光微织构技术, 通过控制微凹坑形状、间距、深度等参数, 在45#钢表面制备了一组表面算术平均偏差S_a相同但表面微观结构不同的试件. 使用Talysulf CCI Lite 非接触式三维光学轮廓仪对表面进行测量, 采用ISO 25178三维形貌表征参数对其形貌进行表征. 在SL200 KS光学法固液接触角和界面张力仪上针对32#汽轮机油进行润湿性试验, 分析了温度、液滴体积、表面结构特征等因素对润湿性的影响, 并借助ISO25178中部分参数对固体表面形貌随机特征与其润湿性之间的关联性进行了量化研究. 基于固液本征接触角为锐角, 研究结果表明: 固液接触角在润湿过程中先迅速减小, 之后逐渐趋于稳定; 固液平衡接触角随温度的升高而减小, 随液滴体积的增大先增大后减小; 激光微织构能够改变表面润湿性, S_a相同的表面, 微织构形状、方向均影响表面润湿性, 当槽状微织构表面的槽方向与液滴铺展方向一致时, 润湿效果最优. ISO25178系列三维形貌表征参数中幅度参数(S_ku, S_sk)、空间参数(S_tr, S_al)、混合参数(S_dq, S_dr)与表面润湿性之间具有较强的关联性: S_ku, S_al, S_dr越大, S_sk, S_tr, S_dq 越小的表面, 固液平衡接触角越小, 表面润湿性越好.     

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。     

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.     

超临界水驱超稠油提高采收率热物理特性研究

超稠油资源的高效开发对于提高石油供给和保障我国石油安全意义重大。针对深层超稠油资源由于原始地层压力高、原油黏度大导致常规蒸汽驱无法有效开发的问题,本文提出超临界水驱开发深层超稠油的新思路。本文首先研制了超临界水驱油提高采收率实验平台,研发的管式填砂岩心模型能够模拟岩心升温和驱替的同步过程,然后开展了超临界水驱、蒸汽驱和热水驱对比实验研究,实验结果表明,相对于蒸汽驱,超临界水驱能显著提高采收率并具有更高的热效率,25MPa、400℃超临界水驱鲁克沁超稠油的采收率达到97.07%;获得了超临界水驱过程的温度场和驱替压差变化规律,发现了超临界水超覆现象,与蒸汽超覆相比,超临界水超覆发生晚且持续短,可扩大波及范围,提高采收率。     

驱油体系的驱油效率及其在模拟岩芯表面的润湿性研究

为了研究驱油体系在模拟岩芯表面的润湿性 ,为微重力应用研究提供依据 ,选择胜利纯梁采油厂C6 4 1井原油 ,应用正交实验设计 ,通过最低瞬时界面张力测定 ,筛选出阴离子表面活性剂SDC V、非离子表面活性剂FBB、HPAM和复碱的驱油体系配方 .开展室内模拟驱油实验 ,同时测定驱油体系溶液对模拟岩芯的接触角 ,并且关联驱油效率和接触角之间的关系 ,发现驱油效率越高 ,接触角值越小     

CO_2-油-水体系的相平衡特性研究

CO_2驱油技术在提高原油采收率及温室气体地质埋存方面具有广阔的应用前景,因此准确预测油藏环境条件CO_2-油-水混合体系的相平衡特性成为目前重要的研究课题。本文基于P-R EOS和Rachford-Rice闪蒸公式,对CO_2-油-水体系在不同油组分、不同混合比例及不同压力下的相平衡特性进行了计算分析。结果表明,在相同压力下,碳原子数较小的油组分在气相中含量较大;体系内较高的CO_2含量更利于油组分的气化。CO_2-油-水体系的气相黏度随压力增大而增加,油组分的碳原子数越小,其气相黏度值越小,且受系统压力影响越大。CO_2-油-水体系的液相黏度随系统压力增大而逐渐减小,碳原子数较大的油组分对应着较高的液相黏度,且受压力影响更加明显,结果表明CO_2具有明显的液相降黏效果。     

水驱油藏中原油极性物质对吸附和润湿性影响的分子模拟

为了研究水驱油藏中原油极性物质的吸附机理及其对油藏表面润湿性的影响,构建以石英为代表的砂岩岩石骨架模型,己烷为代表的非极性物质模型和以甲苯、胶质和沥青质为代表的极性物质模型,运用分子模拟方法研究4种原油组分和水分子在砂岩油藏表面竞争吸附过程和润湿状态。结果表明：水与4种原油组分在石英矿物表面竞争吸附时,原油中的非极性物质会比极性物质更加容易脱附。极性物质会随着时间的变化逐渐吸附在矿物表面,非极性的物质会随着时间变化逐渐远离矿物表面。吸附过程中静电力起吸附作用,范德华力起排斥作用。最后结合润湿性实验结果,从机理上解释了不同原油组成对润湿性的影响,即原油组分中极性物质含量越高,胶质沥青质含量越大,岩石表面油湿性越大,且水驱过程中润湿性向亲水方向变化越难。结论对提升水驱油藏采收率影响因素的认识有重要意义。     

多孔介质中含溶解反应的互溶驱替过程格子Boltzmann研究

采用格子Boltzmann方法研究了孔隙尺度下多孔介质内含流固溶解反应的互溶驱替过程,重点研究了被驱替流体与驱替流体黏性差异较大的情况下,溶解反应引起的多孔介质内部结构变化对驱替过程的影响;定量分析了不同达姆科勒数及佩克莱数下多孔介质孔隙率和驱替过程驱替效率随时间的演变.研究结果表明:达姆科勒数较大时,溶解反应的发生会在多孔介质内部生成虫洞,导致一部分被驱替流体不能被波及,驱替流体沿虫洞离开多孔介质,造成驱替效率的减少.在此基础上,随着达姆科勒数的增大,孔隙率变化越大,生成的虫洞越宽,最终驱替效率变大,但仍小于无溶解反应时的驱替效率;随着佩克莱数的增大,指进增长速度越快,孔隙率变化越小,驱替效率越小.     

水平井与直井混合注采井网的流场计算——以五点法注采井网为例

基于保角变换和镜像反映原理,建立五点法水平井与直井混合注采井网流场数学模型,导出其势函数和流函数数学表达式,得到五点法混合注采井网内部等势线和流线分布.研究水平井长度、水平井与直井连线夹角、平面各向异性及水平井不同平面位置等因素对混合注采井网内部流场分布的影响.结果表明：混合注采井网水平井跟端和趾端,流线分布相对密集,两端位置产液能力较强;水平段越长,其流线控制的泄油面积越大;水平井与直井连线成45°角时,水平井与正对的两口直井间的驱替强度相对较大;水平井垂直于主渗透率方向时,流线均匀密集地汇聚到生产井,易形成线性驱替;混合注采井网内部水平井偏离中心位置程度越大,流线分布疏密分化越明显.     

改性疏水固壁润湿性反转现象的格子Boltzmann方法模拟

基于疏水固壁改性会引起润湿性反转的特点,采用考虑固体与液体间分子力的格子Boltzmann方法,从壁面的线性和瞬时改性两方面对润湿性反转现象进行了数值模拟,并结合流体体积方法处理界面层质量.结果表明:壁面线性改性的过程中润湿性反转变化平稳,润湿所需时间大幅减少,所得到的接触角与固液吸引力系数的关系与其他文献结果一致;壁面瞬时改性幅度越大说明固壁对液滴作用力越强,表现为润湿性变化越明显,瞬时改性后接触角随时间呈指数规律变化,这与现有结论相符合.研究发现:在改性条件下液膜铺展过程中伴随着振荡变化,线性改性的振动峰值与改性幅度相关;瞬时改性的液膜速度会在某一时刻突然增大,这种现象与夹带空气有关.     

双液滴在具有润湿梯度的斜面顶端融合弹跳的LBM模拟

基于格子Boltzmann方法，对液滴在具有润湿梯度的斜面顶端融合弹跳的过程进行模拟。研究润湿梯度、斜面顶端润湿性、液滴尺寸和Bond数对液滴融合弹跳过程的影响。计算结果表明：在较疏水的润湿梯度斜面上，两个液滴在非平衡张力作用下融合后能够发生弹跳行为；液滴融合速度和跳跃高度最大值均随着润湿梯度的增大而增加；随着斜面顶端润湿性的增大，液滴跳跃高度最大值减小；存在一个最佳液滴尺寸，使得跳跃高度最大值最优。Bond数越大，液滴跳跃高度最大值越小。     

混合润湿性柱状纳米结构对铜板上纳米氩膜沸腾传热的影响

混合润湿性对固/液相互作用有显著影响,因此对提高相变过程中的传热速率有积极作用.采用分子动力学模拟方法研究了柱状纳米结构表面混合润湿性对池沸腾传热的影响.分析了混合润湿性和纳米结构柱高对液体起始沸腾时间和温度的影响及其机理.结果表明,疏水比例和柱高会影响爆沸的起始温度和时间.与纯亲水壁相比,增加疏水比改变了固液界面性质,可以降低沸腾温度,更容易突破势能壁垒,使液体起始沸腾时间提前,并且随着疏水比的增加,不同柱高下的沸腾温度降低;当疏水比相同时,增加柱高扩大了混合润湿性的影响,也能降低沸腾起始温度并使液体起始沸腾时间提前.这为设计微纳粗糙结构和混合润湿表面以强化沸腾传热提供了思路.     

超声波振动对水/E-GaIn在不同基板表面润湿的影响

液体在固体表面上的润湿铺展在许多科学和工程领域中有重要意义,但是外界能量诱导润湿的机理尚不清楚。本文研究了在超声振动作用下原子/分子液体的润湿性,并探讨了其铺展驱动力。研究表明,超声振动作用下能显著提高液体在固体表面的润湿性。超声波提高液体的润湿性主要是由两个因素造成的。一方面,超声波在固/液界面处产生动量传递层,对于润湿系统,该层可以驱动液体的润湿铺展,但是对于非润湿系统,当接触角在90°附近时,界面处的动量传递并不是它的驱动力。另一方面,超声振动引起的气液界面粗化(即,在气液界面的表面张力波)也是驱动液体润湿铺展的因素之一。因此,在超声辅助钎焊的应用中,超声振动提高润湿性的主要原因可能是上述提到的物理因素,而不是固液界面的化学反应.     

正癸烷纳米液滴润湿特性的分子动力学研究

流体液滴在固体表面的浸润性对其润滑性能至关重要.本文利用分子动力学方法研究了正癸烷纳米液滴在铜表面上的润湿特性.结果表明：在平坦光滑表面上,壁面的厚度和分子数目对润湿效果影响不大.随着壁面能量势阱参数εs 增大,接触角线性减小.随着温度升高,液滴的接触角减小.在沟槽粗糙表面上,随着粗糙度因子增大,对于疏液表面,接触角增大到一定值后基本保持不变,符合Cassie理论;中性和亲液表面接触角则会减小,为Wenzel润湿模式.当表面分数增大时,疏液与亲液表面接触角整体呈减小的趋势,对中性表面影响不大.当温度升高时,粗糙疏液表面接触角会增大,润湿效果更差,而粗糙中性和亲液表面液滴润湿性会更好.     

特低渗透油藏面积井网见水时间计算

特低渗透油藏在水驱开发过程中常表现出渗透率各向异性和流体非达西渗流特征,运用非达西渗流公式及流线积分法,得到特低渗透油藏五点井网、反九点井网和菱形反九点井网在油水两相非活塞式驱替条件下的油井见水时间.计算长庆鄂尔多斯盆地某特低渗透油藏井网见水时间,结果与实际动态符合较好.分析油水黏度比、渗透率各向异性及启动压力梯度对油井见水时间的影响,结果表明：油水黏度比越大,油井的见水时间越早;当菱形反九点井网长轴方向井距与短轴方向井距之比与渗透率各向异性强度大致相等时,长轴方向与短轴方向上的角井能实现均衡驱替;启动压力梯度延缓了油井的见水时间,且生产井距越大,启动压力梯度的影响越显著.     

直通道内两相流动的格子玻尔兹曼方法模拟

本文改进了多弛豫时间多组分伪势格子玻尔兹曼方法,使其可以适用于极大黏度比的情况.研究了二维直通道内的两相流动,分析了饱和度、黏度比、润湿性和毛细管数对相对渗透率和相渗曲线的影响.结果表明,大黏度相的相对渗透率随着黏度比的增大而增大,维持高流动能力的饱和度范围也随之扩大,小黏度相与之相反;黏性耦合效应对两相相对渗透率的影响存在极限,即不会导致小黏度相的相对渗透率低于最小值,也不会使大黏度相的相对渗透率高于最大值;非润湿条件会使大黏度相的流动能力增强,相对渗透率增加,并强化相渗曲线的非单调性;润湿条件会减弱大黏度相的流动能力,相对渗透率降低;毛细管数的增加会导致更明显的接触角滞后效应,使两相相对渗透率降低.     

介质上电润湿液滴动力学特性的数值模拟研究

在考虑动态接触角的条件下,对液滴在介质上电润湿过程的动力学行为特性进行了数值模拟研究,其中电润湿作用通过在接触线上施加电场作用力实现,动态接触角采用Kilster模型。结果表明:电润湿液滴在类似阻尼振荡的过程中逐渐停止运动,并且出现了"过度润湿"现象;另外,液滴运动时的动态接触角明显偏离静态平衡接触角,表明电润湿液滴动力学数学模型考虑动态接触角的必要性。