关键词： 孔隙尺度   页岩油   数字岩心   多矿物相   微观流动模拟  

摘要： 我国页岩油资源量巨大,是继页岩气革命之后最具有接替潜力的重要资源。页岩油藏的孔隙主要是微纳米孔隙,且孔隙壁面具有多矿物相特征,纳微尺度下孔隙壁面的矿物属性对流动具有较大的影响,因此页岩油微观流动模拟应分矿物相孔隙进行研究。本论文分别提出了一种基于孔径分布和基于二维图像的页岩多矿物相数字岩心构建方法,基于N-S方程建立了考虑不同矿物相壁面滑移条件的单相油及油水两相流动模型和相应数值求解方法,并根据规则孔隙和真实页岩三维矿物相数字岩心揭示了页岩油微观流动机理。本论文主要从三个方面开展研究:第一,建立了页岩多矿物相数字岩心构建方法。基于马尔可夫链蒙特卡洛方法,分别结合孔隙直径分布和二维图像进行数值重构,提出两种构建多矿物相数字岩心的方法并进行了正确性对比验证,采用孔隙网络模型方法分析了页岩数字岩心孔隙结构分布特征,发现页岩岩心中的流动空间尺度受限,但具有从纳米到微米的多尺度特性,微观结构较为复杂,页岩岩心连通性较差。第二,建立了考虑吸附层的页岩油单相微观流动数学模型及相应数值求解方法。该数学模型基于有限体积法离散和SIMPLE算法求解,开发了相应的求解器,结合实验结果进行正确性验证。基于该模型对页岩油规则孔隙和数字岩心进行流动模拟,揭示了页岩油的微观流动特征:页岩油有机质孔隙壁面的吸附层对流动的影响不可忽略,页岩油的渗透率明显高于达西定律所估算的渗透率的主要原因是存在边界滑移;孔径对页岩油流动的影响占据主导因素。第三,建立了考虑两相不同滑移长度的页岩油水微观流动数学模型及相应数值求解方法。该数学模型基于有限体积法离散、VOF模型和PIMPLE算法求解,开发了相应的求解器,结合经典算例结果进行正确性验证。通过对页岩油规则孔隙和数字岩心流动模拟结果可知:无机质孔隙中的油水前缘长度突破速度较快,但有机质孔隙中靠近壁面边界的驱油效果更佳;随着有机质孔隙占比增加,相渗图中等渗点左移,页岩油的相对渗透率整体提高,水的相对渗透率整体降低。本论文建立了一套从构建页岩多矿物相数字岩心到微观流动模拟的新方法体系,并应用于规则孔隙和真实页岩三维数字岩心,揭示了页岩油藏流体微观渗流机理,为页岩油藏的高效开采提供理论基础。

关键词： 微流体燃料电池   空气自呼吸阴极   可渗透阳极   两相流动传输   孔隙网络模型  

摘要： 随着5G时代的到来,微型便携式电子设备性能日益提高,对微型供电设备性能提出更高要求。微型燃料电池具有运行稳定性、续航好及能量密度高等优点,极具应用前景。无膜微流体燃料电池（Membraneless Microfluidic Fuel Cell,MMFC）利用微尺度下多股流体维持平行层流的现象,自然分隔燃料与氧化剂,无需质子交换膜,简化了电池结构,降低了制造成本,受到研究者广泛关注。然而,在高输出电流密度下,MMFC存在阴极水淹、阳极气相析出等现象,引起了一系列复杂两相流动传输问题,导致反应物传输受限,限制了电池性能的进一步提升。因此,研究高电流密度下MMFC多孔电极内两相流动与物质传输现象,揭示两相流动传输与电极产电特性耦合机制,具有重要的学术价值和应用价值。本文以具有空气自呼吸阴极及可渗透阳极的MMFC为研究对象,以多孔电极内两相流动及多组分物质传输为切入点,从孔隙尺度对多孔电极内两相物质传输及电化学反应耦合机制建立了孔隙网络模型,开展了数值模拟研究。明确了阴极反应物氧气,阳极反应物甲酸与产物CO2的传输机制。分析了电极孔隙结构、浸润性及流动与反应速率对相分布、有效扩散系数、渗透率及电极输出电流密度等传输及反应特性的影响。本文建立的数学模型均采用MATLAB、Python等语言自编程求解。主要研究工作及研究成果如下:（1）针对MMFC空气自呼吸阴极,数值重构了负载聚四氟乙烯（polytetra fluoroethylene,PTFE）条件下气体扩散层实际结构的孔隙网络模型,同时考虑了PTFE负载对孔隙结构及浸润性的影响;建立了耦合液态电解质驱替及氧气相际传输的多孔阴极内两相流动传输孔隙尺度数学模型,获得了空气自呼吸阴极内气-液两相流动传输过程及特性,讨论了PTFE质量分数对两相流动传输的影响规律。结果发现:PTFE质量分数增加,气体扩散层内液相饱和度逐渐降低,但同时降低气体扩散层孔隙率,导致氧气有效扩散系数先增大后减小。PTFE质量分数为20 wt.%的气体扩散层阴极性能取得最佳,极限电流密度可达670 m A cm-2。此外,横向疏水PTFE分布及PTFE负梯度分布均有效限制液态电解质在垂直方向的传输,并减轻液相横向聚并,有效缓解阴极水淹,提高氧气有效扩散系数,改善阴极性能。根据研究结果,本文提出关于MMFC空气自呼吸阴极有效扩散系数及极限电流密度经验关联式。（2）针对MMFC可渗透阳极,采用扫描电子显微镜（scanning electron microscope,SEM）和纳米计算机断层成像技术（nano computed tomography,Nano-CT）对负载纳米线的可渗透阳极进行了表征,并基于表征结果对阳极微观结构进行了三维重构,采用SNOW（a subnetwork of the oversegmented watershed）算法提取孔隙网络模型;建立了耦合甲酸燃料传输及反应、溶解相产物（CO2）对流扩散与气相产物析出的两相驱替过程数学模型,研究了可渗透阳极内两相流动传输与反应特性。结果表明,常用基于多孔介质均质假设的Carman-Kozeny模型高估了可渗透阳极绝对渗透率;电池运行时,气相CO2从阳极顶部向中部反向驱替,导致阳极内气相体积分数大于0.6,气相驱替过程使液相相对渗透率下降90%,毛细压力超过1×10～4 Pa。此外,佩克莱特数的增加使阳极内气相体积分数减小8%,液相相对渗透率提高近4倍;达姆科勒数（Da）的增加使阳极内气相体积分数上升11%,液相相对渗透率降低80%。通过提高佩克莱特数,可有效防止气相CO2析出,使阳极运行于单相流动状态,降低燃料供应所需泵功,有利于提高电池净输出功率。（3）基于高佩克莱特数下的单相运行工况,耦合可渗透阳极纳米线间隙内物质传输、电荷输运及电化学反应,构建了三维+一维复合模型,进一步研究了可渗透阳极内甲酸浓度场、电势场协同作用下阳极非均匀反应特性。结果表明,纳米线间隙内反应速率与甲酸浓度及局部过电位有关。甲酸氧化反应进行时,纳米线长度方向甲酸浓度消耗约10%,局部过电位基本维持常数。纳米线直径与长度增加,可使反应面积增大;纳米线间距增加,能强化甲酸扩散,均可有效提高反应速率。此外,纳米线内反应动力学属于Tafel及物质扩散混合控制,常用基于表征单元体尺度的Butler-Volmer方程不能准确描述甲酸反应速率。高佩克莱特数下,可渗透阳极内甲酸与CO2传输性能较好。高过电位工况下,阳极性能主要受质子传输的影响;通过提高质子传导率的方法,可强化阳极反应速率,使阳极产电性能提高20%。

关键词： 低成本微流控技术   微流控芯片   三次采油   孔隙尺度   可视化   驱替实验  

摘要： 三次采油是一种针对水驱后期采出液含水率高但采收率低,利用物理、化学和生物等方法进一步提高石油采收率的技术。目前三次采油实验室研究通常使用天然岩心进行,存在实验过程繁琐、可视化难度大、无法在孔隙尺度下对微观采油过程和采油机理进行研究等问题。微流控技术是一种研究、处理和控制微纳米尺寸流体的技术,微流控芯片是以其为核心,采用微加工技术制造的对微量流体进行操控和处理的装置。使用微流控芯片代替天然岩心进行驱替实验,可以将复杂的采油过程缩小到几平方厘米的芯片上实现,为能源领域研究者提供一种全新的工具。本文首次将低成本微流控技术应用于三次采油研究中,对低成本微流控技术应用于三次采油相关研究中面临的包含芯片结构设计、芯片加工制造工艺、微流控实验平台搭建和实验研究方法在内的关键问题进行研究。基于低成本微流控技术加工成本低、柔性高、无需超净环境等特点,在非超净实验室条件下实现微流控芯片的中小批量柔性制备和微流控实验平台搭建,并开展孔隙尺度条件下多类型三次采油技术的实验研究和采油机理研究,大幅降低微流控技术应用于三次采油研究时的材料、设备成本和技术门槛,为其在石化、能源领域的推广应用提供新的技术路线。本文主要研究工作如下:(1)用于三次采油研究的微流控芯片结构设计方法与有限元模拟目前用于三次采油研究的微流控芯片结构可分为均匀结构、半均匀结构、不规则结构和模拟天然油藏结构,各类结构通常仅针对单次实验进行设计,缺乏统一的设计标准和联系,难以客观比较其性能和适用场合。本文提出一种基于天然油藏切片的芯片结构设计方法,从天然油藏切片中提取出模拟天然油藏结构和对应的孔隙结构参数,并以此为基础进一步提出均匀结构和半均匀结构的设计方法。基于该方法设计出的各类结构具有高度相似的孔隙结构参数,为其性能的客观对比奠定基础。随后,通过驱油过程有限元模拟,分析不同结构的特点和适用场合,实现三类结构性能之间的客观比较,为后续芯片设计和选型提供借鉴。(2)低成本微流控芯片加工工艺研究针对传统微流控芯片加工过程中对精密设备、超净环境、复杂工艺的高度依赖,本文基于低成本微流控技术开展微流控芯片加工工艺研究,提出基于热塑性聚合物和天然矿物的芯片加工工艺和用于多种材料的芯片键合工艺,分析工艺参数对微流控芯片流道尺寸、截面形貌、表面性质和键合效果的影响。最终在热塑性聚合物和天然矿物两类材料表面实现尺寸50μm-500μm范围内微流道的可控加工,从微观结构和表面性质两方面实现对天然油藏的模拟,在非超净环境下实现微流控芯片的低成本柔性制备,大幅降低芯片的使用成本和对精密设备、加工环境的要求。(3)微流控实验平台设计为使微流控系统更好地适应三次采油实验研究,本文从流体驱动、过程控制和基于光学方法的可视化三个方面对微流控实验平台进行设计,满足相关研究对多类型流体驱动、流体顺序进样、多尺度可视化和实时采收率分析等方面的需求,为后续实验研究提供稳定、可靠的实验平台。(4)孔隙尺度三次采油实验和机理研究基于低成本微流控系统,开展孔隙尺度上的三次采油实验和机理研究。通过二次水驱实验和包括热力驱、表面活性剂驱、微生物驱在内的三次采油实验,实现采油过程实时可视化,从芯片整体和单孔隙两个尺度研究不同三次采油技术对采收率的提升效果和具体作用机理,验证本文提出的低成本微流控系统用于三次采油实验研究时的有效性、稳定性和先进性,为其在该领域的进一步应用提供实验基础。

关键词： 微流控试验   颗粒滞留   薄膜厚度   孔隙尺度   多相渗流  

摘要： 两相流条件下悬浮颗粒在孔隙以及裂隙介质中迁移与滞留机制的研究是水利工程、地下环境修复以及能源开采等领域的热点课题。这些研究在诸如坝基管涌、水工结构注浆加固、地下水污染、土壤微塑料聚集、油气开采、CO2地质封存等领域具有重要意义,可为工程上保障建筑结构安全以及减少环境污染等提供理论依据。本文以空气-悬浮液驱替过程中颗粒的迁移与滞留机制为关键科学问题,基于微流控试验与理论分析相结合的研究方法,深入开展了气体-悬浮液两相驱替模式、颗粒滞留临界判别以及液膜沉积等内容的研究,揭示了驱替速度、颗粒浓度、孔隙通道结构等对颗粒滞留与液膜沉积特性的影响规律及其作用机制。此外,基于三维可视化试验平台探讨了三维孔隙介质多相驱替机制。主要研究内容及成果包括: （1）建立了气体-悬浮液两相驱替颗粒滞留模式相图。通过改变悬浮液中颗粒的体积分数以及驱替速度,发现了颗粒滞留的三种特征行为,分别为颗粒无滞留、颗粒分散滞留以及颗粒成层滞留。流速较小时,空气几乎充满整个微通道截面,导致液体薄膜无法形成,对应颗粒无滞留模式;随着流速与颗粒体积分数的增大,颗粒逐渐被滞留在通道两侧,形成较均匀的颗粒层,即颗粒成层滞留。 （2）建立了考虑驱替流速、通道形状及颗粒浓度影响的液膜厚度理论预测模型。通过开展矩形微通道中空气-悬浮液驱替试验,发现液膜厚度受控于驱替速度与颗粒体积分数,并受通道长宽比的影响。提出了一个修正的无量纲毛细数,其中考虑了颗粒浓度影响下的悬浮液等效粘度以及通道长宽比函数,并基于修正毛细数和Bretherton理论提出了液膜厚度预测公式。 （3）基于理论推导与受力分析,阐明了气-液两相驱替过程中颗粒滞留的临界条件。通过开展不同初始条件下的气-液两相驱替可视化试验,发现颗粒滞留的临界条件受颗粒尺寸与通道宽度的影响。理论预测的临界值与试验结果吻合良好。此外,基于粒子追踪技术,揭示了颗粒滞留概率受颗粒体积分数以及驱替速度的影响规律。一方面,颗粒体积分数增大致使颗粒间以及颗粒与流体间相互作用增强,因而增大颗粒被滞留的概率;另一方面,液体薄膜厚度随着驱替速度增加而增大,为颗粒滞留提供有利条件。 （4）搭建了以激光扫描共聚焦显微镜为主体的三维可视化试验平台,并结合数字岩芯、三维重构、超高精度3D打印、三维荧光成像、折射率匹配等技术解决了天然多孔介质内多相驱替动态观测的试验难题。此外,研究了膜流、折断等孔隙尺度动力学行为及机制,并分析了不同试验条件下被驱替相团簇尺寸分布及残余饱和度变化规律,为三维孔隙介质中细颗粒迁移与滞留研究奠定了基础。

关键词： 相场   N-S方程   孔隙尺度   润湿性   残余油  

摘要： 为摸清水驱后残余油的形成机理及分布情况并挖掘残余油潜力,基于N-S方程建立了并联孔隙微观模型,运用相场法追踪驱替过程中的相界面,研究不同壁面润湿条件下的水驱后残余油分布特征,并通过聚合物驱改善流度比、表面活性剂改变界面张力或发生润湿反转等方法挖潜水驱后残余油,研究流度比及界面张力等参数对水驱后并联孔隙内残余油微观流动规律的影响。结果表明,当岩石表面表现为亲水时,水驱后残余油主要滞留在并联孔隙的大孔道内,通过聚合物驱改善流度比可以将孔道内的残余油有效动用,表现为残余油被整体驱动。当岩石壁面为亲油时,水驱后残余油主要滞留在并联孔隙的壁面以及小孔道内,改善流度比对小孔道内形成的残余油很难达到动用的目的,但通过表活剂改变润湿性后,残余油被拉伸成油滴并聚并,最终降低残余油饱和度;流度比或界面张力越小,驱油效率越高。该研究揭示了并联孔隙内水驱后残余油分布及动用机理,为水驱油藏有效开发提供了重要的理论依据。

关键词： 高孔隙率   砂岩   压缩带   剪切带   模式演化   平均应力   多尺度  

摘要： 高孔隙率砂岩是油气藏、地下水等的重要储层,对其在不同加载条件下破坏模式演化的研究具有重要意义。采用有限元与离散元耦合的分层多尺度模拟方法,对同一种高孔隙率砂岩材料在(排水)双轴压缩试验、钻孔稳定性问题、水岩耦合问题等典型岩土工程边值问题中,破坏模式的演化进行了对比研究。研究表明,高孔隙率砂岩在不同加载条件下可以产生压缩带、含剪切变形带等具有显著不同几何特征的破坏模式;受应力集中、边界条件、孔隙压力变化等因素的影响,不同破坏模式之间可能发生演化,在边值问题中产生复杂的破坏形式;有效平均应力增加可能导致破坏模式从含剪切变形带演化为压缩带,反之,有效平均应力降低也可能导致从压缩带向剪切带的演化。

关键词： 格子Boltzmann方法   锌镍单液流电池   孔隙尺度   多孔电极  

摘要： 针对锌镍单液流电池多孔正极,基于格子Boltzmann方法从孔隙尺度对多孔正极内的流动传质及化学反应过程进行了模拟,获得了多孔电极孔隙内部电解液渗流速度场、浓度场和电流密度变化。从孔隙内渗流与传质的角度分析了不同充电电流、电解液流速和多孔电极孔隙率对电极电化学反应的影响。

关键词： 气体水合物   生成   分解   X-CT   分布特征  

摘要： 天然气水合物在沉积物中的分布规律对其勘探开发起着至关重要的作用。本文采用X射线计算机断层扫描技术(X-CT),通过原位扫描气体水合物生成与分解各个阶段,研究了水合物在生成与分解过程中在多孔介质中的分布规律。实验结果表明,水合物在多孔介质中的生成位置主要受传热速度及气体扩散的影响,水合物分布呈现随机性;在分解过程中,热刺激法及降压法均导致水合物二次生成,前者可以促进水合物在多孔介质中的均匀分布,后者则使沉积物分布更加均匀。

关键词： 多孔结构   CO2   升温   过饱和   析出  

摘要： CO2和高温蒸汽都在提高原油采收中被广泛应用。两者联合可以有效降低原油黏度、改善流动性,补充地层能量,提高波及效率。在高温蒸汽作用下,已溶解于原油的CO2会发生过饱和析出。析出气泡成核、生长和流动对地层多相流体分布及渗流有重要影响。本文通过孔隙尺度高压可视化实验系统,研究超临界CO2-油升温过饱和析出,探究了升温幅度和速率对过饱和析出气泡成核、生长和流动三个阶段的影响机理,同时也分析了气泡不同成核特征对后续生长和流动的影响规律。

关键词： 多孔肋   细小通道   孔隙尺度模拟  

摘要： 泡沫金属具有很高的比表面积,有望进一步提高细小通道热沉的流动换热性能.本文研究了多孔肋细小通道热沉中的充分发展流动.模拟基于拉盖尔-沃罗诺伊镶嵌方法构造多孔肋几何结构,使用直接模拟方法避免宏观方法中选择参数对结果的影响.本研究得到孔隙率、填充率和雷诺数对速度分布和压降的影响规律,基于速度分布分析了填充率影响泊肃叶数的一般规律,并将模拟结果整理为经验关联式.本文还对比了宏观方法的模拟结果,讨论了宏观方法中等效黏度的影响.