关键词： 非饱和土   湿颗粒   毛细力   液桥拉伸   持水特性   渗透特性   毛细黏聚  

摘要： 水土作用是非饱和土力学理论的核心内容,也是当今土力学界的研究热点和难点之一。在大型水利、水电等工程建设中,土体中不可避免的水迁移会显著影响其变形和稳定性,可能诱发工程灾害。引入颗粒与水相互作用理念揭示水土作用机理,不仅是学科发展需要,也是实际工程建设的迫切需求。为此,本文基于非饱和土力学、颗粒力学、表面科学及水动力学的学科交叉背景,采用“颗粒-孔隙-集合体”细-宏观多尺度分析优化方法,研究细观水土作用机理,并应用于宏观水力与力学特性分析,研究工作可以总结为以下4个方面: (1)从颗粒的理论分析出发,将非饱和土简化为湿颗粒模型,采用液桥描述湿颗粒间吸附的水分形态。以椭圆弧假定为理论基础,推得考虑固-液接触角的等径湿颗粒间液桥的断裂距离与毛细力解析公式,利用颗粒等效半径将其公式推广至不等径湿颗粒的范围,进而在考虑液桥体积的条件下,将适用于小体积液桥的断裂距离、毛细力解析公式推广至大体积液桥。此外,在控制基质吸力的条件下基于圆弧假定推得等径湿颗粒间液桥断裂距离的解析公式和毛细力的计算方法,并利用颗粒等效半径将该方法推广至不等径湿颗粒的范围。 (2)从颗粒的试验探究出发,开展湿颗粒间液桥拉伸的力学性能试验,通过改变拉伸速率、液桥体积和颗粒材料,分别研究了液桥几何特征对毛细力的影响。结果表明:湿颗粒间液桥拉伸过程中,毛细力随颗粒间距先增大后减小,拉伸速率对毛细力影响有限;在毛细力下降阶段,液桥弯液面的曲率半径随毛细力减小先减小后增大再减小,直至液桥断裂时,液桥弯液面的曲率半径最小。 (3)从颗粒间的孔隙出发,研究孔隙形状与孔径分布对岩土介质渗透及持水特性的影响。一方面,构建了圆柱形孔喉-大孔隙联合体组成的变截面孔隙模型,假定孔径分布服从分形分布,推得岩土介质的饱和渗透系数函数、相对渗透系数函数及滞回持水曲线的理论公式,并对各公式的有效性进行了验证。另一方面,对土样的颗粒级配曲线划分不同粒组,将每个粒组对应的孔隙简化为圆柱形孔隙,基于Hagen-Poiseuille公式,并结合天然土孔隙与理想孔隙内水分流量的相似关系,为预测非饱和渗透系数函数构建了一种无需引入未知经验参数的物理方法,进而验证了该物理方法在表征非饱和渗透系数与体积含水率关系时的有效性。 (4)从颗粒简化组成的集合体出发,以van Genuchten模型为基础,一方面,将土的基本物理特征与统计分析相结合,提出了用土颗粒级配参数(控制粒径d60和不均匀系数Cu)表示的土壤转换函数,并能满足完全均匀和完全分散两种理想球体颗粒集合体条件,进而将该函数引入非饱和强度公式,从而实现了对非饱和砂土毛细黏聚力和抗拉强度及其随基质吸力变化规律的快速、合理预测。另一方面,构建了一组经验公式使van Genuchten模型参数能够考虑土的干密度变化,采用已有文献中土的不同干密度下持水实测数据对其进行标定,提出了预测不同干密度土样持水曲线的两种新方法,并对两种新方法的有效性和实用性进行了验证、评价。

关键词： 渗吸   孔隙尺度   N-S方程   非均质性   润湿性  

摘要： 渗吸是指润湿相流体在毛管力的驱动下进入多孔介质并置换非润湿相流体的过程,其广泛存在于自然界以及工业应用中,如原油开采以及二氧化碳埋存。本研究基于Navier-Stokes方程耦合VOF方法建立了孔隙尺度两相流模型,通过前缘形态的定量表征揭示了孔隙尺度下多孔介质渗吸机理及影响因素。首先,根据乱序数建立了非均质性由弱到强的二维多孔介质模型,基于此模型研究了不同毛管数下润湿性与多孔介质非均质性共同作用对渗吸过程的影响。研究发现在低毛管数条件下,多孔介质的非均质性对于渗吸过程影响较小,此时润湿性主导渗吸过程的发生,随着润湿角的增大,见水采收率逐渐减小;在中等毛管数条件下,只有非均质性最强的多孔介质由于最高的入口端压力对渗吸过程产生了影响,此时润湿性仍然对渗吸过程有着重大影响,随着润湿角的增加,本文可以看到驱替模式由毛管指进到粘性指进转变,采收率也随之提高;在高毛管数条件下,多孔介质的非均质性对渗吸过程起主导作用,随着乱序数的增加,相界面更不稳定,采收率也随之减小;其次,本文研究了不同粘度比以及毛管数共同作用对渗吸过程的影响,发现更高的油水粘度比对稳定油水界面以及提高采收率有着重要的影响,本文将模拟结果与传统的驱替相图进行对比,发现随着多孔介质非均质性的增强,模拟结果与相图出现偏差,临界毛管数减小。此外本文根据能量耗散定律计算了能量毛细数划分了不同的渗吸区域并分析了各区域特征;第三,本文基于VOF方法对三维数字岩心进行了渗吸模拟研究,研究了不同粘度比、润湿性等因素对渗吸过程的影响,并通过构建三维均质以及非均质多孔介质模型分析了多孔介质非均质性的影响,研究发现更大的润湿角、更小的油水粘度比以及非均质多孔介质会导致更明显的指进、更不稳定的驱替前缘以及更低的渗吸效率。最后本文对比分析了润湿性、多孔介质非均质性等因素对油水相对渗透率的影响。本文基于Navier-Stokes方程在孔隙尺度研究微观渗吸机理,并分析了不同因素对渗吸前缘形态、相态分布及采收率的影响,为致密油藏开发及相关油藏工程方法提供了理论支持。

关键词： 致密油砂岩   孔隙结构   自发渗吸   纳米尺度传输   油水渗吸模拟  

摘要： 伴随着常规油气资源的日益枯竭和愈加突出的能源危机,极具开发潜力致密油已发展成为重要的接替能源之一。众多研究发现,储层油水自发渗吸作用能够提高油井产能,被证明是非常规储层一种有效的提高采收率方法。致密储层复杂孔隙结构、流体渗流机理和渗吸机理等问题依然研究不够深入、认识不请。因此,非常有必要开展致密油砂岩渗吸特征和规律研究。本论文首先综合采用高压压汞法、微米CT扫描法和扫描电镜技术开展了岩石孔隙结构进行了有效表征。在对致密砂岩孔隙结构有了清晰认识之后,分别从岩心尺度物理实验和孔隙尺度模拟角度,深入研究了不同因素条件下的致密油砂岩油水渗吸特征。本文主要贡献如下:致密油砂岩孔喉尺寸处于几纳米到几百微米之间,孔隙结构具有多尺度分布的特征。主要孔隙类型包括残余粒间孔、溶蚀孔、粘土孔和微裂缝。亚微米孔隙对渗流起主导作用,纳米孔隙虽然对岩石储容性具有重要作用,但其渗透率贡献很低。微米CT获得的岩石三维微观孔隙结构,受分辨率限制无法识别出纳米孔隙,但经多重阈值分割处理后,发现未识别的粘土相是沟通孤立粒间孔隙形成渗流通道的桥梁。借助NMR技术,获取了自发渗吸过程中不同影响因素下的采出程度和不同类型孔隙中油相的分布特征。对于致密岩石,边界条件不仅影响渗吸速度,亦影响最终渗吸采收率,该特征与常规储层岩石有着重要差异。添加表活剂能够通过改善岩石表面润湿性和降低油水界面张力来辅助渗吸,但仍需维持较高的界面张力。传统的标度模型无法用以描述润湿性发生变化后的渗吸数据。通过将高压压汞实验与饱和岩心初始T2相结合,发现亚微米孔隙在对渗吸采收率贡献最大,而纳米孔隙渗吸效率最高。在不利于渗吸边界条件下(TEO,两端开启;OEO,一端开启),重力作用对致密砂岩渗吸作用不可忽略。由于孔隙结构各向异性造成的岩石物性的方向性,使得在TEO边界条件下,各向异性对渗吸采收率影响巨大。考虑到致密油属于轻质油,有着较小的粘度变化范围,发现油相粘度的变化对渗吸行为影响不大。从孔隙尺度阐述了单相纯水和水溶液在纳米孔隙中的流动传输规律,发现水在亲水孔隙中传输能力对接触角变化不如在疏水孔隙明显。孔隙表面粗糙度对无量纲液体渗透率有着重要影响,而表面粗糙分形维数则对水传输能力和无量纲渗透率影响甚微。进一步研究了盐溶液在亲水纳米孔隙中的电动传输规律,发现孔隙流动阻力主要来自电粘性和界面粘度增大效应。随着孔径和离子浓度的变化,流动阻力的贡献与表面电荷密度和固体壁面带电符号有关。此外,即使考虑电粘性和界面粘度增大效应,也无法捕捉非线性流动行为。孔隙尺度油水渗吸模拟结果与实验结果互相印证,发现了相同毛细作用下,润湿性越好,渗吸采收率也越高。在一定毛管数和粘度比条件下,润湿性对渗吸采收率大小有着非单调性的影响。具体而言,壁面越亲水,反而出现了渗吸采收率的下降。孔隙结构对流体渗吸行为有着极为重要的影响,规则孔隙结构不利于渗吸,而不规则结构由于毛管力分布的非均匀性,有利于形成非湿相流体的排驱通道。界面张力与粘度比对渗吸采收率有着单调性的影响。对于颗粒随机分布的孔隙结构,在用传统标度模型对模拟渗吸数据标度时,弱亲水条件时拟合效果差。

关键词： 微观孔隙结构   瓦斯运移   非均质性   三维可视化   多尺度表征   孔喉比  

摘要： 煤的微观孔隙结构是影响煤层瓦斯运移特性的主要因素。不同变质程度煤体所表现的吸附解吸性能和渗流能力的差异性除了与温度、压力、煤体组分、水分等宏观因素有关之外,更重要的是与其自身微观孔隙结构特征有关。探究煤体微观孔隙结构对瓦斯吸附解吸特性以及渗流特性的影响,对于全面认识煤中孔裂隙的结构特征、空间展布以及了解微观尺度下瓦斯产出与运移过程具有重要理论指导意义。主要研究成果如下:首先开展了煤岩学基础参数的测试,作为多尺度孔裂隙结构表征的研究基础。采用场发射扫描电镜观察并识别了不同变质程度煤表面孔裂隙的形态和发育特征,半定量地统计了不同变质程度煤表面孔裂隙的结构参数。不同煤阶的孔裂隙形态,大小和分布呈现明显的非均质性。随着煤阶的增加,孔隙直径分布范围呈现“先降低后升高再降低”的趋势,面积孔隙率呈现“先升高后降低再升高”的趋势。其次采用微米CT扫描技术（Micro-CT）,基于最大类间方差算法实现了煤中大孔和裂隙的精准阈值分割,在此基础上建立了具有孔裂隙形态学拓扑结构的骨架化模型和等效孔隙网络模型,定量分析了不同变质程度煤中大孔和裂隙的孔喉结构参数、连通性以及发育程度。此外,借助小角X射线散射技术（SAXS）有效获取了煤中微小孔的结构信息,分析了不同煤阶中微小孔的孔径分布、比表面积以及分形维数变化规律。不同煤阶的有效孔隙率与孔隙连通度变化存在协同效应,两者满足正相关指数函数分布。低阶煤中大孔的孔喉发育程度和连通性要高于高阶煤;微小孔的平均孔径随煤阶升高呈现逐渐降低趋势。然后借助低场核磁共振技术（LF-NMR）,根据核磁T2谱驰豫特征,对比了饱和水状态下和离心脱水状态下不同变质程度煤样的孔隙度演化规律和T2分布特征,计算了煤体的总孔隙度、残余孔隙度、束缚孔隙度以及渗透率物性参数,分析了不同变质程度煤样的孔隙度与渗透率的变化规律,发现了低阶煤相比高阶煤具有更多的中大孔或裂隙共同构成的渗流空间,低阶煤的渗透率整体上高于高阶煤,其变化趋势与孔隙度基本相同。最后基于核磁共振甲烷吸附解吸实验,研究了不同注气压力下甲烷吸附和解吸过程的NMR响应特征,测定了不同注气压力下吸附态和游离态甲烷的含量,并运用Langmuir方程对实验数据进行拟合,得到了不同变质程度煤样的甲烷吸附解吸特性,通过提取微小孔结构特征参数与瓦斯吸附解吸特性指标建立相关性分析,发现了增大比表面积和减小结构分形维数均会提高煤体对甲烷的吸附能力;基于重构模型孔隙尺度的渗流模拟,从压力场、速度场和速度流线三个角度再现了甲烷在孔裂隙空间的可视化渗流过程;通过提取大孔结构特征参数与瓦斯渗流特性指标建立相关性分析,得到了孔隙半径与煤体有效孔隙度呈正相关性,当喉道半径越大,孔喉比越小,迂曲度越小,配位数越大时,煤体渗透率均会升高,有利于瓦斯的渗流与产出。该论文有图72幅,表25个,参考文献269篇。

关键词： 大尺度地震物理模拟   储层流体物理模型   地震采集   地震数据处理   流体检测  

摘要： 地震物理模拟技术作为地球物理勘探领域重要实验手段,在地球物理勘探技术发展过程中具有不可替代的地位,是提升行业技术水平的基础。本文围绕岩性、前陆、深层和海域等领域的勘探需求,在调研国内外地震物理模拟实验室及其研究方向的基础上,充分运用起伏固体表面地震物理模拟技术、时变增益放大采集技术、多阶微分拓频采集技术、双相介质模型制作技术、高温高压多相流体定量充注地震物理模拟技术、气浮运动与光栅定位控制技术、高分辨率与多道高效宽方位采集技术、3D打印制模技术等,研发新一代大尺度高精度高效率地震物理模拟实验系统,实现了陆地起伏地表、海洋以及多相介质模型全方位、高分辨、高保真地震采集和响应机理的模拟,更好的支撑野外采集方案设计、复杂构造(地表)成像以及强非均质性储层定量解释。基于研发的地震物理模拟实验系统,本文首先开展了三维双相流体饱和多孔介质中地震响应物理模拟研究工作,构建了反映珠江口盆地深水区储盖特性、岩性组合、砂体展布、孔隙流体性质等地质地球物理特征的三维大尺度物理模型,模型制作充分考虑了海底形态、软泥层分布、砂岩储层物性特征以及断层发育情况等因素。然后基于制作的物理模型开展了多通道、多方位、高精度以及不同地表条件下的三维地震数据采集,并对不同采集方式获得的地震资料进行对比分析,结果表明,基于宽方位地震资料的地质体成像结果更精确;宽方位和窄方位资料均能反映储层物性的变化;宽方位和窄方位资料都能一定程度上反映含气饱和度(油密度)的变化;当透镜体边界与采集方向垂直时,其边界成像更清楚。另外针对白云深水区物理模型及采集的地震数据,利用波形反射特征分析、层位追踪解释、储层样块参数分析、叠后属性分析、叠后波阻抗反演、叠前AVO分析及叠前弹性参数反演等技术,测试了不同岩性、物性、岩性组合以及不同饱和流体条件下储层的地震响应特征,分析了不同地震采集方式对刻画储层特征的影响,明确了含流体类型对于储层反射特征的影响,优化了珠江口盆地深水区地震采集、处理方式,有力指导了该地区优质储层预测技术流程,取得了较好的应用效果。本文研发的地震物理模拟实验系统可实现大尺度、高精度物理模型定位,多通道、高效率、高信噪比、深层弱信号采集,宽频、高分辨率超声波信号采集,高精度模型形态扫描等功能,可开展不同地表条件(山地、沙漠、沼泽、海洋等)、不同采集方式(激发、排列、组合)、不同油气藏类型(常规和非常规)以及不同温压条件下的地震采集和地震响应机理研究,为提高地震勘探效率,探索地震定量成像与解释方法,助力地震勘探理论方法研究及实际生产运用提供科学依据,丰富和发展了地震物理模拟实验技术,对于支撑科研生产以及勘探理论技术研究具有重要意义,为设计更加经济、科学、可行的采集观测系统提供了实验数据,具有一定的实用推广价值。

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。