关键词： 孔隙尺度   SPH方法   牛顿流体   幂律流体   粘弹性流体  

摘要： 经过多年的注水开发,大部分油田进入了高含水或者特高含水开发阶段,储层的微观孔隙结构与开发初期相比发生了较大的变化,基于原始取芯岩样的测试结果已无法准确描述储层的渗流规律,亟需全面深入的了解孔隙尺度下储层中流体的流动规律,进一步为油田开发提供依据。因此,本论文基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法研究了孔隙尺度下牛顿流体、幂律流体和粘弹性流体三种不同驱油体系的运移规律。首先,编制了SPH计算程序,并应用经典的Poiseuille流验证了程序计算的准确性与可靠性。然后,应用梯形孔隙理论对复杂的孔隙结构进行了简化并建立了简化的毛管模型。最后,基于毛管模型,模拟了水、HPAM和Oldroyd-B三种不同的驱油体系在孔隙尺度下毛管内的流动状态,得到了不同形状的毛管模型中不同压差下毛管中流量的变化、毛管中速度分布和相应的速度变化云图,得到了不同孔喉比条件下压差与流量的关系。计算结果表明:孔隙尺度下牛顿流体的流量和压差始终呈线性关系,幂律流体和粘弹性流体的压差与流量呈指数关系。对于牛顿流体,孔喉比大于2.5时,且随着孔喉比增大,流量与压差的之间的非线性关系逐渐明显。对于非牛顿幂律流体和粘弹性流体,在孔喉比大于5时,毛管中流量与压差开始呈现出非指数关系,且孔喉比越大,流量与压差的非指数性越差。通过对比不同横截面形状的毛管模型发现:孔隙形状为圆形时,流动阻力最小。当驱油体系为牛顿流体时,相同压差下,圆形截面的流量分别为矩形和三角形截面流量的1.14倍和1.38倍;变截面毛管中,相同压差下,圆形截面的流量分别为矩形和三角形截面流量的1.14倍和1.44倍。驱油体系为幂律流体和粘弹性流体时,圆形截面的毛管中流量最大,等截面毛管中,三角形截面流体流量次之,矩形截面流体的流量最小;而在变截面毛管中相反。

关键词： 碳捕集埋存   数字岩心   溶蚀模式   对流扩散   单相流模拟  

摘要： 碳酸盐岩的孔隙结构对溶蚀通道的形成和相关反应传输过程有强烈的影响。这些效应在碳捕集埋存（CCS）的工程操作中是至关重要的。然而,对于饱和CO2盐水在储层条件下如何改变孔隙结构的系统性研究非常有限。为提供更加详细的信息,本论文对均质孔隙型、非均质孔隙型、裂缝型和溶洞型碳酸盐岩的溶解模式进行了研究。通过孔隙半径分布曲线和归一化速度分布曲线筛选出物理非均质性不同的岩心,制备饱和CO2盐水后,在8 MPa孔隙压力下驱替碳酸盐岩样品,并在驱替进行至100 PV、500 PV、1000 PV、1500 PV、2000 PV时以两个分辨率（4.26μm和21.14μm）扫描岩心,从而获取动态孔隙结构变化。研究发现孔隙结构的差异所造成的物理非均质性对酸化盐水与岩石颗粒的反应有很大影响。在均质孔隙型样品中形成了由分支通道包围的优势渗流通道,且流场分布均匀;非均质孔隙型样品和溶洞型样品中发育单一溶蚀通道,该通道中汇集了大量的流线;裂缝型样品中的溶蚀通道在原始裂缝的基础上发育,裂缝中观察到颗粒运移现象。沿着酸化盐水的流动方向,均质孔隙型样品的孔隙度均匀增加;非均质样品、裂缝型样品和溶洞型样品的孔隙度,增加在初始孔隙空间发育的地方。物理非均质性越强的样品渗透率增长越快。所有样品的有效反应速率都随时间而降低,传质扩散的过程中H+的对流速率远高于扩散速率,且对流主导的运输效应在裂缝中最强。本论文绘制了四块样品的Pe-Da分布,显示均匀溶解和非均匀溶解的分界线为Da=10-4,但随着孔隙几何形状复杂度的增加,Da分布范围缩小,溶解趋向于非均匀。最后总结了所有样品的溶解模式。本论文的工作为CCS中的石灰岩的溶解提供了关键的认识,表明CO2注入可能导致地质断层的复活和井眼周围的地层伤害。

关键词： 高含水期   N-S方程   剩余油   提高采收率   渗透率   孔隙尺度  

摘要： 水驱是开发油气资源的重要手段,我国超过70%的油气资源通过水驱采出。此外,中国东部多数油田都已经进入高含水期甚至特高含水期,但油田整体采出程度仍然较低。由于高含水期剩余油的“非连续”分布,基于达西定律发展而来的油水两相渗流理论已无法准确描述孔隙尺度的两相流动过程。本研究基于Navier-Stokes(N-S)方程的微观两相流模型,在孔隙尺度研究油水流动状态及规律,以揭示非连续油相在孔隙尺度的运动规律及其动力学机制。主要结论如下:首先,通过研究单一粗糙喉道内的水驱油过程,发现理想光滑喉道内的水驱油流量显著偏高,喉道壁面粗糙性对于水驱油过程存在显著影响。壁面粗糙性会促进注入水粘性指进现象的形成,导致较低的采收率及较早的见水时间,并分析了壁面润湿性、毛管数大小及粗糙度等因素对粗糙喉道内油水两相流动的影响;其次,构建了复杂二维多孔介质模型用以研究高含水期剩余油分布及其形成机理,并在孔隙尺度探究表面活性剂驱、聚合物驱提高采收率机理及其影响因素。结果表明孔隙结构、壁面润湿性以及毛管力是影响高含水期剩余油分布与类型的主要因素。表面活性剂驱的低界面张力特性在提高洗油效率的同时也会提高微观波及系数,但其提高采收率的同时也会缩短无水采油期。聚合物驱通过减小不同尺寸喉道内的动阻比来提高波及系数。此外,表面活性剂提高采收率的效果与其使用时间存在密切相关性;第三,通过研究微观多孔介质内的水驱油过程建立了相对渗透率与微观油水分布之间的联系,结果表明水驱特征曲线在高含水期上翘的内在原因是水驱进入高含水期后,多孔介质内的剩余油由连续相变为非连续相,流动过程存在卡段、变形及滞留等过程,油相流动能力快速下降。壁面润湿性、油水粘度比及多孔介质非均质性对于水驱特征曲线在高含水期上翘时的临界含水率均有影响。本文基于N-S方程在孔隙尺度研究油水两相运动规律,并构建了微观油水分布及宏观多孔介质相对渗透率间的关系,为高含水油藏开发及相关油藏工程方法提供了理论支持。

关键词： 非均匀多孔介质   孔隙尺度   格子Boltzmann方法   传热传质   矿化反应  

摘要： 非均匀多孔介质内的反应输运过程广泛存在于能源、环境和化工等领域,如岩石酸化、CO地层压裂及封存等。该过程涉及到多组分流体流动、传热、传质、化学反应及固体结构演化等。本文基于格子Boltzmann方法,建立了模拟简化及复杂多孔介质内耦合流动传热传质过程的孔隙尺度模型。其中,不混溶流体流动、溶质输运、传热及固体结构演化分别使用Shan-Chen多组分格子Boltzmann模型、传质格子Boltzmann模型、传热格子Boltzmann模型及VOP方法处理。设计并搭建高温高压反应实验系统探究CO与岩石之间的相互作用规律,并使用孔隙尺度模拟对实验结果进行解释分析。结果表明多孔介质内部流动、传热、传质、不混相分布及固体结构演化过程之间具有高度耦合特性。多孔介质内不混相的存在可抑制固体溶解,降低温度下降速率,并增加酸的穿透深度。固体溶解、温度下降及酸的完全突破速率随不混相含量的增加而增大。不混相的侧面分布有助于多孔介质内优先通道的发展。多孔介质的非均匀性对流动传热传质过程有显著影响。可溶解组分周围不可溶解组分的存在会严重抑制其溶解过程。多孔介质孔隙率梯度的增加可促进固体溶解及不混相逃逸。增大速度、浓度及温度可加快固体的溶解过程。由CO和岩石间的反应实验及孔隙尺度的矿物酸蚀模拟可知,不同反应系统达到反应平衡的时间不同,CO与岩石的矿化反应可改变岩石孔隙结构及地层水的矿化度,增大岩石孔隙率,其增幅为2.53%至5.54%。

关键词： 微观孔隙结构特征   SEM图像   铸体薄片   Avizo   Image Pro Plus  

摘要： 本文以华北型石炭-二叠纪煤田,煤层间或煤层上部赋存的厚层砂岩含水层为主要研究对象,在了解和熟悉研究区域地质背景的基础上,对五个典型矿井（马兰矿、屯兰矿、李雅庄矿、吉宁矿、葛泉矿）主采煤层顶底板砂岩含水层组进行选点取样,以勘探钻孔为主要手段共获取砂岩岩心32块。为了探究砂岩微观孔隙结构特征电镜观察尺度的优质区间,以矿井地质学、水文地质学和分形理论为指导,综合运用岩石铸体薄片鉴定、CT三维重建、扫描电子显微镜（SEM）等多种分析测试技术,并结合已有的致密砂岩孔隙度和渗透率方面的研究成果,主要得到以下结论:1.经室内实验室测定得知,本次采集五个矿区的砂岩岩心均具有极低的孔隙度和渗透率。2.偏光显微镜观察铸体薄片可知,岩性为细粒砂岩和粉砂岩不等粒砂岩,颜色以灰白色、黑灰色为主,主要成分为岩屑,石英、长石次之;砂岩粒度级别以细粒为主,含有少量中粒;填隙物含量较高,以高岭石、菱铁矿、伊利石为主。***扫描结果可知,砂岩样品内多为连通度较差的小孔隙,不支持液体或气体流通。4.利用“小岛法”模型,应用Avizo、Image Pro Plus图像处理软件提取砂岩SEM图像微观孔隙结构的面积和周长,基于泊肃叶公式、达西渗流理论等计算了砂岩微观孔隙结构理论渗透率,结果表明:砂岩微观孔隙结构特征电镜观察尺度的优质区间是×200×1000,其中×500尺度下所计算的理论渗透率与实测渗透率最为接近,误差约为2.1%,即局部与整体反应出较强的自相似性;在该尺度下,得出理论渗透率与实测渗透率具有较强的相关性,这对矿区的煤层顶板防治水工作提供了一定的帮助。该论文有图50幅,表5格,参考文献75篇。

关键词： 地震勘探   频散   衰减   全频段   多尺度   孔隙介质  

摘要： 实际的油气储层和海底介质都是典型的孔隙介质。地震勘探和声学探测技术分别是油气资源勘查与海底调查的重要手段。弹性波的频散和衰减在孔隙介质波传播过程中尤为突出,更是油气地震预测及海底底质参数声学反演所需的重要属性。因此,对孔隙介质的弹性波传播规律进行研究,具有重要的科学与现实意义。弹性波在孔隙介质中传播时发生频散和衰减的主要原因是孔隙介质中固相与流相的相对运动造成,主要包括宏观全局流动,微观喷射流动及中观局部流动。本文将孔隙介质中三种尺度流体流动对弹性波传播的影响综合到一个理论模型当中。模型将孔隙介质等效表示为“十字型”结构,由固体骨架和两种孔隙流体组成,其中“十字型”内部和外部分别由不同性质流体饱和。基于弹性动力学机制,从基本的势能,动能和耗散函数出发,推导了该模型的波动方程,应用平面波分析法得到了弹性波的复波数,得到了三类波速度和逆品质因子的解,最后通过数值计算,分析了不同参数条件下,弹性波传播速度和衰减等传播特征。油气地震勘探的弹性波为低频,频率范围一般在5Hz至2kHz之间。而海底声学探测技术所采用弹性波频率一般为5kHz到数百kHz。因此,本文研究了1～10～8Hz频段内不同物性参数时弹性波的频散和衰减特征。

关键词： 界面追踪   相场模型   移动接触线模型   表面活性剂   孔隙尺度  

摘要： 多孔介质内两相流现象广泛存在于油气田开发中,深刻认识其流动特征对油气田开发具有重要意义。多孔介质两相流现象具有典型的多尺度特征,达西定律是从宏观尺度描述多孔介质内流动,不能直接刻画多孔介质结构和油水在孔隙内的流动过程,因此有必要从孔隙尺度探究多孔介质内两相流动机理。本文基于相场模型和Navier-Stokes方程建立了一套孔隙尺度两相流数值模拟理论和方法,研究了多孔介质内的渗流规律,主要结论如下:首先,基于标量辅助变量法构建了相场两相流模型线性解耦的数值格式,并严格证明了提出的数值格式的无条件稳定性,且数值结果表明新的数值格式比传统的数值算法更加精确。第二,基于热力学第一定律、昂萨格变分原理以及相应的热力学关系式推导出相场移动接触线模型。考虑两种相场移动接触线模型:基于纳威边界条件的等密度相场移动接触线模型和基于一般纳威边界的变密度相场移动接触线模型。针对等密度模型,采用标量变量法和稳定法构造了线性解耦的数值格式,针对变密度模型构造了非线性耦合的数值格式,并严格证明了上述数值格式的无条件稳定性。数值结果表明在相同网格精度和时间步长下新的数值算法计算效率和精度更高。第三,提出了相场表面活性剂两相流模型高效稳定的数值算法。考虑等密度和变密度的相场表面活性剂两相流模型,分别构造了一阶线性解耦的数值格式和一阶线性耦合的数值格式,并在此基础上提出了的高阶数值格式。一阶的数值格式具有无条件稳定性而高阶格式是有条件稳定的。数值结果表明构造的数值算法可以很好的模拟表面活性剂在两相界面吸附和降低界面张力的性质。第四,提出了相场表面活性剂移动接触线模型,并基于热力学平衡推导出表面活性剂的吸附平衡性质以及状态方程。采用标量辅助变量法和稳定法构造了非线性耦合但是具有能量稳定性的数值算法。利用提出的模型和数值算法研究表面活性剂对化学非均质壁面上液滴运动的影响,观察到液滴三种不同的运动模式并给出了判别运动模式的相图。采用孔隙尺度两相流模型和提出的数值算法研究了特高含水期数字岩心内剩余油流动规律以及多孔介质内渗吸过程,并提出了对渗吸过程所属的不同流域进行划分的能量毛细数和相图,且对前缘形态进行定量分析验证提出的能量毛细数和相图的正确性。

关键词： 纳米级孔隙   过渡流   瓦斯运移机制   微观边界限制   视渗透率  

摘要： 煤体是具有复杂孔隙结构的多孔介质,内部既有微纳尺度孔隙,也有毫米级的裂隙,其中纳米级孔隙数量和结构丰富。由于煤体纳米级孔隙尺度、瓦斯压力和游离态分子扩散效应的影响,微纳尺度孔隙中仍存在着多种气体传输机制。目前,针对连续流区和滑移流区的气体运移研究较为深入,但针对过渡流区的气体流动研究较少,认识不清,关键性因素考虑欠缺,造成许多理论模型难以应用于工程实际,存在着理论计算与实际情况相差较大的现象。因此,深入研究微纳尺度孔隙中过渡流的传输机理显得尤为迫切。论文基于微观边界限制,建立了微纳尺度孔道内气体分子的有效平均自由程模型:=1+9)?;基于Beskok-Karniadakis提出的过渡流气体传输模型,结合孔道内游离态分子传输模型和修正后的气体分子平均自由程,建立了考虑微观边界限制的纳米孔气体流动模型,推导出过渡流区气体流动的等效视渗透率模型;利用扫描电镜考察了定制的阳极氧化铝薄膜孔隙结构,结合MATLAB最大稳定极值区域算法,采用薄膜等效直径与孔隙率,量化表征了薄膜扫描电镜图像纳米级孔隙;利用气体渗透法孔径分析仪（PMI）,开展了不同稀薄程度气体下阳极氧化铝薄膜穿透实验,验证了考虑微观边界限制的纳米孔气体流动模型。研究结果表明:未考虑微观边界限制效应的微纳尺度孔隙中分子平均自由程比考虑的偏大,直接导致努森数的值也偏大;定制阳极氧化铝薄膜纳米孔的理论半径与等效半径相差较大,MATLAB最大稳定极值区域算法更准确、可靠;在0.3MPa～0.7MPa压力范围内,孔径越小,流量增率越大;微纳尺度孔隙的特征尺寸通常和分子平均自由程在相同数量级,孔隙尺度对分子平均自由程影响较大,因此有必要考虑微观边界限制对纳米孔隙气体流动的影响;传统气体渗流模型计算结果与实验结果相差较大,新建的纳米孔气体传输模型结果与实验结果更为相近,更准确,新模型可描述不同稀薄程度气体流动规律。研究结果可为低渗煤层高效抽采瓦斯以及煤层气开发提供理论支撑。

关键词： 孔隙尺度   X射线断层扫描   Navier-Stokes方程   格子Boltzmann   土壤孔隙   水运移  

摘要： 土壤水运移控制着陆地生态系统中几乎所有的物理和生物地球化学过程,对土壤水运移的研究具有非常重要的意义。土壤水运移发生在土壤孔隙中,但多数研究都是基于宏观数值模型,往往忽略微观特征。实际上,宏观现象是所有孔隙尺度过程的综合,因此孔隙尺度过程的模拟对于改善宏观模型以及了解土壤水运移微观机理至关重要。孔隙尺度模拟方法的发展加深了人们对水运移规律及水运移情况的了解掌握,但目前针对高密度比不混溶流体的方法还存在短板,并且鲜见用于真实土壤结构中接触角以及人为耕作活动对土壤水影响的研究。针对这些问题,本文采用孔隙尺度模拟方法结合X射线断层扫描技术开展了以下研究工作:1.提出了应用孔隙尺度Navier-Stokes方法模拟非饱和土壤水运移(水流模型),此方法在确定孔隙几何结构中的水分布,水-空气界面固定在空间的前提下,直接求解将水-空气界面视为边界的Navier-Stokes方程来数值模拟水运移。水流模型的正确性通过防滑固体壁上薄水膜流动的解析解进行了验证,然后采用提出的水流模型结合形态学模型模拟了3D土壤结构中的水运移,计算了不同饱和度下的渗透率,并与通过van Genuchten公式估算的渗透率进行了良好的拟合。2.采用非饱和土壤水运移格子Boltzmann方法结合X射线断层扫描技术,模拟了两个土样中不同接触角的孔隙水运移及重分布,分析了接触角对孔隙水分布状态的影响。结果表明:在接触角较小的土壤中,液态水会优先填充直径较小的孔隙,排挤出空气,使空气在大孔隙中汇集形成气泡;土壤中液-固界面面积随接触角减小而增大,气-固界面面积则刚好相反;液体输运通道直径随接触角减小而变小,气体输运通道直径则随接触角的减小先增大,后减小;土壤中固相表面的水密度最大,液态水的密度随接触角变化很小,但水蒸气密度随接触角减小显著降低;接触角较大时,饱和度对水蒸气密度无明显影响;接触角较小时,饱和度的增大会显著提高水蒸气的密度。3.在三种土壤质地类型的背景下,三种长期田间耕作系统的土壤通过X射线断层扫描技术在三维实现可视化并定量分析孔隙系统性质,然后采用饱和土壤水运移格子Boltzmann方法模拟计算了不同结构土壤的渗透率。结果表明:在微米尺度上,与免耕地土壤相比,草地和耕地导致粘土的孔隙率显著增加,连通性更高,并且植物的覆盖也是产生这种影响的主要因素;然而对于砂土,耕作和植物的覆盖对土壤结构没有明显影响;肥料可以促进耕作对土壤结构的影响,肥料种类影响促进程度。渗透率计算结果表明:在微米尺度上,耕作和植物覆盖对三种质地土壤渗透率都有明显影响;从土壤渗透率情况可以看出肥料并非全部促进耕作对土壤渗透率影响。综合不同土壤质地下土壤特性的情况得知,耕作方式对土壤特性的影响与土壤质地有关。通过本文的研究,从微观机理方面揭示了土壤水运移的规律及影响因素,为进一步模拟土壤中流体运动及物质迁移提供基础,并为土壤水资源研究及优化农业生产提供理论指导。对了解和研究其它多孔介质中流体情况也有非常重要的指导意义。

关键词： 多相流   相场模型   格子Boltzmann方法   部分混溶   孔隙尺度   提高采收率  

摘要： 碳捕获、封存与利用(CCUS)技术是我国低碳经济发展的重要选择。特别是二氧化碳强化采油技术不仅能够实现大规模碳封存,而且符合我国非常规油气开发的现实需求,因此成为CCUS技术的主要发展方向。在二氧化碳强化采油过程中,一个关键科学问题是理解孔隙尺度内部多相多组分流体的流动机理。由于微尺度实验难以采集多孔介质内部流体流动信息,孔隙尺度数值模拟成为渗流微观流动机理研究的一个重要研究手段。在孔隙尺度数值模拟中,格子Boltzmann(LB)方法由于容易处理复杂固体边界和高效并行的优势得到了广泛的关注和应用。但是,目前LB多相流模型在相界面捕捉的准确性和数值稳定性两方面仍然存在不足。本文在理论分析的基础上,首先完善和发展了LB多相流数值方法,然后以二氧化碳强化采油为应用背景,探讨了孔隙尺度内非混相和部分混相驱替过程中提高采收率的微观机理。本文主要研究内容和成果如下:1、通过对现有Cahn-Hilliard(CH)的LB模型进行了高阶多尺度展开分析,确定了恢复的宏观方程和目标CH方程的高阶误差项,通过消除主要误差项,提高了LB方法捕捉相界面的准确性。考虑相场方程描述静止液滴时可能出现的液滴自发消失现象以及壁面润湿性对孔隙尺度两相流的重要性,理论分析了壁面润湿性对液滴消失行为的影响。结果表明,接触角越小,界面厚度越大,计算区域越大,液滴消失的临界半径越大。2、鉴于表面张力作用力对两相界面行为具有关键的影响,然而目前相场LB模型中存在多种表面张力作用力模型,包括张量形式、势能形式、压力形式和水平集形式,如何选取合适的表面作用力模型目前还缺少研究。通过一系列标准算例比较了各种表面张力作用力模型的优势和不足。结果表明,对于稳态和小界面变形问题,势能形式在捕捉界面位置和虚假速度方面表现的更好;对于运动和大界面变形问题,张量形式在捕捉界面位置方面表现的更好。3、鉴于现有相场LB模型中序参量易超出其物理范围以及模拟两相密度比较小的问题,建立了两相多松弛LB模型。该模型能够维持序参量在合理范围之内,更准确地捕捉相界面特征,因此具有更好的数值稳定性。数值结果表明,该模型能够实现密度比高达1000的两相流问题。然后应用该模型研究了单个液滴穿过狭长喉道的动力学行为。结果表明,在亲水条件下,液滴在喉道上表面,喉道内部以及喉道下表面存在四种液滴破裂行为并导致小液滴滞留,其中喉内破裂后的小液滴不受重力影响,只和表面张力和润湿性有关;在疏水条件下,液滴不发生破裂并且总能够通过喉道。4、鉴于二氧化碳地质封存及强化采油过程中可能发生的部分混溶现象,建立了两相两组分部分混溶流体系统的数学模型。除了流动方程外,该模型还包括描述组分演化过程的守恒相场方程和描述相体积分数演化过程的非守恒相场方程,基于该数学模型建立了能够准确恢复控制方程的LB数值方法。该方法能够重现二氧化碳气泡在欠饱和溶液中的溶解现象以及二氧化碳气泡在过饱和溶液中的析出现象。最后,应用该模型模拟了基于真实岩心的均匀孔隙结构和裂缝孔隙结构内的部分混溶驱替过程,重点研究了二氧化碳溶解原油并降低原油粘度的作用。结果表明,对于高渗透率均匀孔隙结构,二氧化碳驱油能够有效提高原油采收率;对于低渗透率裂缝孔隙结构,二氧化碳驱油对原油采收率几乎没有影响。综上所述,本文从相界面捕捉的准确性和数值稳定性两方面改善和发展了现有的相场LB模型。通过研究单个液滴通过喉道的动力学行为和二氧化碳在多孔介质内的部分混溶驱替过程探讨了孔隙尺度内微观流动机理,模拟结果对发展提高二氧化碳封存量和非常规油气藏采收率技术具有一定指导意义。