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2021年, 第38卷, 第5期
刊出日期：2021-09-25 上一期    下一期
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专题：多孔介质毛细动力学研究

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多孔介质自发渗吸关键问题与思考 蔡建超 2021, 38(5): 505-512.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8440 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(5505KB) ( )   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。

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不同边界条件下的渗吸驱动因素 张震杰, 冯建园, 蔡建超, 陈康力, 孟庆帮 2021, 38(5): 513-520.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8391 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(3459KB) ( )   建立不同边界条件下的渗吸数学模型, 分别研究在单一边界(OEO边界条件)和混合边界条件(TEO-OW边界条件)下重力和毛管压力对渗吸作用的驱动。结果表明: OEO边界条件下, 只存在逆向渗吸, 并且当开启端面在下端时, 重力抑制渗吸进行; 当开启端面在上端时, 重力促进渗吸进行; TEO-OW边界条件下, 同时存在逆向渗吸和同向渗吸, 对于逆向渗吸, 重力是阻力, 对于同向渗吸, 重力是动力, 当Bond数倒数较小时, 重力在渗吸作用中占主导地位, 当Bond数倒数较大时, 毛管力占主导地位。对比OEO开启端面在上端时和TEO-OW边界条件下重力和毛管力对渗吸作用的大小。结果显示, 在相同Bond数倒数下, OEO边界条件下重力作用的渗吸排油比例要高于TEO-OW边界条件下重力作用的渗吸排油比例。对比不同Bond数倒数下OEO和TEO-OW渗吸速度发现, 当Bond数倒数较小时, 重力起主导作用, OEO边界渗吸速度更快; 当Bond数倒数较大时, 毛管力起主导作用, TEO-OW边界条件渗吸速度更快。

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基于Tolman长度的Lucas-Washburn渗吸模型改进及数值模拟 王俊捷, 寇继生, 蔡建超, 潘益鑫, 钟振 2021, 38(5): 521-533.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8347 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(5555KB) ( )   经典的Lucas-Washburn(L-W)渗吸模型用Young-Laplace方程计算毛管压力, 但该方程在管径细小情形得出的毛管压力值与真实值存在较大偏差。本文运用Tolman长度改进Young-Laplace方程, 提出一种改进的L-W渗吸模型, 并将等截面圆管扩展至任意变化截面圆管, 得到变截面圆管中润湿流体注入长度随时间变化的数学模型。该模型为二阶非线性常微分方程, 无法求出解析解, 为此提出一种数值解法。选取截面变化的毛细管道, 通过数值模拟计算出润湿液体注入长度与时间的对应关系, 对Tolman长度的改进效果进行检验和分析。结果表明: 在研究范围内Tolman长度对L-W渗吸模型的改进效果表现出毛细管道半径越小, 效果越明显的规律。圆管局部缩小能改变渗吸水运动状态, 依次呈现出三种运动模式; 圆管局部扩大会缓慢改变渗吸水运动状态, 只呈现单一运动模式。

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基于LB方法的非均质砂质砾岩渗吸规律数值模拟 杨柳, 高敬威, 郑元涵, 李晓梅, 张云帆 2021, 38(5): 534-542.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8346 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(10386KB) ( )   采用随机四参数法对非均质砂质砾岩孔隙结构进行重构, 基于改进的SC-LBM(Shan-Chen格子玻尔兹曼)模型研究润湿流体在多孔介质中的渗吸行为。结果表明: 初始阶段的界面动力学与孔隙骨架的排列有很大关系, 会形成以基质为主的渗吸界面; 流体流经孔喉部分时, 流动断面瞬间缩小, 导致压力梯度和流动阻力迅速增加, 孔吼压力的存在导致流动断面瞬间缩小, 提高了流动阻力, 说明孔隙半径变化对渗吸速率影响较大; 后期阶段, 润湿流体会形成优势渗吸通道, 降低了波及面积, 大幅度降低了渗吸驱油速率。研究结果有助于理解流体在非均质孔隙中的自发渗吸规律, 对发挥裂缝性致密油藏渗吸驱油作用具有重要意义。

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分支通道内液-液自发渗吸规律研究 郑江韬, 贾宁洪, 胡慧芳, 杨勇, 鞠杨, 王沫然 2021, 38(5): 543-554.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8330 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(13527KB) ( )   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。

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彭水地区龙马溪组页岩渗吸规律及渗吸动态分布 朱云轩, 李治平 2021, 38(5): 555-564.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8394 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(10160KB) ( )   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。

专题: 多孔介质毛细动力学研究

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川南龙马溪组页岩储层水相渗吸规律 郭建春, 陶亮, 陈迟, 赵玉航, 何颂根, 刘彧轩 2021, 38(5): 565-572.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8313 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(7221KB) ( )   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。

专题：多孔介质毛细动力学研究

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基于VOF方法的水驱油藏孔隙尺度剩余油分布状态研究 魏祥祥, 冯其红, 张先敏, 黄迎松, 刘丽杰 2021, 38(5): 573-584.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8324 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(22248KB) ( )   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。

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基于水平集方法的低渗砂岩数字岩心气水两相渗流模拟 赵玉龙, 周厚杰, 李洪玺, 文涛, 张芮菡, 张烈辉 2021, 38(5): 585-594.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8322 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(19177KB) ( )   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。

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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 曹仁义, 黄涛, 程林松, 高占武, 贾志豪 2021, 38(5): 595-602.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8316 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(16042KB) ( )   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。

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纳米尺度下毛细流动的分子动力学模拟 阿湖宝, 杨志兵, 胡冉, 陈益峰 2021, 38(5): 603-611.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8366 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(2402KB) ( )   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。

研究论文

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基于局部基本解法的静电场仿真分析 王超, 王发杰, 谷岩, 王晓 2021, 38(5): 612-622.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8308 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(7500KB) ( )   将局部基本解方法应用于静电场问题的模拟与分析。局部基本解方法是利用控制方程的基本解，基于局部理论和移动最小二乘原理提出的一种无网格算法。相比于有限元和有限差分等传统网格类方法，该方法仅需离散节点，避免了复杂的网格剖分难题。作为一种半解析数值技术，物理问题的基本解被作为插值基函数建立数值离散模型，从而保证了算法的较高精度。此外，与具有全局离散格式的无网格方法相比，局部基本解法更适用于高维复杂几何和大尺度模拟。二维和三维数值试验表明，该方法具有实施方便灵活，计算精度高和计算速度快等优势。为静电场仿真研究开辟新的途径，拓展了局部基本解方法的应用领域。

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随机多孔介质的蒙特卡罗重构与渗流特性模拟 王敏, 申玉清, 陈震宇, 徐鹏 2021, 38(5): 623-630.  DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8315 摘要 ( )   HTML ( )   PDF(18017KB) ( )   根据多孔介质微观结构的分形尺度标度特征，采用蒙特卡罗方法分别重构随机多孔介质的微观颗粒和孔隙结构，并基于分形毛管束模型研究多尺度多孔介质的气体渗流特性，建立多孔介质微观结构和宏观渗流特性的定量关系。结果表明：分形蒙特卡罗重构的多孔介质微细结构接近真实介质结构，气体渗流特性的计算结果与格子玻尔兹曼模拟数据较为吻合; 多孔介质气体渗透率随着克努森数的增加而增大，孔隙分形维数对于气体渗流的微尺度效应具有显著影响，而迂曲度分形维数对于表观渗透率和固有渗透率的比值影响可以忽略。提出的分形蒙特卡罗方法具有收敛速度快且计算误差与维数无关的优点，有利于深入理解多尺度多孔介质的渗流机理。