基于界面追踪的黏弹性流体微观流动模拟

特高含水期后期,地层剩余油主要以油膜、盲端残余油等形态存在,水驱开发效果变差,采用黏弹性流体驱替是当前提高采收率的有效方法.为探索黏弹性流体驱替残余油的水动力学机理,基于N-S方程模拟黏弹性流体在微孔道内流动.采用Oldroyd-B本构方程描述流体的黏弹性,运用相场方法实时追踪驱替过程中两相界面.分别研究壁面油膜在黏弹性流体驱替下的运动和变形,黏弹性流体对盲端残余油的驱替效果,并分析残余油微观受力状况.采用有限元方法对模型进行求解,并验证模型与求解的正确性.研究结果表明:黏弹性流体可以有效驱动壁面油膜运动,相同注入流量下,黏弹性流体作用于壁面油膜上的水平应力差远大于水;作用于油膜上的法向应力分布不均匀导致油膜发生较大变形.同时黏弹性流体在盲端内的波及边界更深,有利于引发盲端残余油的运动,提高残余油采收率.黏弹性流体驱替对水湿油藏开发增产效果更明显.该研究初步揭示了黏弹性流体驱替残余油的水动力机理,为油田三次采油提供有效指导.     

特高含水期剩余油分布及形成机理

目前我国东部老油区普遍进入特高含水阶段,水驱开发效果变差,采收率明显下降,有效挖掘剩余油潜力是当前开发的重点所在.特高含水期油相主要以非连续状态存在于孔隙空间内,基于宏观认识的达西定律很难准确描述地下剩余油的真实流动状态.为摸清特高含水期剩余油分布状况,研究剩余油形成机理并挖掘剩余油潜力,基于N-S方程模拟油水两相在微尺度多孔介质内流动,运用相场方法实时追踪驱替过程中的两相界面,建立微观流动模型.研究特高含水期剩余油分布,并从力学角度分析残余油形成机理.结果表明特高含水期多孔介质内剩余油主要可以分为5种类型:孤立油滴、孔喉残余油、簇状非均质残余油、油膜、盲端残余油.毛管力,孔隙结构以及壁面润湿性是影响特高含水期剩余油的分布与类型的主要因素.孔隙尺度流动模拟得到的水驱曲线与矿场规律基本一致.特高含水期增注与注入表面活性剂均是通过驱替出簇状非均质剩余油,孔喉残余油以及孤立油滴达到提高剩余油采收程度的目的.簇状非均质剩余油的减少是采收程度提高的主要原因.矿场增注时机对经济开发有重要影响.该研究初步揭示了特高含水期剩余油分布及形成机理,为水驱油藏的后期开发提供有效指导.     

高含水期水驱特征曲线上翘机理及其影响因素

水驱特征曲线对预测水驱油藏可采储量及开发动态具有重要作用,其理论推导的基础是油水相对渗透率比值(K_(ro)/K_(rw))与含水饱和度(S_w)在半对数坐标下呈线性关系.然而大量矿场实践及岩心实验研究显示,油田开发进入高含水期后, K_(ro)/K_(rw)与S_w在半对数坐标下偏离直线关系,导致水驱特征曲线出现上翘现象而无法准确预测开发动态.为摸清水驱特征曲线上翘的本质原因,本研究基于Navier-Stokes方程模拟油水两相在微观多孔介质中的驱替过程,采用相场方法实时描述油水两相界面变化.通过微观油水两相数值模拟研究了壁面润湿性、油水黏度比等因素对油水在高含水阶段流动状态的影响,并分析了这些因素对K_(ro)/K_(rw)与S_w在半对数坐标下偏离直线关系时临界含水率的影响.研究结果表明,高含水期剩余油由连续相转变为非连续相,油相流动能力快速下降是水驱特征曲线出现上翘的内在原因;临界含水率在不同润湿性多孔介质内存在差异,渗吸作用导致水湿多孔介质中的临界含水率高于油湿多孔介质;高油水黏度比条件下的黏性指进现象会强化注入水的无效驱替,使水驱特征曲线在相对较低含水率时偏离直线.该研究初步揭示了油藏润湿性及油水黏度比对水驱特征曲线上翘拐点的影响,为高含水油藏开发提供有效指导.     

现代油气渗流力学体系及其发展趋势

油气渗流是油气藏开采的科学核心问题,以连续介质假设和达西方程为基础的传统渗流力学在常规油气资源开发中发挥了重要作用.近年来,非常规油气藏成为油气行业勘探开发的主要阵地,其开发理论和技术尤其是渗流问题也成为学术界研究的热点问题.非常规油气藏其岩石多孔介质具有明显的多尺度特征,尺度差异达到6个数量级之多,而且采用大规模的水平井分段压裂开发模式,储层应力强烈作用.因此,传统的油气渗流理论已无法准确描述非常规油气藏的流动特征.实质上,非常规油气资源的开发过程是一个典型的多场作用下的多流动模式的多相流体(油气水)在多尺度多孔介质的流动过程.为此,本文提出了"多场作用下的多流动模式的多相流体在多尺度多孔介质中流动动力学体系"的现代渗流力学体系的概念,并从纳微尺度油气流动模拟、流动模拟的多尺度升级、非常规油气藏的宏观流动模拟、大尺度缝洞碳酸盐岩油藏的流动模拟以及油气渗流物理模拟等方面系统阐述了其研究现状及发展趋势.     

一个新颖的中空纤维人工肾传质理论模型

介绍了一个新颖的中空纤维人工肾传质理论模型. 在模型中, 人工肾看成是一个由两个不相连通的多孔流动区域组成的多孔介质区域. 首先, 将透析液流动区域看成是一个多孔介质区域; 然后固定透析液流动区域和纤维膜所占区域, 人工肾中剩下的区域(也就是血液流动区域)也看成是一个多孔介质区域; 最后, 这两个多孔流动区域的交界面是纤维膜, 通过纤维膜进行质量交换. 透析液流动和血液流动均用带Darcy动量源项的Navier-Stokes方程描述, Kedem-Katchalsky方程作为其他的源项加进Navier-Stokes方程模拟通过纤维膜的渗透流. 计算过程中所有方程耦合求解, 模型被文献中的实验数据验证. 模拟结果显示, 模型预测的人工肾清除率与文献中的实验数据吻合, 并且优于其他模型对清除率的预测.     

聚合物驱数学模型、参数模型的建立与机理研究

聚合物驱是“八五”期间在我国大多数油田推广应用的一种提高原油采收率技术,数值模拟是聚合物驱油技术中重要的配套技术。目前模拟聚合物驱通常采用改进的黑油模型和各种化学驱组分模型,前者对许多重要的物化现象不能模拟;而后者主要是针对表面活性剂     

SDS在水溶液中聚集的自扩散的NMR研究

目前在强化采油工艺中使用复合驱替液是一个有效的措施.因为它能改变多孔岩石中地下水、油和岩石中微细孔道表面间的界面性质,从而达到最大的驱替效果.这种复合驱替液包含着一定量的表面活性剂和水溶性的高聚物.表面活性物在水溶液中有自发聚集的性质,在驱油过程中可产生油-水间的超低界面张力(IFT),从而提高驱替效果.核磁共振(NMR)技术可以同时测量多组分体系中的不同种类的分子在溶液中的Brown运动的信息(即自扩散系数),从而得到聚集体的大小和聚集过程的信息,这对研究超低IFT的产生过程,从而有目的的改进工艺、提高驱油效率、降低成本有很大意义.传统的用NMR测量自扩散系数的方法是用梯度场-自旋回波(PGSE)的方法,由于自旋回波存在以下几个缺点:(ⅰ)由于脉冲期间磁化强度矢量在横向演化,所以自旋弛豫是依赖T_2弛豫过程.(ⅱ)当自旋耦合存在时,回波将受到J-耦合的调制,使谱图发生畸变.(ⅲ)引进第一个梯度脉冲之时会产生涡流,从而使     

Biot和喷射流动耦合作用对各向异性弹性波的影响

考虑双相各向异性介质中固－流相对运动速度的各向异性，从流体质量守衡的基本原理和双向各向异性介质中的弹性波动力学方程出发，利用Ｄｖｏｒｋｉｎ等一维孔隙各向同性ＢＩＳＱ模型的思想，建立了双相各向异性介质中同时包含Ｂｉｏｔ和喷射流动机制的弹性波方程，同时考虑Ｂｉｏｔ和喷射流动作用过程时横向各向同性双相介质中波的频散和衰减数值结果表明：拟压缩波和拟ＳＶ波的衰减强烈依赖于渗透率各向异性，且高频、低频时的衰减     

格子Boltzmann方法的工程热物理应用

格子Boltzmann方法在过去的20年里已经发展成为一种有效的数值模拟方法, 它是介于微观分子动力学方法和基于连续介质假设的宏观方法之间的一种介观方法. 该方法与传统的流体模拟方法不同, 它基于分子动理论, 通过跟踪粒子分布函数的输运而后对分布函数求矩来获得宏观平均特性. 基于本课题成员的一些工作, 本文对格子Boltzmann方法在工程热物理领域中研究进展做了简要回顾, 包括: (1) 格子Boltzmann方法的发展简介; (2) 沿着Boltzmann方程 —— Maxwell分布 —— Boltzmann-BGK方程 —— 格子Boltzmann-BGK方程这一主线对格子Boltzmann方法的基础理论和基本模型做了简要介绍; (3) 在格子Boltzmann方法的模型发展方面, 介绍了用于理想气体可压缩流动与传热的耦合双分布函数模型和用于非平衡态气体流动模拟的格子Boltzmann模型. 在格子Boltzmann方法的边界处理方面, 介绍了反弹与镜面漫反射格式及质量修正格式. 在格子Boltzmann方法的计算格式方面, 介绍了显式-隐式有限差分格式, 该格式能够有效地提高计算效率; (4) 在格子Boltzmann方法的应用方面, 着重对其在交变流动、可压缩流动、多孔介质流动、微尺度气体流动及热声中的应用做了详细介绍; 最后指出了格子Boltzmann方法在工程热物理领域中需要进一步研究的内容.     

低渗透多孔介质和微管液体流动尺度效应

常规多孔介质和圆管中液体的流动都遵循Hagen-Poisseuille定理,即液体流速和压力梯度成正比.而对于低渗透多孔介质中液体渗流,存在拟启动压力梯度,即存在微尺度效应.那么对于微圆管,由于流动的通道具有较小的空间尺度,因此在物理本质上,也应该存在微尺度效应,但由于目前实验手段的局限,还未能证明这一点.本文通过对比和分析低渗透多孔介质和微管中液体流动规律,预测了微管中液体流动出现微尺度效应的尺度约为1微米.     

基于格子Boltzmann方法的复杂多孔介质内双扩散效应的对流传热传质机理研究

基于TD2G9不可压格子Boltzmnann模型, 通过引入第3个分布函数表征浓度场的演化, 并在标准演化方程后附加源项, 构造了用于模拟多孔介质内在多物理场(浓度场, 温度场)下交叉耦合效应的自然对流传热传质格子Boltzmann模型. 基于非平衡态不可逆热力学的基本原理, 引入Boussinesq假设, 在考虑了耦合扩散效应的基础上建立了可用于描述多物理场耦合效应下的自然对流传热传质的控制方程. 采用提出的格子Boltzmann模型结合多孔介质构造算法从孔隙尺度对规则以及随机多孔介质内双扩散效应的自然对流传热传质过程进行了模拟, 研究了不同瑞利数Ra, 不同孔隙率下的多孔介质内传热传质特征, 考察了温度梯度等因素对多孔介质内传质过程的影响, 创新地从孔隙尺度对多孔介质内的耦合对流扩散过程的传热传质机理进行了研究.     

内陆浅层咸水区渗透性变异过程

选取鲁北平原区浅层粉土、浅层咸水和大气降水为供试材料,进行室内雨水-咸水驱替试验,研究驱替过程中的含水介质渗透性变化特征,探讨内陆浅层咸水区水动力、水文地球化学过程对含水层渗透性变异影响.试验结果表明:雨水驱替咸水饱和土柱过程中,随雨水注入,盐分突变,渗透系数由开始的6.49×10-4 cm/s最终降至2.28×10-4 cm/s,并维持相对稳定;第188天后咸水再次驱替土柱,且完全穿透土柱后,含水介质孔隙度由开始的43.02%降至39.73%;在雨水驱替过程中,驱替液黏滞性变化是影响渗透系数变化的因素之一.研究认为,内陆咸水区含水介质黏土矿物含量高,水化学与水动力学条件发生变化,Ca/Mg-Na的离子交换作用、黏粒大量膨胀和释放、扩散引起孔隙度降低是造成含水介质的渗透性下降的主因,咸雨水驱替过程中渗透性的变化具有不可逆性.含水介质水文地质参数的变异对于内陆浅层咸水形成和演化有重要影响.     

提高抑制流动分离能力的等离子体冲击流动控制原理

由于介质阻挡放电等离子体气动激励诱导的气流速度及其抑制流动分离的能力难以显著提升, 因此研究新的技术途径提高等离子体气动激励抑制流动分离的能力是十分必要的. 提出基于冲击气动激励的等离子体冲击流动控制原理, 包括冲击激励、涡流控制、频率耦合等内涵, 通过理论研究、实验和数值仿真, 研究了等离子体冲击气动激励机理, 以及等离子体冲击气动激励提高抑制流动分离能力的原理, 并在100 m/s来流速度下验证了等离子体冲击流动控制原理的有效性.     

体育场馆火灾烟气运动数值模拟中发现的2个典型现象

通过求解流体Navier-Stokes方程对一综合体育馆火灾场景进行了数值模拟. 模拟湍流采用Smagorinsky大涡模拟方法, 模拟燃烧采用混合比例燃烧模型, 对火灾工况下的流体流动做了低马赫数假设. 通过对数值计算结果揭示的流场速度、温度、组分浓度等物理量的的分析, 发现在火灾发生后, 利用自然通风或机械通风排烟过程中, 存在门效应和烟气堵塞两种不利于烟气控制的重要现象. 在这两种效应的作用下, 不合理的通风口位置, 甚至机械通风的引入都可能导致排烟效果的恶化. 分析了两种效应的产生原因和作用机理, 最后对消除这两种现象提出了参考性体育场馆火灾通风设计.     

气液驱替法提高燃料电池输出功率初探

本文介绍了多孔电极的一种新的工作方式，在周期性的压力作用下，通过气液两相在多孔电极内的驱替运动，在多孔电极内表面形成有利于气体参与反应的三相界面，并促进反应物的补充和生成物的排泄，使电极能在高电流密度下工作，最终提高燃料电池单位体积的输出功率。本文论述了这种工作方式的基本原理并给出了估算输出电流的方法。     

流体流动场协同原理及其在减阻中的应用

为了分析流体流动过程, 降低流动阻力, 提出了流动速度与速度梯度在整个流动区域内协同的概念, 认为流体在流动过程中所受的阻力不仅受流动速度和速度梯度的影响, 同时也取决于它们之间的协同程度. 在此基础上, 提出了流体流动过程中的最小机械能耗散原理, 认为在整个流动区域内, 流动速度与速度梯度的协同程度越低, 流体流动过程中的黏性耗散越小, 流体阻力也越小. 同时, 根据最小机械能耗散原理, 在一定约束条件下对黏性耗散函数求极值, 获得了流体流动场协同方程, 求解场协同方程获得了最佳流场, 使流体在流动过程中的黏性耗散取最小值, 流动阻力最低. 最后, 以并联管路的流量分配为例, 根据最小机械能耗散原理对速度分配器进行了优化设计, 降低流体在并联管路中的流动阻力.     

螺旋通道内流体流动与传热特性研究进展

螺旋通道是提高流体传热及传质效率的重要结构,以其节省空间及易于加工的特点被广泛应用.而通道内流体的流动和传热特性作为评价螺旋通道的重要性质,对其实际应用具有重要的指导意义,成为近年来的研究热点.而研究重点主要集中在螺旋通道的结构参数和流动工质两个方面,本文对螺旋通道内流体流动与传热特性研究进行综述,总结了螺旋通道结构及流动工质对其性能的影响规律;具体分析了螺旋通道直径、管径、螺距、截面形状等结构参数以及流动工质种类、浓度等物性参数对其传热系数和流动阻力的影响;对比了层流及湍流状态下实验和数值模拟结论;为螺旋通道结构优化及工质选取提供了参考,并且展望了螺旋通道内流体流动及传热特性研究的发展趋势.     

二氧化碳气体的流动及反应特性研究: 从微管到多孔介质

用5 μm微管、人造岩心及天然岩心研究了CO₂气体的流动特性及与岩心作用后对渗透率的影响规律. 结果表明, CO₂气体在微管中的流动速度明显比N₂快; CO₂在饱和水的岩心(含碳酸盐)中流动时, 其渗透率随着注入量的增加而增大, 表明CO₂的溶蚀作用导致了岩心孔径的增加, 用扫描电子显微镜(SEM)也验证了溶蚀扩孔作用. CO₂气体在微管中具有较高的流速是由于尺度效应和压缩效应的综合反映, 而其在水中溶解引起的界面层水分子扩散速度增大, 导致孔隙壁面的水膜厚度减小, 其水溶液流动的有效孔径增大. 上述两种结果表明, CO₂在驱油过程中具有良好的注入能力, 是低渗储层开发过程中能量补充的一种很好的驱替流体, 但也造成其在地层中窜流或散逸的可能性增大.     

强化采油驱动问题的特征混合元及其最佳阶L~2误差估计

本文研究二维、多组分、多相、不可压缩混合流体组成的注化学溶液(如表面活性剂、醇、聚合物)强化采油数值模拟.油田经注水开采后,油藏中仍残留大量的原油,在注入液中加入某些化学添加剂则可大大改善注入液的驱洗油能力,大幅度提高采收率.其数学模型是一组非线性偏微分方程组的初、边值问题.国内外已有工程软件应用于试生产,关于简化模型我     

一种基于软硬数据的多孔介质重构方法

多孔介质三维重构对渗流机理的研究具有重要意义, 利用真实的多孔介质三维结构数据将有助于定量描述多孔介质不规则的拓扑结构. 仅使用硬数据或无条件数据时, 多孔介质三维重构的精度不高. 但是, 如果在重构过程中结合使用软数据, 则可以提高重构的准确性. 同时使用软数据和硬数据, 提出了一种利用多点地质统计法重构多孔介质三维结构的方法. 通过比较各重构图像的变差函数和渗透率(由LBM计算得出)发现, 将软硬数据同时作为条件数据时的重构图像与体数据获得的目标图像在结构特征上最为相似.