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.     

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.     

孔隙介质中流体渗流边界演化过程的实验研究

孔隙介质中流体渗流边界形貌的研究对石油开采、核废料处置、地下水污染等工程问题具有十分重要的意义. 以流体在孔隙介质中缓慢渗流为背景, 人工制造了6种孔隙率的孔隙介质(俗称金刚玉), 采用5种不同运动黏度的流体在6种孔隙度的人造孔隙介质中进行渗流实验, 记录了渗流实验过程, 获得了不同黏度、不同孔隙率条件下的流体渗流边界形貌演化图. 估算了流体渗流边界的平均位移和流体边界形貌的分形维数, 获得了平均速度和流体边界分形维数随时间的演化规律, 进一步统计分析了渗流边界平均速度、流体边界形貌演化复杂程度与孔隙率、流体运动黏度之间的关系. 结果显示, 孔隙介质中流体渗流边界形貌是孔隙率和流体运动黏度综合影响的结果.     

环膜液体射流破碎模式与气-液界面的关联性

利用线性不稳定性理论研究了环膜液体射流破碎模式与气-液界面的关联关系. 通过对色散方程的推导和数值求解, 研究了环膜液体射流内外气-液界面半径与两种特殊形式的射流-空心气体射流和实心液体射流之间的关系, 以及各种射流参数对环膜液体射流不稳定性的影响. 研究结果证明了类反对称模式主要与环膜射流的内气-液界面相关联, 而类对称模式主要与外气-液界面相关联. 因此, 虽然射流参数对类反对称模式和类对称模式不稳定性的作用性质相似, 但作用效果的强烈程度不同. 与液相相关的力同时作用于内、外两个气-液界面上, 因而对两种破碎模式的影响均较为显著; 而与内气体介质相关的力主要影响类反对称模式的不稳定性, 外气体介质相关的力主要影响类对称模式的不稳定性, 各种作用力在“穿透”射流液相部分后被大大衰减.     

各向异性双重孔隙介质有效应力定律

通过对双重孔隙介质有效应力的研究, 建立了各向异性双重孔隙介质线弹性变形的有效应力定律. 并在此基础上, 分析了横向各向同性及结构各向异性、固体材料各向同性时的有效应力定律形式. 通过对该有效应力定律进行以下两种简化: (1) 简化成各向同性双重孔隙介质有效应力定律; (2) 简化成各向异性单重孔隙有效应力定律, 并将简化后的模型分别与已有的模型相比较, 说明该模型的合理性.     

双重孔隙介质有效应力定律

通过对双重孔隙介质有效应力的研究, 建立了各向异性双重孔隙介质线弹性变形的有效应力定律. 并在此基础上, 分析了横向各向同性及结构各向异性、固体材料各向同性时的有效应力定律形式. 通过对该有效应力定律进行以下两种简化: (1) 简化成各向同性双重孔隙介质有效应力定律; (2) 简化成各向异性单重孔隙有效应力定律, 并将简化后的模型分别与已有的模型相比较, 说明该模型的合理性.     

基于多尺度混合有限元的离散裂缝两相渗流数值模拟

裂缝性介质通常具有多尺度特征,离散裂缝模型虽具有计算精度高、拟真性好的优点,但传统数值方法在解决此类多尺度流动问题时,难以突破计算量大的瓶颈,不利于实际应用.对此,本文将离散裂缝模型和多尺度混合有限元相结合,仅需进行宏观大尺度计算,通过多尺度基函数来刻画小尺度裂缝精细流动特征,在保证计算精度的同时降低了计算量.在小尺度上,采用模拟有限差分法构建离散裂缝模型的多尺度基函数,该方法不仅具有良好的局部守恒性,而且适用于任何复杂离散裂缝网格.文章详细阐述了离散裂缝模型多尺度混合有限元两相流动数值计算格式的建立,重点介绍了如何使用模拟有限差分法构建离散裂缝模型的多尺度基函数,并采用超样本技术进一步提高计算准确性.数值结果表明,本文计算方法不仅能够准确捕捉离散裂缝性介质中的精细流动特征,而且具有很高的计算效率.     

页岩气渗流数学模型

针对页岩气藏流体运移机理复杂、传统模型难以准确描述的难题,本文综合考虑页岩气在孔隙中的黏性流动、Knudsen扩散以及吸附气的表面扩散和因岩石变形引起的滑移分别建立自由气和吸附气扩散方程,建立页岩气在基质与裂缝中的渗流数学模型,并采用非线性非平衡Langmuir吸附理论分析页岩气渗流过程中的解吸附机理.通过数值模拟方法研究了不同流动机制对页岩气产量的影响,结果表明,吸附气的表面扩散与滑移对页岩气产量的影响均在0.1%以下,可以忽略;黏性流动与Knudsen扩散主导页岩气的渗流;非平衡吸附速率对页岩气产量影响较大,吸附速率越大,产量越大.本文建立的模型能较好地揭示页岩气的复杂渗流机理,并为页岩气藏的开发提供了科学基础.     

微纳通道中牛顿流体毛细流动的研究进展

毛细流动广泛存在于自然科学与工程技术等诸多领域,微纳通道中毛细流动近年来在微纳机电系统、生物医学、环境监测、石油开采、多孔介质渗流等领域获得了广泛应用.描述宏观牛顿流体毛细流动过程的是Lucas-Washburn(LW)模型,该模型在微纳通道中的适用性还没有定论,因而受到国际学术界关注.本文从理论模型、数值模拟和实验研究3个方面综述了微纳通道中牛顿流体毛细流动的研究进展,已有的研究表明需要对毛细流动进行分区讨论:(1)惯性力作用区,流动距离与时间t成正比;(2)黏性力-惯性力作用区,惯性力、毛细力、黏性力均对流动有影响;(3)黏性力作用区,黏性力与毛细力平衡,流动距离与t~(1/2)成正比;(4)竖直管道中还需要考虑重力的影响,存在黏性力-重力作用区.在黏性力作用区,LW模型仍然可以定性描述微纳通道中毛细流动过程,但需要引入动态接触角、气泡、电黏性等影响因素的修正.最后针对目前实验研究中存在的一些问题,总结有待深入研究的方向.另外,本文也对非牛顿流体毛细流动的研究做了简单介绍和展望.     

重力对两维液态泡沫点输入强制渗流的影响

液态泡沫由大量气泡密集堆积在微量表面活性剂溶液中形成, 具有高度有序的结构和独特的流变特性, 是典型的复杂系统, 与常见的固体泡沫和多孔介质截然不同. 影响液态泡沫结构和流变特性的惟一重要因素就是泡沫内部的微量液体. 这些微量液体受重力与毛细管力会在泡沫通道上(柏拉图通道和节点, 亦即Plateau border和vertex)发生渗流, 柏拉图通道和节点也往往同时发生几何拓扑变化, 释放表面能. 该自组织过程是由流体耗散趋于极小和泡沫表面能趋于极小两种机制的相互协调控制的. 重力会影响流体耗散趋于极小趋势的强弱, 进而造成不同的自组织过程, 影响泡沫内的渗流. 本文模拟了Hele-Shaw Cell内两维液态泡沫(大小为12 cm×14 cm×3 mm)在8种重力加速度 (从g = 9.8 m/s²到g = 0 m/s²)下点输入的强制渗流, 发现在竖直和水平方向的渗流波传播位置与时间的关系很好地符合幂函数形式, 指数分别为0.536+5.29×10^-3g和0.479-7.27×10^-3g, 在不同重力下两者之和接近常数1.015, 该结果将有助于进一步分析泡沫内部的协调机制.     

视野

正土卫二为什么有"虎纹"space太空在土星的卫星土卫二南极有四道平行的裂缝,它们被称为"虎纹"。土卫二海洋中的液体从这些裂缝中喷发出来。但为什么液体只喷发于土卫二的南极,而不是土卫二其他地方?土星引力对土卫二施加潮汐力,在土卫二两极最强,由于土卫二两极地区的冰层相对较薄,而在南极地区,冰层的厚度甚至比北极还要薄。土卫二的表面温度大约是-200℃,你可能会因此认为:哪怕冰壳出现裂缝,它也很快就会冻结、闭合。但事实上,     

一种新的基于拓扑结构特征的微裂隙-孔隙空间描述方法

微裂隙在多孔介质储层大量发育并与基质孔隙连通,是流体渗流特别是非常规储层油气渗流的重要通道.高精度无损成像技术以及数字岩心技术的快速发展,为孔裂隙空间描述、孔裂隙模型构建等研究提供了数据支撑.本文基于传统孔隙空间拓扑学,分析裂隙拓扑结构特征,充分考虑三维裂隙空间区别于普通孔隙的面状特征以及与基质孔隙之间的相互连通关系,提出"特征点化"的思路,将裂隙空间点进行分类,形成了适用于多种孔裂隙空间的描述以及结构特征分析方法.首先基于传统孔隙拓扑结构分析方法,提出"线面共存"的新骨架模型,提取裂隙中轴骨架面、中轴骨架线,精细刻画裂隙轮廓以及孔裂隙连通关系;其次,基于各类空间点的拓扑结构共性分别提取相应点集,分割孔隙、裂隙空间,构建微裂隙-孔隙骨架模型;第三,基于新的孔裂隙骨架模型提取孔裂隙空间的几何-拓扑结构特征参数,获取裂隙孔隙度、开度、倾角等重要裂隙几何参数,以及孔裂隙配位数、裂隙发育范围等拓扑参数;最后基于上述骨架提取描述方法,对理想与真实孔裂隙空间的数字岩心进行了骨架提取和分析.从微裂隙拓扑形态开展研究进而对裂隙-孔隙空间描述,可简化此类孔隙介质的建模过程,为后续气、液流动模拟提供准确数据基础,促进缝洞介质油气开发的进展.     

岩体水力学中的概念耦合问题及其建模方式

岩体水力学(rock hydraulics)是介于岩石力学和渗流力学之间的一门新兴的边缘学科,主要研究水与岩体相互作用下,地下水的渗流规律及工程岩体的变形破坏规律.多相介质的耦合相互作用是岩体水力学研究的核心,本文将介绍岩体水力学的耦合特性及其系统动力学的建模方法.     

宇宙线粒子水声效应的探索

一、引言加速器实验已经证实,带电粒子束穿过固体和液体介质时,能产生可探测的声讯号。在液体介质中,对发声机制和声波性质,以及可探测的能量下限进行了许多实验研究。最近几年,宇宙线工作者对该项研究产生了极大的兴趣,DUMAND计划正探索在5千米深海海底建造质量为10~9—10~(11)吨的探测器。利用声学效应或者-效应探测超高能μ介子和中微子产生的级联簇射,进行超高能相互作用和中微子天文学的实验研究。毫无疑问,如能实现     

页岩微裂缝内气-水两相流动规律

气-水两相流动广泛存在于页岩气藏压裂液返排及页岩气生产阶段,直接决定页岩气藏压裂及开发效果.页岩微裂缝是储层流体运移的主要通道.然而由于物理实验尺度及精度的限制,准确模拟页岩微裂缝中的气-水两相流动存在巨大挑战.为探究页岩微裂缝中气-水两相流动规律,本文系统考虑了气-水两相流体多重微尺度效应,包括:(1)气相滑移;(2)水相滑移及边界层黏度变化;(3)气驱水条件下,存在沿壁面流动的水膜.建立气-水两相流体微尺度流动模型,采用侵入逾渗判断两相分布,求解真实页岩微裂缝内气-水相对渗透率,并验证模型的正确性.研究结果表明,微裂缝开度小于3μm时,微尺度效应影响不可忽略;微裂缝开度及水膜对气-水相对渗透率的影响均取决于各相流体所占流动空间的相对大小;气藏开采过程中压力降低,导致气相表观渗透率升高及微裂缝开度减小,均会造成气相相对渗透率减小;水膜的存在对气相流动能力造成影响的微裂缝开度界限为0.65μm.该研究揭示了页岩微裂缝内气-水两相流动规律,为评价页岩气井压裂及生产效果提供了理论基础.     

基于率相关模型的多孔介质应变局部化基本理论

研究了引入率相关模型含液多孔介质应变局部化双重内尺度律的特征以及相互作用, 此时材料应变局部化分析结果的正则性得到保证, 但同时也出现了双重内尺度律参数的相互作用问题, 且内尺度律预测也成为问题分析的难点. 提出了引入率相关模型后内尺度律预测的一个基本方法, 并进行了多孔材料的稳定性分析. 同时也讨论了不同情况下实波速存在的条件以及给定渗透系数对应的实波速存在波数区间. 最后通过数值算例对理论预测的正确性进行了验证.     

旋转交错网格有限差分及其完全匹配层吸收边界条件

将完全匹配层吸收边界条件引入到旋转网格有限差分中, 用以解决在非均匀弹性和孔隙弹性介质情况下数值模拟中的吸收边界问题, 同时, 将旋转交错网格有限差分法用于数值求解等效弹性介质、孔隙弹性介质和各向异性弹性介质的波动方程. 与普通的交错网格有限差分方法相比, 旋转交错网格有限差分的好处在于不同的物理量只位于两个不同的位置: 应力和应变(或质点速度和位移)位于离散单元的中心, 而质点速度或位移(或应力和应变)位于单元的顶点. 经过这样的处理后, 弹性常数就不再需要进行平均(模拟非均匀介质时)或内插(模拟各向异性介质时), 因为此时所有的弹性模量都位于相同的位置, 且与应力或应变的位置相对应. 为了验证新算法, 对相同的模型采用了不同的算法计算和比 较. 研究结果表明, 旋转交错网格有限差分算法和普通交错网格有限差分算法的结果吻合很好. 不仅如此, 新算法能很方便地处理声阻抗差别较大的非均匀介质, 特别是在模拟充有液体或气体的裂缝介质时更具优势. 另一方面, 应用完全匹配层吸收边界条件可以大大减少人工界面产生的反射波. 当边界层的厚度超过半个波长时, 在人工界面几乎无反射波产生. 理论和数值模拟结果表明, 旋转网格中的完全匹配层吸收条件与普通交错网格中的吸收效果和处理方法几乎相同. 此外, 建立了在等效弹性、孔隙弹性和各向异性弹性介质中的完全匹配层吸收条件的速度-应力差分方程系统.     

塔里木盆地轮南地区奥陶系碳酸盐岩油气富集特点

轮南凸起经历了晚加里东期、海西期的强烈隆升剥蚀及印支期以来的叠加改造过程．轮南凸起及其周围地区长期处在油气运移的指向上，经历了3个一级波动周期的油气成藏旋回：第一成藏旋回以破坏为特点，第二成藏旋回以改造为特点，第三成藏旋回以富集为特点。轮南地区溶洞系统有3个发育段，缝洞系统发育程度及其连通性是风化壳型油气富集的重要因素，密集发育的裂缝及小断层沟通溶洞就形成油气富集区；而孤立的溶洞由于没有油气来源，钻到溶洞发育区也是出水。在断垒带顶部泄漏区含水；紧邻的斜坡高部位盖层条件欠佳为高渗漏区，是稠油分布区；斜坡低部位以及平台区，晚期油气的充注形成轻质油和凝析油分布区；中、上奥陶统的残存区是寻找早期形成的碳酸盐岩原生油气藏的有利地区．围绕轮南低凸起沿斜坡往下向着凹陷的方向是碳酸盐岩有利油气富集区．准确预测碳酸盐岩缝洞分布区是本区发现油气的前提，而准确识别裂缝及小断裂的分布更是提高勘探成功率的关键．     

渗流理论、方法、进展及存在问题

渗流理论是从随机扩散现象(如流体粒子通过孔隙介质逐步扩散并形成随机路径的过程)中抽象出的一种广泛的数学模型,主要研究无序体系随机几何结构形成过程中的演化规律、行为特征及各种临界现象。渗流理论涉及概率统计、图论、统计物理、随机过程、拓扑、几何、代数、动力系统分析等众多领域,是数学的一个重要分支。渗流理论不仅具有重要的理论意义,而且应用背景广阔。过去的50年中,渗流理论因表述简单、内涵丰富,获得了广泛应用,为化学、生态学、物理学、材料科学、传染病学、复杂网络等领域中的问题带来了新视角,提供了新的理论方法。目前渗流研究处于发展的关键时期,渗流中相变临界条件的确定、渗流团簇的复杂结构及其在临界点附近几何特征的理解是渗流研究的核心问题。文章介绍渗流理论研究的主要问题、方法和结果,简要回顾渗流理论发展的标志性成果,最后提出一些值得思考和研究的问题。     

非线性标量场为物质场的宇宙模型

宇宙的奇性问题始终是研究Einstein方程解的一个很重要的问题.根据Einstein场方程,在一个充满玻思-英费尔德非线性标量场为物质场的宇宙中,我们发现当非线性标量场的参量λ>0时,有一个有奇性的宇宙模型解;当参量λ<0时,有一个非奇性的宇宙模型解.引力系统的作用量取为