纳米颗粒吸附法微通道减阻机理研究及LBM模拟

【摘要】：石油储层微通道纳米颗粒吸附法减阻技术是一种新兴的提高原油采收率技术，其核心机制在于疏水纳米颗粒在微通道壁面形成具有微-纳尺度的强疏水或超疏水粗糙表面结构，形成边界滑移效应。室内实验方法较好地验证了这一机制，在这项技术的研发过程中发挥了重要作用，但由于石油储层微通道的复杂性，使得一些机理研究无法利用实验方法完成，必须采用数值模拟的方法来进行。本文利用格子Boltzmann方法对纳米颗粒吸附法减阻机理进行了模拟研究，力图揭示壁面润湿性不同时流体在微通道和多孔介质内的运动方式，以及滑移产生的原因。为此，本文开发了二维和三维格子Boltzmann方法并行计算模拟程序，对微观尺度下流体的输运现象进行了模拟和分析，具体工作包括： 1）对格子Boltzmann方法的本质及Shan-Chen模型的核心机制进行了全面阐述，并从应用实例角度对基于Shan-Chen模型的格子Boltzmann方法在微流动模拟方面的有效性、适应性进行了详细分析。 2）采用纳米颗粒吸附法在天然岩心薄片上构建了微-纳尺度的粗糙结构表面，并对其进行了SEM扫描和接触角测试。结果表明，纳米颗粒能够吸附到岩石薄片表面并形成微-纳尺度的粗糙结构吸附层，并且具有明显的强疏水性质。然后通过室内岩心流动实验，验证了纳米颗粒吸附法的减阻效果。 3）基于格子Boltzmann方法和Shan-Chen多相流模型，对平面静态接触角进行了模拟得到接触角与相关参数的关系，进而模拟局部粗糙表面（凹曲边界）的静态接触角，分析了凹曲边界的曲率和液滴大小对凹曲边界静态接触角的影响。然后从理论上对纳米颗粒压片表面的表观接触角进行分析和计算，指出该表面具有超疏水性的主要原因，并给出理论预测该表面表观接触角的计算方法。 4）通过人工方式构建粗糙壁面，研究其表面润湿性和颗粒特征（包括颗粒的长度和高度，以及颗粒之间的间距）对流体流动特征的影响。研究了液滴在微通道内运动时的接触角滞后现象，发现液滴在具有一定润湿性的壁面上运动时，后退角和前进角的余弦差值与毛管数成正比。 5）对滑移速度产生的原因进行了初步探讨。认为在微观情况下，由于壁面润湿性的影响，使流体在壁面附近形成一个低密度层。在低密度层内，沿径向流速变化很大，使流体在壁面上产生表观滑移现象，同时发现壁面润湿性越弱，低密度层内的流体的平均密度越低，平均流速越大，在壁面产生的滑移速度就越大。与宏观流动相比，在微观条件下，不能忽略这一低密度层。 6）提出了通过接触角控制滑移边界条件的数值模拟方法，得到了接触角控制滑移长度模型。其一方面可以在数值模拟过程中实现可控滑移边界条件，即通过壁面润湿性确定滑移长度的大小，另一方面可以为工程应用中通过接触角估算滑移长度提供依据。最后运用所得到的接触角控制滑移长度模型对减阻发生的条件进行了分析。 7）初步实现了二维和三维多孔介质内的微流动模拟，研究了壁面润湿性对流体流动特性的影响。考虑了纳米颗粒吸附对二维多孔介质孔隙度和微通道壁面润湿性的影响，模拟了纳米颗粒吸附前后多孔介质渗透率的变化。