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微米尺度下润湿性影响的渗流特征研究

于玲  
【摘要】:石油作为一个国家不可或缺的能源、经济动脉是人们一直热切关注的话题。国内现阶段油藏开采现状为高、中渗透油藏的开发已进入中晚期,产量出现总体递减现象。低、特低油藏的开发成为近几年油田开发的重要方向。同时,随着微电子机械系统的兴起和发展,微尺度下流体流动理论在各个领域,如医学、航天航空、微机械器件制造等方面的巨大应用潜力。使得微尺度下流体流动的研究日益受到重视,关于微纳米尺度的低渗透理论与实验研究显得尤为重要。 本论文以分子动力学与流体力学为基础,结合流动实验,研究了微米尺度下液体在润湿性微管及多孔介质中流动时存在的壁面滑移现象与启动压力梯度问题。 首先以固定平行平板间的Poiseuille流为研究对象,利用分子动力学模拟的方法研究了亲水性壁面不同通道宽度中滑移长度的特征,对边界滑移问题进行了详细的研究与分析。结果表明在小剪切率下壁面存在负滑移,流体在固壁边界受到黏附力作用。在相同润湿性下,通道宽度不影响滑移长度的变化,滑移长度只随壁面附近流体剪切率的变化而变化:滑移长度的绝对值随剪切率的增大而减小,当剪切率增大到某一值后滑移长度趋于定值。 在实验方面,用去离子水在直径为15、10微米的亲水性微管内的流动进行了实验研究,并与模拟结果进行了比较。实验结果表明:在低速流动下(剪切率较小时),去离子水在微管内流动流量与剪切率呈线性关系,且存在启动压力梯度,这是由于去离子水在微管内流动时的边界负滑移造成的,且滑移长度与剪切率呈非线性关系,随着剪切率的增大,非线性程度逐渐减弱,实验值趋近于某一稳定值。这一实验结论与分子动力学模拟结果定性上吻合性很好,表明了流体在润湿的微管内流动时,边界存在负滑移,固壁边界附近存在不流动的黏附层,这也是液体在低渗透多孔介质中流动时存在启动压力梯度的原因。另外,我们通过曲线拟合得到去离子水在15μm、10μm微管内流动时滑移长度与剪切率的关系,拟合曲线基本满足y=y0+AeBx的指数函数形式,表明去离子水在两种不同宽度亲水性通道中流动时,滑移长度随着剪切率的变化呈指数函数递减。 接着在1.2cm*20cm的填充柱内以320目玻璃微珠为填充物,进行了多孔介质的超纯水驱替实验。进一步证明了多孔介质中存在启动压力梯度。这由于低渗透多孔介质的孔隙和喉道多集中于1微米的尺度下造成的微尺度效应,因此低渗透多孔介质中的启动压力梯度等现象的本质是润湿性边界处的负滑移造成的。 最后进行了静态法测量启动压力梯度、动态测量流动情况相结合的测量方式,得到了20μm单根微管内的整体流动情况,我们称之为全局启动压力梯度。实验结果不仅证明了低渗透多孔介质中存在启动压力梯度,而且可以直接测出最小启动压力梯度值。同时得到由动态实验数据得到微管内拟启动压力梯度为静态法所得启动压力梯度值的14.5倍,说明在以往通过动态实验值所推得拟启动压力梯度的误差是偏大的,使得在实际工程应用中人们将低渗透油藏内的启动压力值扩大化。启动压力梯度的准确测量不仅可以丰富非达西低速渗流的理论研究,而且对油田后期开发具有一定的指导意义。


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