在于特征对非混相流体位移的影响

文摘

非混相流体流动(排水位移),非润湿流体侵入多孔介质充满了润湿液经常被观察到。大量研究证实存在的三种不同位移模式取决于粘度比和毛细管数:稳定的位移,粘性指法,毛细管指法。然而,每个位移模式的相界面和驱油效率有很大的差别取决于实验和数值工具使用的特点。在这项研究中,一个三维(3 d)管网络模型从三维x射线计算机断层扫描图像中提取的天然砂。提取的网络模型被用来定量轮廓的相界面位移模式和研究范围广泛的驱替效率比率和毛细管粘度数据。此外,管大小分布的影响和管连接位移特征进行调查。过渡政权之间的粘性指法和毛细管指法区关于驱替效率是首次观测到的。管的大小分布变得均匀,粘度的效果增加。管连接减少~ 4.6,相界面成为类似于一个二维网络。相界面的变化特点和驱替效率强调通过当地梯度图。

1。介绍

经常发现非混相流体在各种工程应用,如加强石油和天然气复苏,地质有限公司₂封存,土壤修复。而入侵流体通过注入井注入多孔介质,卫冕流体在孔隙空间流离失所,直到入侵流体达到排水。因此,形成多个优先流通道。当一个非润湿性入侵流体取代润湿流体辩护,称排水位移、流体入侵和位移的模式取决于几个参数,如粘度比、界面张力、注入率、润湿性,以及多孔介质的特点(1]。

的粘度比被定义为入侵的粘性流体的比率( )的保护液( )。毛细管数被定义为毛细力的粘性力的比值:

在这里,(m³/ s)代表入侵流体的流量,(m²)代表的横截面积正常流体方向,(N / m)代表入侵和捍卫液体间的界面张力,和代表了在入侵之间的界面接触角,捍卫流体在孔隙表面。

先前的研究已经表明,可以区分三个位移模式,说明的图如图1(1- - - - - -3]。提出的每个位移边界区Lenormand et al。1),Zhang et al。2,刘等人。3叠加在图1。粘性指法少发生在粘性流体入侵取代更粘稠捍卫流体在多孔介质(即。,-值)。位移模式的特点是树状的手指没有循环的形成。的主要力量保护液的粘度,因为入侵液体的毛细管效应可以忽略不计。毛细管指法盛行在低毛细管数两流体粘滞力和毛细力相比可以忽略不计。在位移,入侵液体形式的手指,在各个方向生长,最终形成循环陷阱的集群保护液。稳定的位移发生在相对较高的毛细管数和粘度比率,在动力学主要是由液体的粘滞力入侵控制在一个相对较高的流量。直接入侵入侵前垂直于方向形成,和一些被困集群的保护液。

入侵后流体达到排水良好,位移不再发生,入侵的最后饱和流体称为驱替效率,这是最高的稳定的位移和最低的粘性指法(4]。

许多方法被用来研究非混相流体流动,包括数值模拟,例如,管网络模型,或晶格玻尔兹曼模拟(1,3,5,6和使用微流控芯片实验室驱替实验2,4,7,8]。入侵模式受到几个参数的影响,如孔隙形态(如孔隙大小分布和连接),流体性质(如粘度和密度),fluid-wall交互(例如,润湿性)和流量。这种复杂性使得两个实验和数值模拟具有挑战性1]。在实验中,很难控制各种参数,观察三维(3 d)在于现象。在数值模拟中,在多相流条件下求解navier - stokes方程计算要求。晶格玻尔兹曼等替代方法,模拟、有限能力正确模型的流体性质和实现边界条件。由于这些困难,一些实验和数值研究考虑不同在于特征和流体性质表现在3 d域(9]。管网络模型是简单但有效的模拟流体入侵和位移通过应用的各种参数。因此,本研究的目标是提供的驱替效率值在3 d域和调查的影响在于特征和流体性质的位移模式。

在这项研究中,我们使用3 d管网络模拟排水大范围位移毛细管数和粘度比率。我们还研究了管大小分布的影响在相界面和连通性,位移模式和驱油效率。

2。数值方法和步骤

2.1。管网络提取

的砂质沉积物恢复Mallik 5 l-38网站(天然气水合物储层)的深度1091米被选为x射线计算机断层扫描(CT)扫描和管网络提取。详细的信息关于x射线CT扫描是由Mahabadi et al。10]。在目前的研究中,CT图像的体积是8毫米³( )(图2(一个)(左)。一个3 d管网络从CT图像中提取使用最大球算法由思和Patzek [11)(图2(一个),对吧)。球最大算法搜索所有可能的领域,可以镌刻在孔隙中。搜索后,大球体的中心位于孔隙空间成为孔隙网络模型的毛孔,毛孔和小球体用喉咙成为管连接相邻的毛孔。董提出的方法的详细描述和钝12]。3 d管网络模型从x射线图像中提取的原位沉积代表了真正的孔隙结构好,因为在于特征,如连通性、孔隙大小、孔隙长度,用于生成管网络。在这项研究中,只有管组成的网络模型,称为管网络或bond-network模型,使用。因此,没有考虑孔隙体积,和管的长度是两个相邻孔的中心之间的距离。5775年获得3 d管网络模型由管,平均tube-coordination(连接)的数量 ,平均管的大小 ,和对数标准差管的大小 。

2.2。管的大小分布

四管大小分布被用于这项研究。平均值管的大小分布和个人的排管保持不变,和标准差是 , , ,和 ,在哪里代表标准偏差的原始管网络模型从CT图像中提取。较低的值对应于更统一的管的大小分布。图2 (b)显示了四个管大小分布用于这项研究。管大小分布的其他参数,如配位数、管位置和方向,和管长度,保持不变。

2.3。协调数据

几项研究已经使用二维(2 d)管网络与均匀分布的孔隙空间和一个固定的配位数,例如, (1- - - - - -3]。异质性的程度和协调数据通常会更高原位沉积物,而常规2 d管网络模型。原文的配位数管网络从CT图像中提取 。在这项研究中,使用管网络的连通性研究的影响与四个不同的协调数字( ,6.2、5.1和4.6),类似于值用于其他研究[13- - - - - -16]。

配位数是减少随机选择管和删除它们从原始管网络生成管网络模型配位数较低同时保持管大小分布常数。

2.4。仿真算法流体入侵

该算法由阿克尔et al。17)是用于这项研究。该算法考虑流体的演化的动态和时间依赖性的入侵和捍卫液体之间的界面。最初,管网络模型是完全饱和与卫冕流体粘度 。然后,入侵与粘性流体注入通过一个入口边界不断注入速度。在这里,我们研究了排水位移;因此,入侵流体非润湿性和捍卫润湿相流体。假设两个液体非混相;因此,存在一个显式接口之间的保护和入侵的液体。

考虑一个包含入侵和捍卫液体圆柱管。毛细压力在两种液体之间的界面由Young-Laplace方程给出: 在哪里(N / m)代表了界面张力,(m)代表管半径,(°)代表了接触角。阿克尔et al。17)修改Young-Laplace方程考虑毛细管压力在滴漏状管毛细管压力取决于管内部的半月板的位置。因此,毛细管压力可以表示为一个函数的半月板内位置管: 在哪里代表了半月板的相对位置,范围从0到1(0开始的时候管和1的管)。在这项研究中,接触角是设置为0 ( )对一个完美润湿状态。提出的修改Young-Laplace方程允许模型来模拟爆炸排水位移动力学的多相流系统:非润湿流体进步到狭窄的管随着毛细管压力的一部分。半月板通过孔喉后,入侵流体突然占据了部分连接管。

体积通量通过计算圆柱管使用沃什伯恩方程: 在哪里代表了有效粘度和代表了双方之间的压力差毛细管。对于一个圆柱管没有半月板,方程(6)降低Hagen-Poiseuille方程 或 。

对于不可压缩流体,质量平衡方程

即。,the sum of all fluxes into and out of a given node should be zero. Application of Equation (7管每个内部节点的网络使每个内部节点的压力的计算通过共轭梯度方法。因此,整个网络可以确定压差。因为压力梯度以恒定流量必须获得,一个必须确定节点压力恒定的注射速率。流量管网络模型 在哪里和参数是依赖于流体的性质和多孔介质的几何代表进口和出口之间的压力差的网络模型。这些参数和可以通过解决节点压力计算两个微分压力和和相应的流量和 。在确定的系数和 , 计算出所需的恒定的流量。然后,所有的节点压力计算通过求解方程(7)对于一个给定的压差 。详细的解释了阿克尔et al。17]。

时代步伐选择,只有一个半月板半月板的网络模型中所有的管子能达到的另一端管在每个步伐入侵:

在这里,代表了弯月面之间的距离和地铁,和代表管的流速,可以使用流量计算和管半径: 。在每一个步伐,最小值计算,用于接下来的步伐。半月板的新位置计算和更新使用二阶龙格-库塔方案。

3所示。模拟入侵的典型特征

典型的位移模式选择毛细管数和粘度比图所示3。仿真结果清楚地表明,位移模式受到影响的值和 。在低粘度比( ,图3()),树状位移模式和一个明确的单一发展优先流路径。在这种情况下,入侵的饱和液体入侵年底略有增加,从0.066到0.074,毛细管数减少 来 。在一个低毛细管数( ,底排图3)、位移模式从粘性指法毛细管粘度比从指法 来 。稳定的位移模式观察高粘度比( )和高毛细管数( )。最终饱和稳定位移大约是0.7 和 。

在入侵过程完成后,与维管网络模型 是沿着流动方向同样分为5个部分。入侵的“本地”饱和液体在每个内部部分九的值计算和(图4(一))。根据文献中提出的相界面,点( , )在相图分为三个位移的一个区域(粘性指法、毛细管指法和稳定位移区)或过渡区(3个displacement-pattern区之间)。在这里,明显的观察是,在中间区域 ,驱替效率减少随着毛细管数的增加,不像的条件 。

如图4 (b),9例调查当地的饱和度空间不均匀,从入口到出口的减少。3例 (对应于毛细管时指法 ,的过渡区 ,和稳定的位移时 ),1的饱和度^圣和2^nd内部部分几乎是 然后下降到大约0.5%在上一节在出口边界附近。作为日志毛细管数从5 0和5,增加当地的饱和度的3^{理查德·道金斯}和图4^th内部部分增加,导致“全球”全面增加饱和,因为位移模式从毛细管指法变成稳定的位移,通过过渡区。然而,对于这三个病例 (在过渡区),“本地”饱和对于一个给定的内部部分减少的毛细管数从5增加到5。1这种效果最为明显^圣,2^nd,3^{理查德·道金斯}内部部分,因为位移模式从毛细管指法的过渡区粘性指法的邻近区域。如图5,饱和度高的毛细管指法区比过渡区,特别是粘性指法区附近。3例 ,“本地”饱和度在第一节开始减少,仍然几乎不变之间第二个和最后一个部分为给定的价值。注意饱和度平均为五个内部部分是一样的“全球”饱和度图5。

4所示。粘度比和毛管数对驱油效率的影响

本研究中使用的粘度比和毛细管数不等 到10,从 分别为10。共有441名进行了模拟运行使用21 21毛细管粘度比和数字,与原管网络模型。

获得的驱替效率对粘度比和毛细管数等高线图(图所示5)。三个位移区,即。,圣able displacement (denoted by S), viscous fingering (V), and capillary fingering (C), are identified with regard to the displacement efficiency. A fourth zone (denoted by “V-C,” lower left in the phase diagram) is separated from the conventional capillary fingering zone, because the displacement efficiency in the “V-C” zone is significantly lower than that in the capillary fingering zone. The “V-C” zone has an intermediate displacement efficiency between those of the viscous fingering and capillary fingering zones. The displacement efficiency values in the zones divided by the dashed lines in Figure5被用来计算饱和度的平均值(驱替效率)。附近的过渡区和位移效率这些界限被排除在计算。平均值驱替效率为0.68的稳定位移区,毛细管指法区0.53,和0.07的粘性指法区。的平均驱替效率“v - c”区 。三个displacement-pattern区,即,圣able displacement, capillary fingering, and viscous fingering, the coefficient of variation for the displacement efficiency values for nine neighboring在每一个点(获得连续三值和轴)< 0.1。然而,“v - c”区表现出越来越趋势驱替效率从粘性指法带毛细管指法区。此外,稳定的位移和毛细管指法区域之间的边界不能明确确定根据驱替效率。

5。在于特征对位移的影响

额外的模拟进行了使用三种不同的管尺寸分布和三种不同的协调数字( )调查的影响在于特征的位移模式。数据6(一)和7(一)等高线地图展示四种不同管驱替效率的大小分布和协调数据,分别。结果原管网络模型也给出了。

5.1。管大小分布对驱油效率的影响

在图6(一),每个等高线图包含441个模拟运行的结果21粘性比率和21毛细管数。稳定的位移和粘性指法,驱替效率下降管大小分布的标准差下降。然而,这一趋势并没有观察到毛细区;管网络与原标准偏差( )展出的饱和 ,而的值分别为0.57、0.58和0.59吗 , ,和 ,分别。因此,不同的驱替效率之间的“C”和“S”区降低了。

这些模拟使用不同管尺寸分布(图6),管的秩大小保持不变,即使在管网络模型管大小分布各不相同。随着管大小分布的增加,会有更多的数量更大,小管。由于相同等级的管大小、数量的管子入侵的入侵可能是相似或相同的管网络模型与不同管大小分布,从而导致更高的饱和或驱替效率更高的管大小分布的条件。换句话说,相同数量的管子是入侵,但他们可能更大的管。然而,这一现象并不明显的毛细管指法区。可能的原因可能是多个类似的管毛细管压力可以同时入侵,导致更高的驱替效率低管大小分布状况。

此外,正如管大小分布的标准差下降,垂直边界分离粘性指法和稳定的位移区域移动到更高的值(5 - 2)情节。此外,“V - c”区中的驱替效率下降和接近饱和值的“V”区。因此,当地铁网络模型有一个统一的管大小分布、位移模式主要取决于流体的粘度,而不是通过毛细管作用效应管网络。稳定的位移和毛细管指法区域之间的边界变得不清楚之间的平均驱替效率的差异稳定位移和毛细管指法减少,统一管大小分布。这一趋势突出显示在图6 (b),这显示了驱替效率的梯度。高梯度(即。,large changes in the displacement efficiency) are observed in the transition zone, which is shown in red. For ,四displacement-pattern之间的高梯度区域(S, V C和V - C)是观察,以及稳定之间的边界位移和毛细管指法显然是可识别的。管的标准差大小分布减少,边界之间的“S”和“C”区域变得不清楚,和粘度的影响增加。

5.2。配位数对驱油效率的影响

等高线地图的驱替效率图所示7(一)。仿真结果表明每个位移模式的驱替效率(V S和C)减少配位数降低了。然而,“v - c”区中的驱替效率表现出相反的趋势。配位数降低,位移之间的效率差异“v - C”和“C”区域减少。此外,粘性指法和毛细管指法区域之间的边界变得清晰。的形状和位置最低配位数的边界,也就是说, (图7(一),右),非常类似于Lenormand建议的界限等。[1],刘et al。[3],和Zhang et al . [2] 。这一趋势在图中也观察到了7 (b)。对于一个给定的标准差 ,驱替效率明显表现出的梯度变化阶段边界协调数量减少。

5.3。限制

这项研究的结果适用于几个非混相流体条件下,如有限公司₂封存、土壤污染和修复、流体控制使用皮克林乳剂,提高石油和天然气复苏,和天然气水合物生产(4,18- - - - - -21]。然而,一些假设和限制必须考虑应用程序。(1)管网络毫米级的,相比之下公里尺原位应用程序。这种限制可以解决获得恒定的地方使用一个长管网络饱和值。现场应用,只要和值是准确地确定输入,根据距离对应的驱替效率可以使用常数预测从网络模型仿真获得当地的饱和值。(2)即使在小管网络,本地饱和由于毛细管端效应的差异很大。这种现象可以通过使用更长的网络或最小化控制流出边界(22]。(3)真正的孔隙空间不是完美的圆柱的形状。形状不规则的毛孔中发现的毛细管压力原位条件不同于完美的圆形孔(23]。(4)接触角和界面张力随原位条件(24]。(5)入侵流体具有高流量可能影响沉积物颗粒的配置(例如,沉积物颗粒的再分配)(25,26];然而,在这项研究中,假设孔隙形状没有改变在入侵。(6)一个恒定的流速条件被选中在这项研究来评估给定的驱替效率条件,结果可能会不同,如果使用其他边界条件。此外,在原位应用程序,入侵的速度可能会降低入侵流体从注入井在径向方向上传播。

6。结论

一种非混相流体的驱替效率值为范围广泛的得到和在3 d域值,使用管网络。在于特征的影响,如管大小分布和管子连接,在驱替效率。提出了本研究的主要发现如下:(我)内部的动态入侵过程导致饱和度梯度管网络。完成入侵后,入侵流体的饱和度较高的进口,减少出口附近(2)观察三个位移模式,类似于以前的研究。此外,第四个“v - c”区,以前的一部分定义的毛细管指法区是驱替效率逐渐增加粘性指法区到毛细管指法区(3)通过3 d管驱替效率获得网络仿真 稳定的位移区, 粘性的指法区, 毛细管指法区, 对“v - c”区(iv)管大小分布变得窄分布,界限之间的稳定的位移和毛细管指法区和粘性指法和“v - c”区变得不清楚。此外,粘性指法和稳定之间的边界位移区搬到更高价值。驱油效率是影响主导性的粘度比管网络尤其是管大小分布变得均匀。增加的驱替效率下降管大小分布的均匀稳定的位移和粘性指法(v)的配位数(指示管连接)从8.0下降到4.6,粘性指法和“v - c”之间的边界区明显。这类似于相位边界在文献中报道。减少配位数的驱替效率下降的稳定的位移,粘性指法,毛细管指法区

数据可用性

在这项研究中给出的数据是可用的http://jwjang1977.wixsite.com/mysite/data。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由韩国提供的研究基金机构基础设施技术进步(19 ctap-c142849-02)和韩国国家研究基金会(nrf - 2018 r1d1a1b07042530)。

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