微纳米颗粒相在沉积砂岩层内的运移机理及其热效应研究

对含微纳米尺度颗粒相在沉积砂岩层内的运移机理进行理论和实验研究，主要研究微小颗粒相随流体载体在孔隙型沉积砂岩层内沿流程沉积分布的动态特性，包括：颗粒相尺寸、颗粒相浓度、渗流流速、给水压力、沉积砂岩层空隙率、空隙结构及分布特征规律等参数对总渗透流量的影响规律；同时，研究当流体温度与沉积砂岩多孔介质层温度不同时，上述影响参数对总渗流流量的热效应影响。了解和掌握砂岩多孔介质层内的温度场、压力场随含微纳米颗粒流体渗流从开始到稳定的动态特征行为。在实验研究基础上，结合有强大功能的格子-波尔兹曼数值方法，数值模拟研究含单颗粒子、多颗粒子流体在有沉积砂岩特征多孔介质内的运动规律。根据多相流及传热原理，总结归纳有微纳米颗粒流体在沉积砂岩层内的沉积分布规律，对多孔介质层总渗透特征的影响，探讨减少孔隙堵塞、维系高渗透率的关键技术，为提高我国地热水回灌率，减少地下、地上污染有重要理论指导意义。

本课题对微纳米尺度颗粒相在沉积砂岩多孔介质层内的运移和堵塞现象进行了机理研究，由于微小颗粒相在多孔介质流体中的受力比较复杂，颗粒的移动与沉积现象一直以来没有一个比较公认的物理模型予以解释，其中主要影响因素主要包括：颗粒相尺寸大小与形态、多孔介质层的孔隙率及其结构、颗粒相在流体内的浓度、渗流速度、给水压力以及流体、多孔壁面的热物性和化学成分等。诸多物理因素和化学因素的影响，使得微小颗粒在沉积岩多孔介质内的堵塞位置与时间预测比较困难，本课题研究的主要目的是想基于实验和前人的一些理论总结出一些微小颗粒的在多孔介质内的沉积规律，为地热水或地下水回灌提供一些设计或运行的理论指导依据。.研究内容包括数值模拟理论研究与线芯堵塞实验两大部分：在理论研究中，（1）采用基于介观粒子碰撞特性发展起来的，有处理复杂边界及力项较强大性能的格子Boltzmann数值模拟方法，研究了多微粒（本课题2000个）在不同结构空隙内的沉积与运动特征；（2）完成了在有温度边界影响情况下的微粒沉积与移动特性， 获得了在不同自然对流强度Ra数，以及混合流动情况下的颗粒沉积特性；（3）不同颗粒St数，以及进出口位置不同对颗粒沉积特性的影响；（4）采用Chebyshev 谱方法研究了多孔介质层内自由流体空间或孔隙度变化情况下的线性流动稳定性问题。在实验研究方面：（1）搭建了微米级颗粒相在线型多孔介质芯内的流动与堵塞实验台, 该实验台可以在线测量颗粒的入水、出水颗粒浓度，沿程断面的压力、温度分布，以及通过多孔介质芯的渗流速度；（2）研究了包括改变不同孔隙度、多孔介质颗粒度、不同微米颗粒直径与浓度下的流动与堵塞实验，积累了大量原始数据；（3）采用VCT微扫描透视技术观察了微小颗粒在沉积岩颗粒外沉积现象与形态。研究结果表明：温度对微小颗粒的影响较大，尤其对小Stokes数的颗粒流体，在多孔介质与流体界面出的颗粒沉积最为明显。同时，理论计算出了多孔介质层外有自由空间与无滑移边界下的临界Re数随Da等参数数的变化规律。