低渗透多孔介质和微管中液体流动减阻的机理研究

研究表明：在微米尺度下，流体和固体表面的接触面积远远大于传统流动尺度，表面作用力增强，流体和固壁作用对流动阻力的影响显著。本项目拟研究经表面活性剂和低表面能物质处理的微管和多孔介质中，液体流动的减阻特征和机理。实验上，优选表面活性剂和低表面能物质作为表面处理材料，在1-100微米直径的石英圆管和低渗透岩心中，进行纯水和硅油的流动实验研究，同时用其它宏观和微观方法研究固体表面润湿性对流动壁面滑移和减阻效率的影响，并建立微米尺度下液体流动阻力理论模型，明确减阻机理。同时用分子动力学的方法，研究液固表面的相互作用对液体减阻效率的影响。项目的研究成果不仅可以在理论上丰富流体力学关于微米尺度下液体流动特征的内容，而且可以应用于石油开采、水污染处理和微机械系统传质传热等工程上，可以提高液体的流动效率，节约能源。特别对于低渗透油藏的开发具有很高应用价值。

传统的流体力学基于连续介质力学模型，而纳米尺度下对于流体的研究变成了对分子运动状态和数量的统计。微米尺度的流体介于宏观和微观的过渡带，两种研究方法都存在适应性的问题。针对微米尺度下液体流动理论的缺乏，本项目采用连续介质力学和分子动力学相结合，模拟和实验相结合的方法，对微米尺度下的液体流动特征进行了研究：（1） 超疏水壁面滑移长度模型的研究：通过分子动力学的研究发现，液体分子在微尺度下流动时，极大地受到固液相互作用力的影响。原有的非滑移边界条件已不适用，对于疏水壁面，分子在固体壁面存在速度滑移，且滑移长度不是常数，随壁面流体的剪切率呈幂率型关系。幂率型的液体边界模型的建立是壁面滑移模型的突破，就像非牛顿流体模型突破了牛顿流体模型一样；（2）亲水性壁面负滑移长度的理论和试验研究：在分子动力学模拟的过程中，我们发现液体在润湿性的壁面会形成边界粘滞层，而且负的滑移长度（近似为粘附层的厚度）是变化，而以往的实验结果并没有发现。经过去离子水在石英微管中的流动实验研究，首次从实验上发现：滑移长度的绝对值随驱替外力的增大而减小，直至达到常数。这种规律表明，在低渗透多孔介质中液体流动时的边界层厚度是变化的，实践表明大压差开采可以有效克服启动压力的不利影响；（3） 微米尺度下流量公式的研究：考虑微米尺度下的液体流动在边界上存在速度滑移，得到了考虑壁面滑移的微管流量公式和低渗透多孔介质中的流量公式；（4）微管及多孔介质中流动减阻的理论和实验研究：流体在疏水性通道中流动时的流量明显大于其在亲水性通道中流动时的流量。实验表明：通过物理吸附或者化学方法，增大固体表面的接触角，可以有效降低液体流动时的阻力；（5）测量启动压力梯度方法的研究：以往测量低渗透岩心的启动压力，用稳态流动的方法，往往测量结果过大，难以推广到油田矿场，本项目得到了一种静态与稳态流动相结合的测量方法，该方法既有丰富的物理含义，又可以更加准确地测量低渗透油藏中启动压力梯度。 本项目所得的微米尺度下液体流动和减阻理论既丰富了流体力学的内容，又为微机械系统的应用和低渗透油藏的高效开发提供了有力的理论基础。