二氧化碳泡沫液在多孔介质内的渗流特性及渗流机理研究

利用泡沫技术可以有效提高二氧化碳地下埋存效率及原油采收率，从而达到温室气体减排和开发能源的双重目的。本课题主要针对CO2泡沫液在多孔介质内的渗流特性及渗流机理，从三个方面进行研究。.1．CO2泡沫液在多孔介质内宏观渗流特性的实验研究。采用CT测试技术可视化多孔介质内泡沫液的动态渗流过程，获得沿程液相饱和度数据，并结合压力测量得到泡沫液的表观黏度，在系统的参数研究基础上对其渗流特性进行深入分析。2．CO2泡沫薄膜液的流变学特性研究。通过测量泡沫薄膜液在变截面管内的流动特性及观测其流动形态，考虑其在流动变形过程中产生的表面弹性及表面粘性力的影响，进而获得改进的泡沫液流变学模型，从机理上理解泡沫液高表观黏度的成因。 3．泡沫液在多孔介质内渗流特性的模拟研究。建立简单且能正确描述泡沫在多孔介质内生成、发展和湮灭等动态过程的泡沫数量守恒模型，利用数值方法对多孔介质内泡沫液的渗流特性和机理进行研究。

利用泡沫技术可以有效提高CO2地下埋存效率及原油采收率，从而达到温室气体减排和开发能源的双重目的。因此，CO2泡沫液在多孔介质内的渗流特性及渗流机理研究成为目前重要的研究课题。.本课题进行了三个方面的研究：.1．CO2泡沫液在多孔介质内渗流特性的实验研究。利用填砂方法制作多孔介质，采用CT设备可视化多孔介质内泡沫液的动态驱替过程，同时利用沿程布置压力传感器测量泡沫渗流过程中的沿程压力变化特性。实验结果表明：由于气体水溶性影响，CO2泡沫与N2泡沫相比具有较小的渗流压差，提高系统背压会显著降低CO2泡沫液的渗流压差，但对N2泡沫的影响很小。CO2泡沫液在平均粒径较小的多孔介质内具有更大的渗流压差及较小的入口效应；当活化剂溶液浓度高于其临界胶束浓度时，泡沫液驱替效率差别不大，但随着溶液浓度提高，其入口效应逐渐减小。当增加气液比时，随着泡沫质量的提高其驱替压差增大，但对介质内剩余水饱和度的影响不大。非均质介质内，层间压差使得CO2泡沫液从高渗层突破后进一步向低渗层渗流，最终达到良好的驱替效率。.2．CO2泡沫薄膜液的流变学特性研究。采用无量纲分析及实验获得能够反映两相流动机理的泡沫流变学模型，并利用数值方法对实验结果进行了分析。结果表明：N2泡沫与CO2泡沫相比具有更大的表观粘度。直管内CO2泡沫液的无量纲参数间呈现具有阈值的线性关系，符合Herschel-Bulkley流体的流变学特性。与直管相比，变径管内CO2泡沫液流变学模型具有较大数值。数值模拟分析结果表明，直管内泡沫流动时产生的壁面粘性阻力可使流动的泡沫液具有一定的向上曲率半径，粘性力及表面张力的共同作用使得泡沫液流动时产生一定的附加压降。对变径管的模拟结果显示，如不考虑壁面粘性力作用，虽然气泡内压力存在波动，但并不产生流动阻力。.3. CO2泡沫液在多孔介质内渗流特性的数值模拟。采用随机泡沫数目守恒模型对泡沫液在二维非均质多孔介质内的渗流特性进行了数值模拟分析。结果表明，泡沫液首先对高渗层的流体进行驱替并达到突破，由于层间存在压差，泡沫液会逐渐由高渗层向低渗层渗流直到驱替完成；增大泡沫生成速率及最大泡沫数目参数能够提高泡沫强度，从而提高驱替效率。数值计算结果与实验结果趋势一致，说明随机泡沫数目守恒模型可以很好的反映多孔介质内泡沫的生成及湮灭机理，从而对泡沫液在多孔介质内的渗流特性进行正确预测及分析。.