微纳米多孔介质中油-水、水-气两相渗流机理

In the development of low permeability, extra-low permeability reservoirs, tight oil and gas reservoirs and shale gas reservoirs, the pore size of porous media ranges from one micrometer to tens of nanometers, the micro-nano scale effects of fluid flow are shown more obviously, and the flow resistance increases. For single phase flow in micro-nano porous media, the flow mechanism and characteristics have been gradually clear, especially the threshold pressure gradient theory. But for micro-nano scales of oil-water and water-gas two phases flow, the flow mechanism is still unknown. And two phases flow almost throughout whole stages of the unconventional reservoirs development, therefore we need to research related flow mechanics, theory and characteristics. This project includes three aspects, such as micro flow physical modle experiments, the molecular dynamics simulation and two phases flow experiments of cores. The boundary layer distribution, the threshold pressure and capillary force characteristics will be researched in the seepage process of oil-water and water-gas two phases flow. So the flow mechanism and models of oil-water and water-gas two phases flow in micro-nano porous media will be obtained. The establishment of two phases flow mechanism and theories in micro-nano scale not only supplements the content of the fluid mechanics, but also provides the theoretical basis for the enhanced oil recovery and the development of unconventional oil and gas reservoirs.

低渗透、特低渗透油藏、致密油气藏和页岩气藏开发中，多孔介质的孔隙尺寸从一微米到几十纳米，流体流动的微纳米尺度效应明显，流动阻力增大。对于单相流体在微纳米多孔介质中的渗流，渗流机理和特征已经渐渐明晰，特别是启动压力理论。但对于微纳米尺度下的油-水和水-气两相流动，渗流机理尚不清晰，而两相渗流几乎贯穿非常规油气藏开发的全部阶段，因此亟需进行相关渗流机理、理论和特征的研究。本项目拟从微观渗流模型实验、分子动力学模拟计算和宏观岩心的两相渗流实验三方面出发，研究油-水、水-气两相渗流过程中的边界层分布、启动压力特征和毛管力特征，获得微纳米尺度下的油-水、水-气两相渗流机理和渗流模型。微纳米尺度下两相渗流机理和理论的建立不仅可以补充微纳米流体力学的内容，还可以为非常规油气田提高采收率和开发设计提供理论基础。

本项目的研究内容包括：（1）纳微米多孔介质中油-水两相渗流规律；（2）纳微米多孔介质中水-气两相渗流规律；（3）纳米尺度下，油-水、水-气两相流动的分子动力学模拟；（4）微纳米尺度下油-水、水-气两相渗流模型的应用研究。.经过4年的研究，研究内容全部完成，并达到了预期目标，初步形成微纳米尺度下油-水、气-水两相渗流研究方法和理论，并在页岩和致密油藏岩芯中进行了应用研究。.主要研究结论包括：（1）通过纳米氧化铝纳米管束材料，在国内首次实现了纳米尺度下流体宏观流量实验研究；（2）研究制备了超低渗透、双重介质、人造页岩等系列人造岩芯，并申请了发明专利；（3）根据页岩表面的吸水特征，申请了测量润湿性方法的发明专利1项；（4）纳米通道中单相流动实验研究表明：在纳米尺度下：气体流动由于存在界面滑移，流量明显增大；去离子水、单相油的实验流量明显小于理论流量；（5）气-水两相在纳米管中的流动特征研究表明：气驱水两相流动过程中存在明显的突变现象；（6）水-油两相在纳米管中的流动特征研究表明：水驱油的体积流量随着驱替时间的增加，呈现非线性减小的特征；（7）分子动力学模拟研究表明：在润湿条件下存在明显的流体边界层，在小的驱动力下流体是不流动的；在纳米级尺度下，液滴接触角随着壁面相互作用势能的增大而线性减小；（8）水在页岩中的渗吸实验表明了水从大裂缝向微裂缝，进而向基质流动的过程；（9）饱和水前后页岩力学实验表明：水的存在会大大降低页岩的抗压强度，有利于页岩形成裂缝系统；（10）干燥的页岩岩芯，气体渗流时存在明显的滑脱效应，而水存在下的页岩岩芯，渗流时存在启动压力梯度；（11）以边界层理论为基础，提出了新的单一的致密油藏非线性渗流模型。（12）项目共计发表论文19篇，其中期刊15篇，会议论文4篇；授权发明专利授权1项、实用新型专利3项，申报发明专利8项；培养硕士研究生8名，在读3名。