纳米颗粒吸附法微通道减阻机理研究及LBM模拟

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石油储层微通道纳米颗粒吸附法减阻技术是一种新兴的提高原油采收率技术,其核心机制在于疏水纳米颗粒在微通道壁面形成具有微-纳尺度的强疏水或超疏水粗糙表面结构,形成边界滑移效应。室内实验方法较好地验证了这一机制,在这项技术的研发过程中发挥了重要作用,但由于石油储层微通道的复杂性,使得一些机理研究无法利用实验方法完成,必须采用数值模拟的方法来进行。本文利用格子Boltzmann方法对纳米颗粒吸附法减阻机理进行了模拟研究,力图揭示壁面润湿性不同时流体在微通道和多孔介质内的运动方式,以及滑移产生的原因。为此,本文开发了二维和三维格子Boltzmann方法并行计算模拟程序,对微观尺度下流体的输运现象进行了模拟和分析,具体工作包括:1)对格子Boltzmann方法的本质及Shan-Chen模型的核心机制进行了全面阐述,并从应用实例角度对基于Shan-Chen模型的格子Boltzmann方法在微流动模拟方面的有效性、适应性进行了详细分析。2)采用纳米颗粒吸附法在天然岩心薄片上构建了微-纳尺度的粗糙结构表面,并对其进行了SEM扫描和接触角测试。结果表明,纳米颗粒能够吸附到岩石薄片表面并形成微-纳尺度的粗糙结构吸附层,并且具有明显的强疏水性质。然后通过室内岩心流动实验,验证了纳米颗粒吸附法的减阻效果。3)基于格子Boltzmann方法和Shan-Chen多相流模型,对平面静态接触角进行了模拟得到接触角与相关参数的关系,进而模拟局部粗糙表面(凹曲边界)的静态接触角,分析了凹曲边界的曲率和液滴大小对凹曲边界静态接触角的影响。然后从理论上对纳米颗粒压片表面的表观接触角进行分析和计算,指出该表面具有超疏水性的主要原因,并给出理论预测该表面表观接触角的计算方法。4)通过人工方式构建粗糙壁面,研究其表面润湿性和颗粒特征(包括颗粒的长度和高度,以及颗粒之间的间距)对流体流动特征的影响。研究了液滴在微通道内运动时的接触角滞后现象,发现液滴在具有一定润湿性的壁面上运动时,后退角和前进角的余弦差值与毛管数成正比。5)对滑移速度产生的原因进行了初步探讨。认为在微观情况下,由于壁面润湿性的影响,使流体在壁面附近形成一个低密度层。在低密度层内,沿径向流速变化很大,使流体在壁面上产生表观滑移现象,同时发现壁面润湿性越弱,低密度层内的流体的平均密度越低,平均流速越大,在壁面产生的滑移速度就越大。与宏观流动相比,在微观条件下,不能忽略这一低密度层。6)提出了通过接触角控制滑移边界条件的数值模拟方法,得到了接触角控制滑移长度模型。其一方面可以在数值模拟过程中实现可控滑移边界条件,即通过壁面润湿性确定滑移长度的大小,另一方面可以为工程应用中通过接触角估算滑移长度提供依据。最后运用所得到的接触角控制滑移长度模型对减阻发生的条件进行了分析。7)初步实现了二维和三维多孔介质内的微流动模拟,研究了壁面润湿性对流体流动特性的影响。考虑了纳米颗粒吸附对二维多孔介质孔隙度和微通道壁面润湿性的影响,模拟了纳米颗粒吸附前后多孔介质渗透率的变化。
摘要第8-10页
ABSTRACT第10-12页
目录第13-15页
第一章 绪论第15-29页
    1.1 研究背景第15-17页
    1.2 国内外研究现状第17-26页
        1.2.1 微流动模拟的研究现状第18-19页
        1.2.2 LBM 模拟方面的研究现状第19-20页
        1.2.3 LBM 方法中的多相流模型第20页
        1.2.4 Shan-Chen 模型在微流动问题研究中的应用第20-26页
    1.3 论文主要内容及创新点第26-29页
        1.3.1 本文主要研究内容第26-27页
        1.3.2 本文的创新点第27-29页
第二章 纳米颗粒吸附法减阻技术的作用机理第29-43页
    2.1 纳米颗粒吸附法减阻技术的机理描述与实验研究第29-39页
        2.1.1 岩心薄片吸附实验第30-33页
        2.1.2 岩心流动实验第33-36页
        2.1.3 疏水纳米颗粒在微孔道中的吸附机制第36-39页
    2.2 纳米颗粒吸附岩心切片表观接触角的影响因素分析第39-42页
        2.2.1 研究方法第39页
        2.2.2 纳米颗粒浓度对岩心切片表观接触角的影响第39-40页
        2.2.3 吸附时间对岩心切片表观接触角的影响第40-41页
        2.2.4 温度对岩心切片表观接触角的影响第41页
        2.2.5 pH 值环境对岩心切片表观接触角的影响第41-42页
    2.3 本章小结第42-43页
第三章 格子 Boltzmann 方法原理及实现第43-65页
    3.1 格子 Boltzmann 方法第43-54页
        3.1.1 格子 Boltzmann 方法的发展第43-45页
        3.1.2 Boltzmann 方程及 H 定理第45-46页
        3.1.3 BGK 近似第46-47页
        3.1.4 格子 Boltzmann 方程第47-48页
        3.1.5 格子 Boltzmann 方法与宏观流体力学的关系第48-51页
        3.1.6 格子 Boltzmann 方法中的作用力第51-52页
        3.1.7 计算流场与实际流场的相似关系第52-54页
    3.2 边界条件的处理第54-58页
        3.2.1 周期循环格式第55页
        3.2.2 反弹格式第55-56页
        3.2.3 动力学格式第56-57页
        3.2.4 外推格式第57-58页
        3.2.5 滑移边界条件第58页
    3.3 计算流程第58-59页
    3.4 LBM 的 MPI 并行计算第59-61页
    3.5 本文用到的模型第61-63页
    3.6 程序验证第63-64页
    3.7 本章小结第64-65页
第四章 纳米颗粒吸附表面的接触角特征与计算第65-81页
    4.1 平面静态接触角模拟第65-68页
    4.2 粗糙壁面的接触角模拟第68-73页
    4.3 接触角计算第73-79页
        4.3.1 纳米级层次接触角计算第74-78页
        4.3.2 微米级层次接触角计算第78-79页
    4.4 本章小结第79-81页
第五章 纳米颗粒吸附微通道内流体流动特征的模拟第81-101页
    5.1 微通道模型第81-83页
    5.2 计算程序流程图第83页
    5.3 润湿性的影响第83-85页
    5.4 粗糙度对微通道内流体流动特征的影响第85-93页
        5.4.1 光滑壁面与粗糙壁面管流特征的差异第86-87页
        5.4.2 颗粒间距对流体流动特征的影响第87-88页
        5.4.3 颗粒宽度对流体流动特征的影响第88-89页
        5.4.4 颗粒高度对流体流动特征的影响第89-90页
        5.4.5 基底润湿性对流体流动特征的影响第90-92页
        5.4.6 粗糙度影响微通道流体流动特征的内在机制分析第92-93页
    5.5 接触角控制滑移模型第93-100页
        5.5.1 接触角控制滑移模型的确定第94-98页
        5.5.2 纳米颗粒吸附壁面减阻效果发生的条件第98-100页
    5.6 本章小结第100-101页
第六章 基于孔隙尺度的多孔介质流动模拟第101-111页
    6.1 多孔介质模型第101-102页
    6.2 二维多孔介质内微流动的格子 Boltzmann 方法模拟第102-107页
        6.2.1 润湿性对二维多孔介质内微流动特性的影响第103-105页
        6.2.2 纳米颗粒吸附前后流动特性分析第105-107页
    6.3 三维多孔介质流动模拟第107-110页
        6.3.1 驱替过程模拟第108-109页
        6.3.2 壁面润湿性改变对流动特性的影响第109-110页
    6.4 本章小结第110-111页
第七章 结论与展望第111-114页
    7.1 结论第111-112页
    7.2 展望第112-114页
参考文献第114-124页
攻读博士学位期间发表的论文第124-126页
攻读博士学位期间参与的科研项目第126-127页
致谢第127-129页
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