濕潤性對孔隙介質(zhì)兩相滲流驅(qū)替效率的影響1)

魏鸛舉 胡 冉 廖 震 陳益峰

(武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室,武漢 430072)

(武漢大學(xué)水工巖石力學(xué)教育部重點實驗室,武漢 430072)

引言

巖石、土壤及沉積物等地質(zhì)材料中的多相滲流廣泛存在于諸多自然與工業(yè)過程中,例如,降雨入滲[1-2]與包氣帶水?氣遷移[3-4]、非水相污染物地下水修復(fù)[5-6]、油氣強化開采[7-10]、深部咸水層二氧化碳地質(zhì)封存[11-12]、核廢料地質(zhì)封存等[13].由于不同流體之間存在界面張力且互不混溶,多相滲流呈現(xiàn)出復(fù)雜的驅(qū)替模式或流動結(jié)構(gòu)[14-15].這些不同的驅(qū)替模式,與介質(zhì)固有特性(如濕潤性[16-17]、結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性[18-21]、粗糙度[22])、流動條件(注入流速[23]、重力效應(yīng)[24]) 和流體性質(zhì)(流體黏滯系數(shù)[25]、界面張力[26]) 密切相關(guān),對多相滲流過程的驅(qū)替效率[27-28]和宏觀滲流特性[29]起決定性影響.

孔隙介質(zhì)壁面濕潤性是影響多相滲流驅(qū)替模式的一個重要因素.在長期的地質(zhì)環(huán)境演變過程中,深部巖體受到諸多物理和化學(xué)作用,例如巖石孔隙壁面吸附有機(jī)物或二氧化碳等其他活性氣體,導(dǎo)致巖石孔隙壁面濕潤程度發(fā)生顯著改變[30-31].濕潤性的變化改變了流?流?固三相的接觸特性,進(jìn)而顯著影響多相滲流的驅(qū)替模式和驅(qū)替效率.在深部資源高效開采的工程實踐中,國內(nèi)外學(xué)者對濕潤性如何影響多相滲流驅(qū)替模式及效率,開展了廣泛而深入的研究.然而,由于濕潤性效應(yīng)的復(fù)雜性和多尺度特性,一些研究人員認(rèn)為,當(dāng)入侵流體與壁面的濕潤性增加時,驅(qū)替界面會變得更加穩(wěn)定,從而增加驅(qū)替效率[32-36].Cieplak 等[32-33]提出了3 種經(jīng)典的彎液面運動模式:Burst,Touch 和Overlap,他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)入侵相變得更加濕潤時,驅(qū)替模式變得穩(wěn)定,驅(qū)替效率增加.Holtzman等[34]建立了一種考慮流體動態(tài)效應(yīng)和濕潤性影響的細(xì)觀機(jī)理模型.該模型同樣表明,隨著濕潤性的增加,孔隙間的協(xié)同填充作用得到促進(jìn),從而使驅(qū)替鋒面變得穩(wěn)定.Jung 等[35]和Singh 等[36]的研究也表明:當(dāng)入侵相與介質(zhì)的濕潤程度增加時,驅(qū)替效率會隨之增大.

另一方面,一些研究結(jié)果表明,當(dāng)入侵相流體與介質(zhì)壁面的濕潤性增加時,驅(qū)替界面反而變得不穩(wěn)定,從而導(dǎo)致更小的驅(qū)替效率[37-39].Zhao 等[37]通過圓盤微觀模型實驗、Chaudhary 等[38]通過CT 巖芯驅(qū)替實驗、Spiteri 等[39]通過數(shù)值模擬實驗證實了這一觀點.這些研究表明,較小的入侵相接觸角能夠促進(jìn)“折斷”和“繞流”現(xiàn)象的發(fā)生,入侵相會優(yōu)先入侵直徑較小的孔隙,從而避開直徑較大的孔隙,捕獲大量的被驅(qū)替相流體.被驅(qū)替相一旦被捕獲后,很難再被驅(qū)替,因而驅(qū)替效率顯著減小.

在實驗方面,微流體技術(shù)是目前具有潛力的多相滲流可視化觀測技術(shù)之一[40].雖然微流體實驗無法還原自然界中真實的流動過程,但是在某種程度上能夠?qū)α鲃蝇F(xiàn)象進(jìn)行規(guī)律性地分析解釋[41].與傳統(tǒng)的CT 巖芯掃描技術(shù)或玻璃珠驅(qū)替實驗相比,微流體技術(shù)主要有以下優(yōu)勢:(1) 制作工藝簡單:實驗人員通常只需要購置基本原材料和常用設(shè)備便能加工得到所需的微流體芯片,能夠?qū)崿F(xiàn)對微流體芯片的低成本快速裝配[42];(2)可視化效果好:通過CCD 相機(jī)或光學(xué)顯微鏡便可實現(xiàn)對整個流動過程的實時動態(tài)觀測,圖像采集頻率可達(dá)100 幀每秒[21],遠(yuǎn)優(yōu)于CT掃描技術(shù)的采集頻率[38];(3) 實驗重復(fù)性好:微流體芯片的制作工藝精度較高[41],實現(xiàn)了對孔隙結(jié)構(gòu)和注入/出口等關(guān)鍵性因素的精確可控,確保了實驗結(jié)果的可重復(fù)性.

在以往的研究中,研究人員所使用的微流體模型圖案大多是通過計算機(jī)生成的圓柱形孔隙結(jié)構(gòu),與自然界中實際的巖石孔隙有較大差異.因此,本文基于自主搭建的微流體模型?顯微鏡?高速相機(jī)實驗平臺,通過對真實砂巖孔隙微流體模型進(jìn)行濕潤性修飾,開展了不同濕潤性條件下的兩相驅(qū)替實驗,研究了濕潤性和流速對流體分布特征和驅(qū)替效率的影響規(guī)律,證實了親水性介質(zhì)中由于單支優(yōu)勢通道和“繞流”現(xiàn)象的發(fā)生,驅(qū)替效率顯著小于疏水性介質(zhì),最后建立了考慮濕潤性效應(yīng)的毛細(xì)管數(shù)?驅(qū)替效率的關(guān)系式,進(jìn)一步闡明了濕潤性如何影響驅(qū)替效率這一問題.

1 實驗方法

1.1 可視化實驗平臺

采用圖1 所示的微流體可視化實驗平臺,開展水?氣兩相驅(qū)替實驗.該平臺主要包括微流體模型、成像系統(tǒng)和流量控制系統(tǒng)組成.為了較好地反映真實巖石的孔隙結(jié)構(gòu)特征,基于真實砂巖的切面圖案,委托微流控技術(shù)公司,在玻璃上(肖特B270)刻蝕如圖1(b)所示的孔隙通道網(wǎng)絡(luò),定制了相應(yīng)的微流體模型.模型長20 mm,寬10 mm,孔隙刻蝕深度為30μm,孔隙體積為3 μL,孔隙率為0.4.在成像系統(tǒng)方面,為了實時動態(tài)地捕捉微米和毫米級尺度下多相滲流的運動過程,在微流體模型頂端和底端分別安裝了高速相機(jī)(濱松科研級CMOS) 和光學(xué)倒置顯微鏡(Axio-Observer).實驗系統(tǒng)采用高精度注射泵(Harvard Apparatus 70?3007),實現(xiàn)注入流量從0.5 ～50μL/min 范圍內(nèi)的精確可控.

圖1 微流體模型?顯微鏡?高速相機(jī)實驗裝置Fig.1 High-speed camera-microscopy-microfluidic experiment system

1.2 濕潤性修飾

本研究中基于玻璃材質(zhì)刻蝕得到的微流體模型,往往具有親水性.由于玻璃表面容易受到雜質(zhì)污染,接觸角分布不均.為此,將濃硫酸(98%質(zhì)量百分含量)和雙氧水(30%質(zhì)量百分含量)按7:3 體積比配制成食人魚溶液[43],清洗微流體的孔隙通道,去除污物,同時產(chǎn)生大量羥基,確保壁面具有均勻的親水特征(見圖2(b)).

為了制備不同濕潤性的微流體模型,本文使用硅烷偶聯(lián)劑(正辛基三乙氧基硅烷)對微流體模型表面進(jìn)行疏水處理[44-46].其原理為:玻璃表面經(jīng)過食人魚溶液清洗后帶有大量的羥基,即含有大量的Si?OH鍵,硅烷偶聯(lián)劑水解后會產(chǎn)生C?Si?OH 鍵,可與玻璃之間形成?Si?O?Si?,進(jìn)而使得玻璃表面具有均勻的疏水特征(圖2(c)).

圖2 濕潤性測量示意圖Fig.2 Contact angle measurements under hydrophilic and hydrophobic conditions

圖2 濕潤性測量示意圖(續(xù))Fig.2 Contact angle measurements under hydrophilic and hydrophobic conditions(continued)

為了獲得改性后微流體模型壁面的接觸角,如圖2(b) 和圖2(c) 所示,首先將模型區(qū)域(20 mm×10 mm)劃分成100 個網(wǎng)格(2 mm×1 mm),然后用顯微鏡隨機(jī)選取每個網(wǎng)格內(nèi)的一個固體顆粒?水?空氣液面,以三相交匯處為頂點,分別以氣?液接觸面和固?液接觸面的切線為兩邊確定三相接觸角,采用ImageJ 軟件的角度測量功能對每個網(wǎng)格內(nèi)的接觸角進(jìn)行測量,最后將量取的所有液面進(jìn)行統(tǒng)計平均得到接觸角數(shù)值.

如圖2(a)所示,微流體模型壁面在不同的區(qū)域,具有相對穩(wěn)定的接觸角.經(jīng)統(tǒng)計,經(jīng)過表面親水性處理后的微流體模型,其接觸角為25?±5?,而經(jīng)疏水性處理后的接觸角為105?±5?.

1.3 實驗流程

在本文實驗中,液態(tài)水和空氣分別作為入侵相(invading phase)和被驅(qū)替相(defending phase).在實驗之前,將濕潤性修飾完成的微流體模型置于100?C的烘干箱中10 h,確保模型處于干燥狀態(tài).然后,將染色的液態(tài)水(染色劑1%質(zhì)量百分含量) 通過注射泵以定流量方式注入微流體模型中驅(qū)替空氣.在驅(qū)替過程中,照相機(jī)和顯微鏡連續(xù)地采集流動過程的圖像,直至入侵相流至模型的出口(突破).上述實驗過程中,溫度保持在25±0.5?C;分別對親水和疏水微流體模型開展0.5,1,5,10 和50μL/min 這5 組不同流量的驅(qū)替實驗,總計10 組實驗(表1).每片微流體模型只用一次并且對0.5μL/min 和50 μL/min 的工況重復(fù)進(jìn)行3 組實驗,以確保實驗的可重復(fù)性.由表1 可知,5 組不同的流量,對應(yīng)的毛細(xì)管數(shù)(lgCa)分別為?6.42,?6.12,?5.42,?5.12,?4.42,跨越兩個數(shù)量級.這與CO2地質(zhì)封存過程中CO2注入停止后地下水回流對應(yīng)的毛細(xì)管數(shù)范圍一致[47].與此同時,本文黏度比為M=55,也與地下水回流過程中超臨界CO2-水的黏度比(M=26)[48]處于同一量級,具有代表性,都屬于穩(wěn)定驅(qū)替區(qū)域.

表1 實驗條件Table 1 Experiment conditions

基于經(jīng)典的孔隙介質(zhì)兩相滲流驅(qū)替模式相圖[14,49],采用經(jīng)典毛細(xì)管數(shù)(Ca)和黏度比(M)對流動特征進(jìn)行刻畫,Ca和M的定義如下

式中,μi為入侵流體的黏滯系數(shù),μi=1 mPa·s,μ2為被驅(qū)替流體的黏滯系數(shù),μ2=0.018 mPa·s,σ 為水的表面張力72.8 mN/m,v為入侵相流體的平均流速,v=Q/Ac,Q為注入流體的流量,Ac為微流體模型進(jìn)口端的橫截面面積,Ac=W×h=10 mm×30μm.

1.4 圖像后處理

實驗過程中高速相機(jī)對微流體模型內(nèi)兩相流的運動過程進(jìn)行實時采集,通過高速相機(jī)采集的照片可以計算出驅(qū)替效率(Ed).具體步驟如下:首先,以未注入水的微流體模型圖片為背景,注滿水的微流體模型照片為前景,利用Matlab 程序進(jìn)行圖像“減”運算,消除不相關(guān)雜點的影響,計算出孔隙總體積;然后,將突破時的照片與未通水時的微流體模型照片相減,得到入侵相體積,將其除以孔隙總體積即為驅(qū)替效率.

為了檢驗本方法是否正確,本文對比了歸一化(除以孔隙總體積)后注射泵實際注入的流體體積與通過圖像后處理程序計算得到的流體體積,如圖3 所示.由質(zhì)量守恒定律可知,理論上兩者的關(guān)系曲線斜率應(yīng)該為1.由圖3 可知,兩者相差不超過8%,因此本文的圖像處理技術(shù)可以滿足精度要求.

圖3 入侵相體積的圖像后處理值(Vc)和實際值(Va)對比Fig.3 Comparing the Vc (the calculated volume)with the Va(the actual volume)

為了進(jìn)一步分析不同濕潤性條件下兩相流體的分布特征,本文對實驗圖片中的被驅(qū)替相(空氣) 團(tuán)簇進(jìn)行提取,并計算相應(yīng)的形態(tài)學(xué)統(tǒng)計參數(shù),包括團(tuán)簇的數(shù)量(N),團(tuán)簇的最大半徑(rmax),團(tuán)簇的平均半徑(ravg)和團(tuán)簇半徑的標(biāo)準(zhǔn)差(rσ).各個參數(shù)的定義如下

其中,Ai是團(tuán)簇面積.

2 結(jié)果與討論

2.1 孔隙介質(zhì)中兩相滲流的驅(qū)替模式

圖4 給出了不同濕潤性和流速條件下兩相流體界面的推進(jìn)過程.圖4 中,入侵流體的顏色變化從藍(lán)色至紅色按照彩虹式漸進(jìn),代表實驗從開始至突破時刻的時程變化.藍(lán)色表示入侵流體剛進(jìn)入微流體模型時刻的流體分布,紅色代表入侵流體流動至最右端時刻的流體分布,而灰色和白色則分別代表被驅(qū)替相(空氣) 和固相.在本文所開展的兩相驅(qū)替實驗中,水與空氣的黏度比為M=55.基于經(jīng)典的孔隙介質(zhì)兩相滲流驅(qū)替模式相圖[14,49],對于排水過程(疏水性介質(zhì),即入侵相接觸角大于90?),在M>1 的區(qū)域,驅(qū)替模式隨著毛細(xì)管數(shù)的增加由毛細(xì)指流(capillary fingering,CF)向穩(wěn)定流(compact displacement,CD)發(fā)生轉(zhuǎn)變.這一轉(zhuǎn)變規(guī)律與圖4(b)、圖4(d)、圖4(f)、圖4(h)和圖4(j)完全吻合.如圖4 第二列所示,在低毛細(xì)管數(shù)下(lgCa=?6.42),兩相滲流過程呈現(xiàn)出強烈的指流形態(tài)特征.受到毛細(xì)力的主導(dǎo)作用,兩相流體界面的推進(jìn)方向,可以與主流動方向不一致,出現(xiàn)垂直于主流動方向(圖4(j)中的箭頭1)甚至與主流動相反的方向(圖4(j) 中的箭頭2).隨著流速的增大,毛細(xì)管數(shù)從lgCa=?6.42 增大到lgCa=?4.42,毛細(xì)力效應(yīng)逐漸減弱,上述任意方向的驅(qū)替行為將受到明顯的抑制,界面的推進(jìn)方向趨向于主流動方向(圖4(h)中的箭頭3 和圖4(b)中的箭頭4),多相滲流流態(tài)從毛細(xì)指流向穩(wěn)定流發(fā)生轉(zhuǎn)變.

圖4 濕潤性和流速控制下的驅(qū)替模式Fig.4 The displacement patterns for different wettability conditions and capillary numbers

對于親水性孔隙介質(zhì)而言,如圖4(a)、圖4(c)、圖4(e)、圖4(g)和圖4(i)所示,在低流速條件下(lgCa=?6.42),兩相流體界面的推進(jìn)過程與疏水性存在顯著差異.盡管在該流速條件下,親水性介質(zhì)中也呈現(xiàn)出指流特征,但是,指進(jìn)的寬度(圖4(i))明顯小于疏水性介質(zhì)(圖4(j)).隨著流速的增大,黏滯力效應(yīng)顯著增強,兩相流體的分布特征沒有呈現(xiàn)出顯著的差異(圖4(a)和圖4(b)對比).由此可見,濕潤性對兩相滲流驅(qū)替模式的影響,隨著流速的增大而逐漸變?nèi)?這一實驗觀測現(xiàn)象與以往的理論研究結(jié)論一致[16].對于另外一些學(xué)者的觀點[32-36],他們認(rèn)為當(dāng)濕潤程度增加時,驅(qū)替效率會隨之增大.本文實驗結(jié)果無法完全否定這一結(jié)論,其原因是這些學(xué)者所采用的孔隙結(jié)構(gòu)大多是分布較為均勻的圓柱形結(jié)構(gòu),其連通性、孔喉分布與本文所用的微流體模型有較大差異.

2.2 突破時刻兩相流體的分布特征

圖4 給出了試樣尺度下兩相驅(qū)替過程中的流體動態(tài)分布特征,這些運動特征取決于孔隙尺度下界面的形態(tài)及其分布特征.基于本實驗平臺中的顯微觀測技術(shù),圖5 給出了突破時刻兩相流體的兩種不同的微觀分布特征.在親水性微流體模型實驗中(圖5(a)),空氣團(tuán)簇傾向于聚集、長條狀并充滿多個連續(xù)的孔隙;而在疏水性微流體實驗中(圖5(b)),空氣團(tuán)簇的分布則較為分散,被單獨捕獲在喉道處.此外,由于濕潤性改變了流?流?固三相的接觸特性,親水性實驗中兩相流體界面曲率要明顯大于疏水組.

圖5 空氣團(tuán)簇形態(tài)圖Fig.5 The shapes of trapped air clusters

為了進(jìn)一步分析濕潤性和流速如何影響兩相流體的分布特征,本文對突破時刻的被驅(qū)替相(空氣)進(jìn)行提取,并基于式(3)～式(6)計算了相關(guān)的統(tǒng)計參數(shù).如圖6 所示,親水組實驗中的N要小于疏水組實驗,但是rmax大于疏水組實驗.其原因是當(dāng)微流體模型呈親水性時,被驅(qū)替相傾向于形成連通的空氣團(tuán)簇并占據(jù)較大的孔隙體積(如圖5(a)所示),因此rmax相對較大、但是N卻較小;而在疏水組實驗中,空氣團(tuán)簇以較小體積分散存在于喉道處(如圖5(b)所示),較難形成較大體積的連通區(qū)域,因此rmax相對較小,但是N卻較大.與此類似,親水組實驗中的rσ和ravg也均大于疏水組實驗.

圖6 被驅(qū)替相團(tuán)簇相關(guān)統(tǒng)計參數(shù)隨毛細(xì)管數(shù)變化關(guān)系圖Fig.6 Trapped air cluster characteristics under hydrophilic and hydrophobic conditions

圖6 被驅(qū)替相團(tuán)簇相關(guān)統(tǒng)計參數(shù)隨毛細(xì)管數(shù)變化關(guān)系圖(續(xù))Fig.6 Trapped air cluster characteristics under hydrophilic and hydrophobic conditions(continued)

當(dāng)毛細(xì)管數(shù)增大時,從圖6 中可以發(fā)現(xiàn),無論是親水組還是疏水組實驗,N均隨著毛細(xì)管數(shù)的增加而增大(圖6(a)),而rmax,rσ和ravg隨著毛細(xì)管數(shù)的增加而減小(圖6(b)～圖6(d)).這是因為當(dāng)流速增大時,體積較大的空氣團(tuán)簇發(fā)生了“破碎”現(xiàn)象[50-51].大團(tuán)簇被入侵相沖擊破碎后產(chǎn)生了許多小團(tuán)簇,所以團(tuán)簇數(shù)量增多,但單個體積卻減小.在這個破碎過程中,每個小團(tuán)簇的體積也變得更加均勻(圖6(c)).與圖4所呈現(xiàn)的規(guī)律一致,當(dāng)毛細(xì)管數(shù)增大時,親水組與疏水組實驗中rmax,rσ和ravg的差異逐漸減小,表明濕潤性對多相滲流的影響隨著流速的增大而減弱.

2.3 濕潤性對驅(qū)替效率的影響規(guī)律

上文分別從試樣尺度和孔隙尺度分析了濕潤性對驅(qū)替模式和流體分布的影響規(guī)律.這些定性和定量分析,為研究濕潤性對驅(qū)替效率的影響機(jī)制奠定了基礎(chǔ).基于1.4 節(jié)中所述的圖像后處理方法,本文計算了親水性和疏水性共10 組實驗的驅(qū)替效率.如圖7 所示,當(dāng)毛細(xì)管數(shù)較小時,在親水組實驗中,入侵相會呈現(xiàn)出特殊的單支流動結(jié)構(gòu)(圖7(b),圖7(d)),指進(jìn)前端會沿著單支優(yōu)勢通道推進(jìn).這一流動結(jié)構(gòu)與毛細(xì)管數(shù)無關(guān),即使在大毛細(xì)管數(shù)條件下也能夠發(fā)生(圖4(c) 和圖4(e)).此外,與疏水組實驗對比,親水性微流體模型中的指進(jìn)寬度較小,指進(jìn)的形成與發(fā)展較快.其原因是,在親水性孔隙介質(zhì)中,由于水與孔隙壁面較強的親和能力,毛細(xì)力效應(yīng)顯著,入侵相形成較細(xì)的毛細(xì)指進(jìn).這些毛細(xì)指進(jìn),往往形成“繞流”現(xiàn)象,進(jìn)而捕獲較多的空氣團(tuán)簇(trapped air),如圖7(b)和圖7(d)所示.最終,在親水性條件下,驅(qū)替效率將顯著減小.而在疏水組實驗中無法觀察到明顯的單支流動現(xiàn)象,指進(jìn)寬度較大,指進(jìn)前端的發(fā)展速度較慢,“繞流”現(xiàn)象受到抑制,驅(qū)替效率較高(圖7(c) 和圖7(e)).由此可見,本文的實驗結(jié)果證實了以往的研究結(jié)論[37-39],即在親水性(25?) 條件下,由于單支優(yōu)勢通道和“繞流”現(xiàn)象的發(fā)生,驅(qū)替效率顯著減小.

當(dāng)毛細(xì)管數(shù)較大時,黏滯力占據(jù)主導(dǎo)地位,濕潤性對驅(qū)替效率的影響程度受到抑制.驅(qū)替形態(tài)從毛細(xì)指進(jìn)演變成穩(wěn)態(tài)驅(qū)替,驅(qū)替鋒面較為平緩,驅(qū)替效率較高.基于疏水性和親水性條件下驅(qū)替效率的實測數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)驅(qū)替效率和毛細(xì)管數(shù)近似滿足線性關(guān)系(圖7(a))

式中,親水性條件下,α=0.30,β=2.26;疏水性條件下,α=0.16,β=1.70.

在圖7(a) 中,由于毛細(xì)管數(shù)是基于式(1) 確定的,該式中沒有包含刻畫濕潤性的相關(guān)參數(shù).因此,圖7(a) 中給出的Ed–Ca關(guān)系式,無法考慮濕潤性的影響.為了建立不同濕潤性條件下Ed–Ca的統(tǒng)一關(guān)系,本文參考以往研究[52-53],引入接觸角θ 對毛細(xì)管數(shù)進(jìn)行修正,給出了修正毛細(xì)管數(shù)Ca?

圖7 濕潤性對驅(qū)替效率的影響Fig.7 Effect of the wettability on displacement efficiency

基于式(8),驅(qū)替效率與修正毛細(xì)管數(shù)的關(guān)系曲線如圖8 所示.由圖可知,不同濕潤性條件下,實驗數(shù)據(jù)均勻分布在趨勢線的兩側(cè),驅(qū)替效率與修正毛細(xì)管數(shù)呈現(xiàn)較好的線性相關(guān)關(guān)系.因此,該相關(guān)關(guān)系提供了不同濕潤性條件下驅(qū)替效率的潛在預(yù)測方法.但是,在試樣尺度或者更大尺度(如場地尺度),這種流動機(jī)理的影響如何,需要進(jìn)一步研究.

圖8 驅(qū)替效率與修正毛細(xì)管數(shù)的關(guān)系Fig.8 Relation between Ed and Ca?

此外,式(8)只適用于高黏度流體驅(qū)替低黏度流體情況.對于低黏度流體驅(qū)替高黏度流體的非穩(wěn)定驅(qū)替情況,驅(qū)替模式的轉(zhuǎn)變特征與本文的研究結(jié)論有差異.對于后者,驅(qū)替模式將由毛細(xì)指流轉(zhuǎn)變到過渡流然后轉(zhuǎn)變?yōu)轲ば灾噶?且濕潤性對驅(qū)替模式的轉(zhuǎn)變規(guī)律具有顯著影響[54].

3 結(jié)論

本文利用自主搭建的微流體模型?顯微鏡?高速相機(jī)實驗平臺,開展了砂巖孔隙微流體模型中的兩相驅(qū)替可視化實驗,研究了濕潤性和流速對兩相滲流運動特性的影響.主要結(jié)論如下:

(1)在不同濕潤性條件下,驅(qū)替模式隨著流速的增大都由毛細(xì)指流向穩(wěn)定流發(fā)生轉(zhuǎn)變;

(2) 濕潤性對兩相流體的分布特征具有顯著影響.受到毛細(xì)力效應(yīng)的影響,親水性介質(zhì)中被驅(qū)替流體團(tuán)簇的數(shù)量小于疏水性介質(zhì),而被驅(qū)替流體團(tuán)簇的最大半徑、平均半徑和方差均大于疏水性介質(zhì);

(3) 親水性介質(zhì)中單支優(yōu)勢通道和“繞流”現(xiàn)象的發(fā)生,顯著降低了驅(qū)替效率;建立了考慮濕潤性影響的驅(qū)替效率和毛細(xì)管數(shù)之間的統(tǒng)一關(guān)系式,提供了一種對不同濕潤性條件下驅(qū)替效率的潛在預(yù)測方法.