多孔介質細觀流動理論研究進展

朱維耀，李 華，鄧慶軍，馬啟鵬，劉雅靜

1) 北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083 2) 大慶油田第一采油廠，大慶163000

多孔介質廣泛存在于地下巖石、生物仿生和工程材料中，但由于多孔介質內孔隙微小、復雜且其中流體(液體和氣體等)的流動理論尚不完善，使得大量多孔介質內流體的流動問題亟需解決，如頁巖油氣開發(fā)、土壤滲流、人體毛細管網絡和碳納米管(Carbon nanotube，CNT)等. 目前研究人員大都將多孔介質內流體的流動尺度劃分為細觀尺度(特征長度l=10 nm～1 mm)和宏觀尺度(l＞1 mm)兩種[1-2]. 隨著微電子機械系統(tǒng)（Micro electro mechanical system，MEMS）、3D模型打印技術、原子力顯微鏡 (Atomic force microscope，AFM) 、表面力儀 (Surface force apparatus，SFA)、顯微離子測速儀 (Micro/Nano particle image velocimetry，Micro/Nano PIV)、巖心重構和孔隙網絡仿真模擬等技術的誕生和不斷進步，多孔介質中流體的流動理論在近些年來已經得到了相當的發(fā)展，尤其是對細觀尺度下的多孔介質內流動理論及其相互之間耦合作用的研究現已成為石油工程、地質學、地下水水文學和生物滲流等領域研究者所關注的重要課題[3-5].

石油工程領域對多孔介質內流體流動理論的研究主要是針對宏觀尺度下的流動，其基本假設條件是連續(xù)介質場[6]. 但隨著“美國頁巖氣革命”的成功，石油開發(fā)過程中多孔介質中流動特征尺寸不斷減小，由宏觀（Macro scale）逐步轉向細觀（Meso scale），特別是納微米孔隙（如超低滲、頁巖/致密油氣儲層多孔介質等）[7-8]. 因此，隨著大家對細觀尺度的多孔介質越來越感興趣，關于細觀流體力學的發(fā)展將面臨很多全新的挑戰(zhàn)，比如如何修正宏觀動力學方程和邊界條件以適應細觀流動問題的研究，在細觀尺度下如何解釋多孔介質內流體流動機制，以及如何構建考慮微觀力作用的孔隙網絡模型等，這些問題都需要進一步去探索[6,9-10].本文致力于關注多孔介質細觀流動理論的發(fā)展現狀與應用前景，提出了當前多孔介質細觀流動理論發(fā)展所面臨的基本科學問題，綜合分析了針對目前石油工程領域所面臨的實際問題以及與之對應的多孔介質中細觀流動理論的研究進展，同時介紹了本課題組研究的一些最新成果，以期為未來多孔介質內細觀流體的流動機制的完善和工程實際應用提供一定的理論指導.

1 多孔介質細觀流動研究的歷史回顧

多孔介質中細觀尺度流動所基于的影響因素與宏觀流動不同，主要差別表現在非線性滲流、連續(xù)介質假設條件、微尺度效應和表界面微觀力，由于不同研究者在研究條件和實驗方法等選取上的不同，其結果也各有差異[11-12]. 關于細觀尺度的流動問題早在20世紀70年代的“芯片式制冷器”[13]和“色譜儀”[14]的工作中就引起了部分研究者們的關注，他們起先研究的是關于氣體在微管道內的流動[15]；80 年代后，一些學者對微尺度下的液體流動問題也有所關注，但由于液-液/液-固間微觀力作用的存在，使其力學特性更加復雜[16]；90 年代“微流控芯片”技術的被應用于微流動的實驗和模擬，以研究微觀尺度下界面作用對流體運動規(guī)律的影響[17-18]；隨著21世紀后“納米技術”的飛速發(fā)展，針對多孔介質中微流動的研究更加火熱，如各種微觀力對多孔介質中微流動的影響[19]、利用分子動力學（Molecular dynamics，MD）手段研究微流動過程中的界面現象[20]、格子玻爾茲曼（Lattice Boltzmann method，LBM）[5]和多孔介質網絡模型的重構模擬多孔介質中的流動問題等[9,21-23].

1.1 理論分析

流體流動的理論描述，需要明確正確可解的連續(xù)方程、動量方程和邊界條件[24]. 1856年達西定律（Darcy law）的提出為多孔介質中流體流動問題的理論研究奠定了基礎，如在石油工程中達西定律是油氣在巖石孔隙中流動的基本場方程[25-27].2002 年 Civan[28]利用努森數（Knudsen number，Kn）的范圍，將氣體流動分為連續(xù)流、滑移流、過渡流和自由分子流，橫跨多個特征尺寸且有相應的流動基本方程，如圖1所示[29]. 本部分主要介紹在修正細觀尺度流動中的基本場方程和邊界條件時所考慮的關鍵因素，如多尺度效應、流體微可壓縮性、界面效應和微觀力等.

圖1 不同“努森數”下的氣體流動方程[29]Fig.1 Gas flow equations at different “Knudsen numbers”[29]

多孔介質細觀流動中的“尺度效應”十分明顯，由宏觀尺度（l＞1 mm）到細觀尺度（l=1 nm～1 mm）特征尺寸縮小了近6個數量級，甚至更小，因此在研究細觀流動問題時首先要考慮流體本征尺寸和多孔介質適配性的問題，以及由尺度范圍變化所引起的多尺度效應[30-31]. Keenan與Neumann[32]通過研究管道（直徑d=1～2 mm）內可壓縮氣體的流動問題后發(fā)現在湍流情況下與在大管道中的流動無異. 但隨著人們研究的微通道尺度（直徑d=1 nm～1000 μm）的不同，摩擦系數（Frictional coefficient，λ）與雷諾數（Reynolds number，Re）的乘積也略微偏離常規(guī)值，如著名的哈根-泊肅葉定律（Hagen-Poiseuille law，H-P）[33]. 目前滑移邊界條件已經得到大多學者的認可，并先后提出了表面潤濕性、表面氣體層和表面粗糙度等理論，但是對于實際中流體是形成黏滯層還是如線性滑移模型所述直接在固體表面產生滑移依然存在一定爭議[11,24]. 界面作用是導致微流動不同于宏觀流動的主要原因，對于細觀流動界面間的相互作用力的大小受到管道的截面形狀、變形率和粗糙度的影響，也和流體性質比如流體的極性、壓縮性以及流體內是否含有氣泡等因素密切相關[9,19,34]. 關于液體微流動目前仍沒有完善的分子動力學理論，也沒有類似Kn數的量綱一的參數將宏觀與細觀相聯系，目前針對細觀尺度流動理論研究集中于液體，如固液界面滑移、電黏動力學效應和微觀力效應等[11].

1.2 實驗研究

納微米實驗測量儀器研究多孔介質中細觀尺度下的流體流動問題是研究人員所采用的最直接的手段，如原子力顯微鏡/表面力儀（AFM/SFA）[35]、氧化鋁薄膜（Porous anodia alumina，PAA）[36]、微圓管（Microtube，MT）[10]、Micro/Nano PIV[37]、微通道（Microchannel，MC）[3]、核磁共振（Nuclear magnetic resonance，NMR）[38]和計算機斷層掃描（Computed tomography，CT）[38]等. 本部分主要介紹這些納微米實驗測量儀器及技術在解決一維（1D）、二維（2D）和三維（3D）多孔介質細觀流動方面的應用進展（圖 2）.

圖2 不同“微測量儀器”的尺度范圍Fig.2 Scale range of different “micro-measuring apparatus”

李戰(zhàn)華與鄭旭[30]認為目前細觀流體流動測量仍然沿著經典流體力學測量“小型化”的思路開展. 石英微圓管（管徑d=10 μm～10 mm）作為一種研究一維微流動問題的實驗材料進入研究人員的視野. 王渝明等[39]研究了N2在微管中的流動規(guī)律，微尺度效應越顯著實驗流量越偏離達西理論流量，非線性流動特征也越明顯；Jerauld與Salter[40]、McDougall與Sorbie[41]研究并計算了潤濕性對水驅油效果的影響，并繪制了油水相對滲透率曲線； Bonaccurso等[35]利用AFM研究了不同粗糙度硅片在去離子水中的邊界滑移特性；這些實驗多是通過對微流體一維尺度流動的研究來尋找流體微尺度效應的判斷參數和臨界值等. 隨著“芯片實驗室”的出現使得細觀流動的研究由一維流動升級到了二維流動，如Wang等[42]研發(fā)了一種控制微通道內壓力驅動多相流界面位置的新設備，并為解決微通道內兩流體流動的非匹配黏性問題提供了一種新的方法. MC與Micro/Nano PIV等結合后尺度范圍（100 nm～1 μm）更為廣泛且逐步實現了三維流動問題的研究，Ou與Rothstein[37]利用PIV測量了采用光刻技術加工的具有表面微結構的超疏水硅片表面的邊界滑移長度；Datta 等[43]使用共焦顯微鏡（Focused ion beams and scanning electron microscopy，FIB-SEM）直接觀察三維多孔介質中非濕潤流體的形成和復雜形態(tài). Arif等[44]認為要想完整描述頁巖微觀結構，需要跨多個尺度.

1.3 數值模擬

孔隙網絡模型（Pore network model，PNM）是一種利用計算機技術并結合圖像處理學、拓撲學、幾何學等，在微觀尺度下進行多孔介質的微觀網絡構建、孔喉仿真模擬和分子間作用描述，且能夠較為真實地反映復雜的多孔介質微觀流動規(guī)律的方法[45]. 本部分主要介紹分子動力學模擬（MD）、格子玻爾茲曼方法（LBM）模擬和孔隙網絡模型（PNM）的構建及其在微流動仿真模擬中的應用，通過成像技術（Micro CT、NMR和FIBSEM等）獲取多孔介質的基本孔隙特征，并按照模型構造方法利用計算機模擬軟件（MS、Fluent、Comsol和CFD-ACE等）完成構建并進行仿真模擬（圖 3）[5,23].

圖3 孔隙網絡模型及應用軟件分類[27, 46]Fig.3 Pore network model and application software classification[27, 46]

1956年Fatt[47]研究毛管壓力特征時首次引入網絡模型，Dullien等[48]對他的研究進行了補充和完善. 此后，國外許多學者對多孔介質網絡模型的構建和應用作了大量工作，目前已被廣泛應用于模擬各種不同的流動過程，包括相交換、化學反應輸運、非牛頓驅替和非達西流等[21,49-50]. Ju等[5]建立了二維細觀尺度多組分LBM水驅油模型，并比較了不可壓縮流體密度比對兩相驅替的影響.Xie等[51]對潤濕黏彈性流體進行了LBM建模，并研究了3種不同的孔隙幾何結構中液滴的運移、捕獲等. Cai等[22]利用MD模擬得到的單縫模型孔隙中的輸運擴散系數計算有效擴散系數. 王金勛等[52]利用PNM研究了水驅油兩相滲流規(guī)律，計算了非穩(wěn)態(tài)法油水相對滲透率曲線和氣液體系滲吸過程的相對滲透率. Wang等[23]為了預測頁巖表觀滲透率，將MD和PNM相結合，建立了一個多尺度的頁巖氣滲流模型. 目前研究的網絡模型大多為準靜態(tài)網絡模型，考慮了毛管力的作用，忽略了各種微觀力的影響，也沒考慮巖石骨架與流體之間的界面作用，更無法真實地反映微觀尺度下流體的流動機制.

2 細觀尺度下流體流動的主要特征

隨著多孔介質中流體流動過程中的孔隙特征、界面效應及尺度問題等越來越復雜，研究人員更加關注細觀尺度下多尺度效應、微可壓縮性、界面效應和微觀力作用等所帶來的變化，特別是在油氣滲流、多孔介質材料科學和納米科學等領域. 本部分將對細觀尺度下流體流動的幾個主要特征作詳細論述.

2.1 多尺度效應

目前對于單一尺度下流體流動的研究已經相對成熟，然而對于分子尺度微觀作用方面的研究尚不完善. 多尺度效應(細觀-宏觀)是在探尋流動過程中小尺度對大尺度的影響規(guī)律，完成宏觀性能預測或通過微觀結構設計改進材料性能所必須要考慮的主要因素之一[53].

本文主要針對現代油氣滲流過程中的多尺度問題進行評述. 對于油氣儲層而言，其非均質性尤為顯著，特別是當前研究的熱點— —非常規(guī)儲層滲流過程存明顯的多尺度特性. 從多尺度劃分上看，現代油氣滲流過程橫跨細觀尺度和宏觀尺度，在不同尺度上具有不同的滲流模型，如表1所示.宏觀尺度的油氣藏滲流主要以達西流和自由流為主，而對于細觀尺度而言，其油氣滲流呈現明顯非線性規(guī)律，達西定律不再適用；于是研究人員針對不同尺度多孔介質的滲流模型做了大量的實驗和理論上的修正，目的是以滿足當前非常規(guī)油氣藏的開發(fā)需求. 針對非常規(guī)油氣藏，馬勇軍與王瑞飛[54]、馬銓崢等[55]、鄧佳[56]也針對不同非常規(guī)油氣藏的特點構建了相應的滲流模型；而對于低滲透油藏(細觀尺度)，黃延章[57]、姚約東與葛家理[58]、楊清立等[59]、鄧英爾與劉慈群[60]、以及黃延章等[61]建立了大量分段模型和連續(xù)模型.

表1 不同尺度油氣滲流數學模型Table 1 Mathematical models of oil and gas seepage in different scales

目前非常規(guī)油氣藏由于壓裂技術的廣泛應用，尺度范圍跨越寬，其多孔介質流動問題更加復雜(主裂縫-微裂縫-基質)，因此對多尺度效應對于流動影響的研究尤為重要. 同時，筆者在研究非常規(guī)油氣滲流問題時提出了“三大區(qū)，五小區(qū)”的多尺度描述方法來進行產能模型的研究，如圖4所示[8].

圖4 “三大區(qū)，五小區(qū)”多尺度模型[8]Fig.4 Multi-scale model of the “three large zones, five small zones”[8]

2.2 微可壓縮性

流體的微可壓縮性在很多應用領域廣泛存在，如液體在微小多孔介質內的流動[62]，液體的微可壓縮性在高壓低速條件下變得重要，尤其是在細觀尺度下. 液體流體在細觀尺度流動時，流速明顯低于同尺度下的泊肅葉流速，那是因為我們往往忽略了微可壓縮性，但在細觀尺度油氣滲流中，地層壓力大，液體流體表現出較為明顯的微可壓縮性. 本部分主要針對液體流體的微可壓縮性對細觀尺度油氣滲流的影響展開評述.

油氣滲流屬于高壓低速流（低馬赫數流），對其進行數值模擬的手段一般會針對是否忽略密度的微小變化展開討論，因為其微小密度變化是否可以被忽略，是由所研究問題是否需要涉及流體的微可壓縮性所決定的. 向大平等在2002年前后提出并驗證了一種低馬赫數流動數值模擬方法——微可壓縮模型(Slightly compressible model：SCM)[63-64].對于微可壓縮流體的流變學模型，我們可以根據最基本的流變學模型（馬克斯威爾模型（Maxwell）、開爾文模型（Kelvin）以及賓漢模型（Bingham)）進行適當的選擇并進行修改[49,65-66]. 張雪齡等[34]、栗雪娟等[67]、Venerus[68]針對微可壓縮黏性流體進行了詳細研究，采用正則攝動法求得攝動解，發(fā)現壓降和阻力系數明顯偏離了不可壓縮流體. 到目前為止對微可壓縮流體的數學模型的研究發(fā)現它可以提高低馬赫數流動計算精度，且對于定常計算其殘差能夠收斂到零[69-70]. 筆者團隊張雪齡博士[71]對圓管中的單相和兩相微可壓縮流體的不穩(wěn)定流動進行了詳細研究，建立了非穩(wěn)態(tài)流動數學模型，分析了單相和兩相流動規(guī)律，發(fā)現微可壓縮性對流體的微尺度效應影響顯著，并給出了微圓管中流體流動的“臨界啟動尺度”，對多孔介質細觀流動中的微可壓縮性對油氣滲流機理的影響有了更加全面的認識.

2.3 界面效應與微觀力作用

在以往的油氣滲流力學研究中，通常只需描述常規(guī)多孔介質中的油氣滲流規(guī)律，所以其流動行為可通過達西定律（或泊肅葉定律）進行描述，許多微觀作用機理如流體界面效應和微觀力作用等均不起主要作用，因此可以忽略. 然而，非常規(guī)油氣藏的孔隙結構往往非常小，流體受界面效應和分子間微觀作用力的影響將越來越明顯，呈現出不同于宏觀尺度下統(tǒng)計規(guī)律的特性，從而導致牛頓流體也呈現出非牛頓流體的性質，極大的表面積/體積比值還導致了分子間作用力（范德華力）、電黏性效應、空間位形力和流體在固壁產生的界面效應等. 使用傳統(tǒng)的達西定律或泊肅葉定律已不能準確描述這些微觀因素，如Liu與Li[72]采用蘭納-瓊斯勢 (Lennard-Jones potential) 表征了流體分子與壁面的范德華力作用，并發(fā)現流體在納米多孔介質中流動時N-S方程將不再準確；Yang與Li[73]發(fā)現受雙電層影響的流體流速明顯偏離了泊肅葉流；另外，朱維耀等[74]建立了考慮聚合物軟顆粒在通過微通道時的空間位形力作用的微圓管滲流模型. 在非常規(guī)油氣開發(fā)的大背景下，宏觀流動規(guī)律與理論不能準確描述并解決細觀尺度多孔介質中的流體流動問題已成為當下現場實際生產中所面臨的重要窘境. 因此有必要對細觀尺度中的非線性流動進行研究，并建立新的研究方法，解決細觀尺度下多孔介質中流體流動的界面效應、微觀力作用規(guī)律和非線性流動等問題. 本課題組通過納微米管等設計實驗[75]和細觀力學理論[76]，分析了納微米管界面特性與界面力作用關系及其與流體流動特性的關系，進行納微米管界面與流體特性參數表征，搞清網絡結構性能對單相、兩相流體特性的影響關系，闡明介質結構尺度、流動界面、流體相、微觀力等特性關系.

3 多孔介質中流體流動仿真模擬

非常規(guī)油氣資源開發(fā)正在如火如荼的進行當中，其中對于細觀尺度的巖石孔隙結構中油氣的賦存狀態(tài)和流動規(guī)律的研究尤為重要，而“孔隙網絡模型”[47]的誕生為解決和完善細觀多孔介質中的流動理論提供了一種行之有效的方法. 近20年來，油氣開發(fā)領域的大量國內外專家學者利用該方法來研究非常規(guī)油氣在細觀尺度多孔介質中的流動問題，它能夠在一定程度上還原真實巖心的孔隙空間特征，如果再通過室內實驗手段人為賦予其相應油氣滲流參數，就可以模擬計算或定量預測細觀尺度孔隙結構中的油氣滲流規(guī)律.

3.1 巖心孔隙網絡重構技術的發(fā)展

目前巖心孔隙網絡模型重構方法主要是物理方法和數值方法，物理方法都是借助CT、SEM等高精度儀器獲取巖心內部結構從而對其進行重構；數值方法先根據巖心圖像獲取必要的信息，之后建立數字巖心Hazlett[77]和Coles等[78]根據超薄切片法以及相關函數構建出了三維數據場，利用CT、NMR等技術實現多孔介質三維孔隙空間圖像再現技術. Joshi首次提出了利用統(tǒng)計方法重建巖石孔隙空間[79]，Quiblier在Joshi的算法基礎上，進一步發(fā)展了非線性算法，建立了三維孔隙空間[80]. 但后來研究人員發(fā)現對于只使用孔隙度等不能準確描述多孔介質的微觀孔隙結構，于是又引入了一些新的約束條件，如孔隙通道長度、孔喉信息等[81].也有研究人員采用模擬退火的方法來進行巖心重構工作，該方法計算過程復雜，僅僅使用在組分較為簡單的巖石孔隙中[82-84]. 隨后，馬爾科夫鏈-蒙特卡洛法(MCMC)被Wu等研究人員應用于研究土壤結構，并拓展到了三維數值巖心的重構，后經一些學者的研究發(fā)現MCMC法可以精度較高地完成均質巖心孔隙結構的重構工作[85]. 縱觀巖心孔隙結構重構技術的發(fā)展，目前對于巖心孔隙結構的重構技術的研究任重而道遠，而應用相對成熟的孔隙網絡模型的方法來研究細觀多孔介質中的流動問題更加便捷、準確.

3.2 考慮微觀力作用的孔隙網絡模擬

微觀網絡模型可以作為微觀尺度下描述分子之間作用特性的一種仿真模擬手段，可以與室內實驗結果高度配合，是研究孔隙介質中微觀作用的一種有效手段. 早在2000年胡雪濤與李允[86]就采用定向滲流理論完成了可以簡單模擬微觀剩余油分布的隨機網絡模型的構建工作. Blunt等[87]建立可以描述多孔介質中多相流潤濕性的孔隙網絡模型，并簡單完成了Berea砂巖中油水相對滲透率的預測工作. 徐守余與李紅南[88]等研究了儲集層喉道網絡場的變化和對剩余油的影響情況. 隨后，王克文等[89]利用孔隙網絡模型研究了聚驅后不同孔隙結構中剩余油的分布情況. 姚軍等[90]建立了由孔隙-喉道組成的三維網絡模型，完成了對毛細管壓力和相對滲透率的求解模型. 張鵬偉與胡黎明[91]考慮巖石孔隙特征參數建立了等效孔隙網絡模型. 目前，對于細觀孔隙中的微觀力作用對流體流動影響的研究，難以真實反映流體在多孔介質中的流動. 為了更加準確地刻畫細觀尺度下孔隙中流動問題，筆者建立了考慮微觀力作用的油水兩相網絡仿真模型，并計算歸納了孔喉特征及壓力特征等因素對含水率及相對滲透率的影響規(guī)律，進一步明確了細觀孔隙中流體流動的力學特性. 然而，目前的網絡仿真研究的模型規(guī)模太小，最大規(guī)模也僅在毫米級（小于5 mm），與巖心的厘米級尺度相差很大，難以與巖心實驗進行對比研究，不能歸納總結納微米孔隙中的流動規(guī)律. 有必要進一步擴大網絡模型的規(guī)模，使實驗和模擬結合進行研究. 為此，需要開展細觀層面上的納微米尺度流動實驗、理論及模擬研究，進一步提高實驗手段和技術，搞清流體在分子間微觀作用力的影響下的流動機理，形成微尺度下的流動模型，并以此為基礎，構建考慮微觀作用力的大規(guī)模計算機仿真模型，與實驗結果相互驗證，分析微觀尺度流體流動機制以及提高采收率方法尤為重要.

4 多孔介質中的流體動力學機制

石油領域的相關學者在研究細觀尺度巖石孔隙中的流體流動時發(fā)現，油水兩相流體在孔隙喉道中的流動受到各種力的作用，其相互之間的力學機制相當復雜；如果從宏觀和微觀的角度出發(fā)，多孔介質中水驅替原油過程中的力學關系可以分為宏觀力和微觀力兩大類. 本部分主要介紹了細觀尺度下油水流動動力學機制的研究現狀及發(fā)展方向.

4.1 多孔介質中剩余油形成機制

針對頁巖等非常規(guī)儲層多孔介質中剩余油形成問題，主要需要解決的是細觀尺度巖石孔隙中的油水分布及流動狀態(tài). Pak等[38]利用CT成像技術，定量可視化地分析了在低、高毛管數下注入潤濕相（鹽水）后，對高非均質性碳酸鹽巖中的非潤濕相（油）的原位結構進行表征. 閆偉超與孫建孟[92]探討了各種物理實驗技術和數值模擬方法在剩余油研究中應用的優(yōu)缺點. 王芳芳等[93]對剩余油的賦存狀態(tài)進行了重新劃分. 目前針對剩余油研究多以直接觀察為主，但對于其形成機制的定量研究較少. 筆者通過開展多孔介質細觀動力學研究，建立了考慮固液分子作用、粗糙度影響的微圓管單相和兩相流體流動動力學數學模型，揭示了流體在微通道內的流動規(guī)律[31,34]；根據建立的微圓管流動數學模型[76]，依據質量守恒定律，建立了水驅動態(tài)網絡結構數學模型，該模型不同于準靜態(tài)網絡模型，不僅考慮了黏滯力與毛管力的作用，同時還考慮了巖石骨架與流體之間界面作用對流動規(guī)律的影響，并編程實現了多孔介質中水驅油動態(tài)網絡模擬，獲取了水驅油時孔隙節(jié)點的壓力變化以及網絡模型的剩余油分布[9,21,94]；同時建立了固液分子作用下的聚合物驅油動態(tài)網絡模型，如圖5所示[74]，模擬研究了聚合物濃度、相對分子量、吸附層厚度及固液分子作用對剩余油分布的影響，揭示了聚合物驅油機理，為研究剩余油成因機制及挖潛剩余油奠定了理論基[49].

圖5 水驅和聚驅后剩余油飽和度(So)二維分布情況. （a）水驅后；（b）聚驅后[74]Fig.5 Two-dimensional distribution of remaining oil saturation: (a) after water flooding; (b) after polymer flooding[74]

4.2 仿真模擬與室內模擬驗證

在油氣開發(fā)領域，由于地質儲層埋藏深度高，相關學者對于油氣在巖石儲層中的存在及流動的細觀規(guī)律研究較為困難. 隨著1952年“夾珠模型”的出現，掀起了眾多研究人員對于孔隙介質中流體流動規(guī)律的研究熱潮[95-96]. 隨后應運而生了很多研究細觀油氣滲流機理的方法和手段，如填砂管模型、大型平面膠鑄模型和仿真樹脂模型等物理模擬實驗[97]. 筆者團隊曾利用微圓管分析去離子水和煤油的實驗流速、有效界面層厚度與壓力梯度的關系，考察壁面潤濕性和流體黏度對細觀流動規(guī)律的影響. 另外筆者團隊為觀測低滲透儲層內微觀滲流動態(tài)及探索流體細觀流動機理，在前人的基礎上，對可視化網絡仿真技術進行了大量的優(yōu)化改進，給出一種模擬二維多孔介質可視化滲流模型的制作方法，并以此為基礎進行了大量的細觀多孔介質中流體流動動力學機制的研究工作，從實驗研究到理論模型分析建立了一套完整的研究體系[3,8-10,19,74,98]. 但是非常規(guī)油氣資源開發(fā)的興起將流動的尺度進一步拉低到了l=10 nm～1 μm的尺度范圍，所以需要進一步研發(fā)“小尺度”的微流動裝置，如Shen等[36]利用納米陣列氧化鋁膜（l=10 nm～1 μm），進行了氣驅水實驗和單相氣體流動實驗，并分析了納米尺度下氣驅水流動特征；總體來說，如何尋找并實現二維、三維仿真多孔介質模型用來研究細觀尺度流動機制，是未來研究的重點方向.

5 結論與展望

對于細觀尺度下多孔介質中流體流動理論的研究，由線性滲流理論向物理化學、非牛頓、多尺度非線性滲流發(fā)展，特別是在非常規(guī)油氣資源開發(fā)過程中，儲層孔隙大多為納微米級別，其流動過程中受到界面及微觀力作用明顯，為了解決非常規(guī)油氣開發(fā)儲層滲流阻力大、開采難、剩余儲量難以動用的難題，使我國油氣研究和開發(fā)方面達到國際領先水平，進一步提高我國非常規(guī)油氣藏的開發(fā)水平. 筆者認為目前針對多孔介質細觀流動的研究，在繼承前人研究結論認識的基礎上，應該緊緊圍繞微觀力學和滲流力學等方面進一步深化研究.

（1）通過細觀動力學理論分析及實驗研究，詳細分析微觀力的作用范圍和受控因素，搞清微觀各種力的相互作用關系及對驅動的影響. 利用微納米圓管、碳納米管、微觀仿真模型流體流動精細實驗研究微尺度效應，通過微測量技術，進行速度、濃度、壓力梯度的微測量. 利用致密（微納米級孔隙）巖心、含微裂縫巖心、裂隙介質巖心、含裂隙特點巖心進行滲流物理模擬，進行二維、三維滲流物理模擬實驗，研究不同條件和尺度下的滲流規(guī)律和流場分布規(guī)律，揭示細觀作用力作用，搞清流動阻力控制因素及影響規(guī)律.

（2）非常規(guī)油氣藏一般使用多級壓裂的方法來開發(fā)，這就使得非常規(guī)儲層中的多孔介質變得尤為復雜，其中包括裂縫，微裂縫和基質等多尺度問題以及界面效應與各種微觀力的作用，那么在開發(fā)過程中流體的滲流規(guī)律就會變得更加復雜.因此，基于納微米尺度流體流動界面作用與細觀力學特性關系，闡明油水細觀流動動力學機制，揭示多孔介質中復雜流動的細觀流動機理，實現細觀與宏觀尺度動力學關系數學描述，解決納微米孔隙流體流動特性問題，推動非線性滲流和細觀滲流力學的發(fā)展尤為重要.

（3）利用巖心CT掃描等現代化有段獲取非常規(guī)儲層巖心樣本數據，考慮配位數、孔喉比、孔徑分布等孔隙結構參數及模型潤濕性等特性，編寫新的仿真方法，將三維網絡模型的規(guī)模由以往的毫米級擴展到巖心級，建立了考慮控制方程的納微米尺度兩相細觀流動數學模型，并進行油/水、氣/水兩相驅替微觀模擬，定量分析油氣分布規(guī)律和尺度效應作用機理，研究細觀尺度下壓力分布及驅替規(guī)律等，為提高驅替效率的進一步研發(fā)提供基礎.