泡沫在孔隙介質(zhì)中的微觀流動(dòng)特征研究

紀(jì)佑軍 ，王力龍，韓海水，蔣國(guó)斌，王澤根

1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500；2.中國(guó)石油吐哈油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，新疆 哈密 839009；3.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 海淀 100083；4.中國(guó)石油西南油氣田分公司安全環(huán)保技術(shù)監(jiān)督研究院，四川 成都 610095

引言

油田處于高含水期時(shí)，亟需調(diào)剖技術(shù)解決采收率低、含水率高和注水效率低等問(wèn)題。從提高驅(qū)油介質(zhì)的波及效率的角度來(lái)看，聚合物、凝膠等調(diào)剖劑具有一定局限性，無(wú)法滿(mǎn)足調(diào)剖劑強(qiáng)度不能過(guò)大和竄流通道中具有一定運(yùn)移能力的條件。前人的研究證明，泡沫在提高油氣采收率領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，泡沫的黏度高于組成它的氣體與液體的黏度[1]；泡沫在孔隙介質(zhì)中的流動(dòng)具有選擇性，堵大而不堵小，并具有暫堵性，不會(huì)對(duì)剩余油層位造成永久性污染，因此，泡沫調(diào)剖劑就成為了最佳選擇。泡沫在孔隙介質(zhì)中的流動(dòng)形態(tài)及變化對(duì)驅(qū)油過(guò)程有重要影響：首先，泡沫能否進(jìn)入到大孔隙中，降低其滲透性能對(duì)改善波及范圍至關(guān)重要；其次，泡沫在大孔道中的運(yùn)移時(shí)間會(huì)影響到驅(qū)油物質(zhì)進(jìn)入到小孔隙的數(shù)量，最終影響到波及范圍，同時(shí)也會(huì)對(duì)小孔隙中驅(qū)油物質(zhì)與油的作用時(shí)間產(chǎn)生影響，進(jìn)而改變驅(qū)油效率；泡沫的穩(wěn)定性也會(huì)對(duì)大孔道的封堵及小孔隙的波及體積產(chǎn)生重要影響。泡沫在孔隙中的流動(dòng)特征涉及到泡沫、驅(qū)油物質(zhì)、油、水及孔隙壁面之間的復(fù)雜相互作用，對(duì)于泡沫流動(dòng)行為的研究和控制關(guān)系到泡沫調(diào)驅(qū)的成敗。因此，研究泡沫在孔隙介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)于理解泡沫調(diào)剖機(jī)理及高含水期或低注水效率油藏的注水效果改善具有重要的意義。

關(guān)于泡沫調(diào)剖的機(jī)理研究，主要是圍繞泡沫在毛細(xì)管道中的流動(dòng)行為展開(kāi)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)這方面進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究。Raza 等采用Pyrex 管流動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究了毛細(xì)管中泡沫流體的流變性[2]；Patton 等通過(guò)毛細(xì)管黏度計(jì)實(shí)驗(yàn)研究了泡沫流體的流變性[3]；吳文祥等通過(guò)泡沫分流實(shí)驗(yàn)和泡沫驅(qū)油實(shí)驗(yàn)研究了泡沫驅(qū)的影響因素和分流作用[4]；Zaruba 等采用高速攝影技術(shù)追蹤了泡沫流中單個(gè)泡沫的運(yùn)動(dòng)軌跡[5]；王其偉等采用長(zhǎng)細(xì)管流動(dòng)試驗(yàn)研究了在不同注入方式條件下孔隙介質(zhì)中泡沫流體的運(yùn)移特點(diǎn)[6]。

基于前期的實(shí)驗(yàn)研究，研究人員開(kāi)始采用數(shù)值模擬方法描述泡沫在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)行為，主要有VOF（Volume of fluid）[7-8]、水平集方法（Levelset method）[9-10]、相場(chǎng)法（Phase field method）[11-12]、前沿追蹤法（Front-tracking method）[13-14]、格子玻爾茲曼方法（Lattice-Boltzmann method）[15-16]、光滑粒子動(dòng)力學(xué)方法（Smooth particle hydrodynamics method）[17-18]和分子動(dòng)力學(xué)方法（Molecular dynamic）[19-20]等。

武博等采用VOF 方法追蹤了氣液兩相的交界面，并進(jìn)行可行性分析[21]；李永勝等采用VOF 方法研究了橫向水流作用下泡沫運(yùn)動(dòng)規(guī)律[22]；趙知辛等采用Level-set 方法對(duì)泡沫運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值研究[23]；王琳琳等采用相場(chǎng)法研究了T 型微通道內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)行為[24]；Unverdi 等采用前沿跟蹤法模擬單個(gè)泡沫的流動(dòng)行為[25]；鄧彩華等采用蒙特卡羅方法模擬了隨機(jī)多孔介質(zhì)中流體的流動(dòng)[26]；王志強(qiáng)等采用VOF 模型結(jié)合CSF 模型研究了毛細(xì)管內(nèi)泡沫變形及脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律[27]；Tsui 等耦合了VOF和水平集方法對(duì)上升泡沫進(jìn)行了數(shù)值研究[28]。但泡沫在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移及分布規(guī)律還沒(méi)有完全被人們所掌握，哪種泡沫封堵效果更佳，是否適用于油田調(diào)剖，能否有效提高油藏的采收率，一直是油氣領(lǐng)域相關(guān)專(zhuān)家關(guān)注的焦點(diǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于高含水期油藏調(diào)剖的機(jī)理認(rèn)識(shí)不足，對(duì)泡沫流動(dòng)行為的研究還不夠，導(dǎo)致對(duì)泡沫調(diào)剖機(jī)理認(rèn)識(shí)不清，調(diào)剖技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用不當(dāng)，調(diào)剖的預(yù)期效果一直無(wú)法體現(xiàn)，并且XB 油田當(dāng)前面臨高含水與低注水效率，已采取的井網(wǎng)井距優(yōu)化、周期注水、聚合物微球調(diào)剖等方法難以見(jiàn)效的嚴(yán)重形勢(shì)，迫切需要開(kāi)展泡沫調(diào)驅(qū)。因此，本文采用水平集方法研究泡沫在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移特點(diǎn)，用以揭示泡沫在孔隙介質(zhì)中運(yùn)移規(guī)律，指導(dǎo)泡沫流體在油田調(diào)驅(qū)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1 數(shù)學(xué)模型

泡沫調(diào)剖中起主要作用的是泡沫通過(guò)狹窄孔喉時(shí)因變形拉伸而產(chǎn)生的賈敏效應(yīng)增加了孔隙介質(zhì)內(nèi)的流動(dòng)阻力，提高了波及效率，與泡沫自身攜帶的選擇性封堵性能，優(yōu)先封堵高滲孔道的過(guò)程。

泡沫在復(fù)雜孔喉中的流動(dòng)，復(fù)雜孔喉可以簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單喉道的組合，簡(jiǎn)單喉道可以用毛細(xì)管模型代替，即泡沫在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)可用毛細(xì)管的組合模型進(jìn)行模擬分析。毛細(xì)管中氣液兩相共流的過(guò)程一般歸屬于氣液兩相非穩(wěn)態(tài)層流。這種瞬態(tài)氣液流動(dòng)的難點(diǎn)就在于如何確定氣、液兩相的交界面位置。

對(duì)于泡沫在孔隙介質(zhì)中流動(dòng)的CFD 研究，通常采用Level-set 界面跟蹤技術(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算。Levelset 方法的網(wǎng)格質(zhì)量穩(wěn)定且容易控制，對(duì)氣液兩相流交界面的曲率等相關(guān)幾何指標(biāo)計(jì)算簡(jiǎn)單便捷；同時(shí)，本文主要模擬泡沫在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移過(guò)程，通過(guò)用固定的數(shù)值表述自由面，避免了其他方法導(dǎo)致的自由面形狀的不同，可以較為精確地模擬泡沫在多孔介質(zhì)中的形態(tài)變化。采用Level-set 模型結(jié)合氣液二相流，假設(shè)流體為不可壓縮流體，低雷諾數(shù)層流。模型控制方程如下

（1）連續(xù)性方程

（2）動(dòng)量方程

（3）水平集方程

2 單毛細(xì)管中泡沫運(yùn)移特征

為了研究孔隙結(jié)構(gòu)與流體流動(dòng)要素對(duì)泡沫在微孔道中的流動(dòng)行為特征的影響，基于XB 油田的孔喉尺寸設(shè)置如下幾個(gè)計(jì)算方案，所有模擬流體數(shù)據(jù)源于溫度20°C時(shí)材料的密度和黏度。

2.1 泡沫在單毛管內(nèi)流動(dòng)的影響因素

2.1.1 泡沫在單毛管內(nèi)流動(dòng)方案設(shè)計(jì)

泡沫在孔隙介質(zhì)中的流動(dòng)受孔道半徑大小、水的注入速度、潤(rùn)濕壁接觸角的影響，由于孔隙介質(zhì)的喉道復(fù)雜導(dǎo)致模擬困難，因此簡(jiǎn)化復(fù)雜喉道為簡(jiǎn)單毛細(xì)管模型，模擬分析在管徑、流速和接觸角發(fā)生變化時(shí)，泡沫的流變性。

計(jì)算模型選定單毛管模型為固定寬度25.0 μm，暫設(shè)高度3.0 μm 的管道，泡沫初始位置距入口1.5 μm；選用速度入口，壓力出口和無(wú)滑移壁面邊界條件，將入口速度暫設(shè)為50 mm/s，出口壓力設(shè)為0；單毛管內(nèi)液相為水，氣相為氮?dú)?。?jì)算域如圖1 所示，網(wǎng)格劃分如圖2 所示。

圖1 簡(jiǎn)單毛細(xì)管模型計(jì)算域Fig.1 Computational domain of simple capillary model

圖2 簡(jiǎn)單毛細(xì)管模型網(wǎng)格剖分圖Fig.2 The mesh drawing of simple capillary model

通過(guò)固定單個(gè)泡沫的半徑，改變毛細(xì)管的半徑，觀察單毛管內(nèi)泡沫的流動(dòng)形態(tài)變化，不同管徑詳細(xì)計(jì)算方案見(jiàn)表1。

表1 不同管徑計(jì)算方案Tab.1 Calculation scheme of different pipe diameters

通過(guò)改變潤(rùn)濕壁接觸角大小，觀察單毛管內(nèi)泡沫的流動(dòng)形態(tài)隨時(shí)間變化，詳細(xì)計(jì)算方案如表2所示。

表2 不同潤(rùn)濕壁接觸角計(jì)算方案Tab.2 Calculation scheme of wetting angle

液相流速是泡沫在孔隙介質(zhì)中流動(dòng)形態(tài)變化的主要影響因素，為尋找泡沫在毛細(xì)管中流動(dòng)發(fā)生破裂時(shí)的極值，通過(guò)改變液相流速設(shè)定來(lái)進(jìn)行。

2.1.2 泡沫在單毛管內(nèi)流動(dòng)模擬結(jié)果與討論

毛細(xì)管由于特征長(zhǎng)度小，管壁對(duì)泡沫運(yùn)動(dòng)的影響不可忽略。針對(duì)半徑為1.2 μm 的泡沫在單毛管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)變形，保持液相流速和泡沫直徑不變，對(duì)處于不同管徑的情況下泡沫在管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)變形進(jìn)行了模擬，并得出了穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)泡沫的外形，結(jié)果如圖3 所示，管徑大小對(duì)流型的影響很大。較小的管徑內(nèi)，泡沫會(huì)變成彈狀或者柱塞狀，甚至發(fā)生破裂；較大的管徑內(nèi)，泡沫形態(tài)與大空間液池內(nèi)小泡沫形態(tài)相同；泡沫變形程度隨管徑比的增大而減小。

圖3 不同管徑毛細(xì)管內(nèi)泡沫穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)形態(tài)對(duì)比Fig.3 Comparison of foam stable motion patterns in capillary tubes with different diameters

為研究潤(rùn)濕角對(duì)泡沫在單毛管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)變形的影響，保持液相流速和泡沫大小不變，模擬分析了處于不同潤(rùn)濕角的條件下泡沫在單毛管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)變形，并得到了不同時(shí)刻泡沫的外形，結(jié)果如圖4所示。

由圖4 可見(jiàn)，泡沫運(yùn)動(dòng)時(shí)呈彈頭型，當(dāng)潤(rùn)濕角從30°變化到120°時(shí)，泡沫形態(tài)幾乎無(wú)變化，可見(jiàn)泡沫穩(wěn)定性不受潤(rùn)濕角的影響。

圖4 不同潤(rùn)濕角毛細(xì)管內(nèi)泡沫穩(wěn)定流動(dòng)形態(tài)對(duì)比Fig.4 Comparison of foam stable motion patterns in capillary tubes with different diameters

泡沫流體的流型轉(zhuǎn)換與液相流速有著密切的聯(lián)系，液體流速越大，泡沫流型轉(zhuǎn)變?cè)絼×疑踔僚菽屏选Ｒ虼?，?duì)不同液相流速下的泡沫形態(tài)進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果如圖5 所示。

由圖5 可見(jiàn)，隨著液相流速變化，泡沫的流型主要可劃分泡沫流、塞狀流和彈狀流。隨著液相流速增大，泡沫所受表面壓力增大，泡沫的界面張力已經(jīng)小到不能克服黏性力和慣性力的影響，泡沫破裂成尺寸更加微小的泡沫。通過(guò)對(duì)不同液相流速下的泡沫形態(tài)進(jìn)行分析得到了管徑為1.50 μm 的單毛管內(nèi)半徑為1.2 μm 的氮?dú)馀菽屏褧r(shí)的液相流速臨界值為64 mm/s。

圖5 不同液相流速的泡沫穩(wěn)定流動(dòng)形態(tài)對(duì)比Fig.5 Comparison of stable flow patterns of bubbles at different liquid velocity

2.2 賈敏效應(yīng)

2.2.1 賈敏效應(yīng)方案設(shè)計(jì)

選用單毛管模型由固定寬5.0 μm，高3.0 μm 的圓管與固定寬5.0 μm，高1.5 μm 的圓管組成（圖6，圖7），在管道交界處設(shè)定一個(gè)半徑為1.2 μm 的泡沫；選用速度入口，壓力出口和無(wú)滑移壁面邊界條件，入口速度暫設(shè)為10 mm/s，出口壓力設(shè)為0；計(jì)算域內(nèi)氣相為氮?dú)?，液相為水，表面張力設(shè)為5 mN/m。

圖6 賈敏效應(yīng)計(jì)算域Fig.6 Computational domain of Jia Min effect

圖7 賈敏效應(yīng)網(wǎng)格剖分圖Fig.7 The mesh drawing of Jia Min effect

2.2.2 賈敏效應(yīng)模擬結(jié)果與討論

為研究賈敏效應(yīng)，利用水平集方法，模擬半徑為1.2 μm 的泡沫通過(guò)狹窄喉道產(chǎn)生的賈敏效應(yīng)，模擬結(jié)果如圖8 所示。

圖8 賈敏效應(yīng)計(jì)算結(jié)果Fig.8 Calculation results of Jamin effect

泡沫向右運(yùn)移流經(jīng)狹小喉道時(shí)，泡沫發(fā)生拉伸變形后才得以通過(guò)喉道。液體水累積0.090 ms 的沖擊力使得泡沫開(kāi)始發(fā)生變形，泡沫前緣進(jìn)入小管道，泡沫隨時(shí)間逐漸拉伸成柱狀，直至0.360 ms 時(shí)才完全進(jìn)入細(xì)管道。運(yùn)移過(guò)程中泡沫液膜的變化方向非常明顯，先右后左凸出不斷變換。

2.3 聚并機(jī)理

2.3.1 聚并機(jī)理實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

選定泡沫聚并機(jī)理的單毛管模型由寬3.0 μm，高15.0 μm 的管道構(gòu)成，初始兩個(gè)半徑1.0 μm 的泡沫位于距入口2.0 μm 處，兩泡沫間距1.0 μm；選用速度入口，壓力出口和無(wú)滑移壁面邊界條件，將入口速度暫設(shè)為10 μm/s，出口壓力設(shè)為0；計(jì)算域內(nèi)氣相為氮?dú)?，液相為水，表面張力設(shè)為1 mN/m。

圖9 聚并機(jī)理計(jì)算域Fig.9 Computational domain of coalescence mechanism

圖10 聚并機(jī)理網(wǎng)格剖分圖Fig.10 The mesh drawing of coalescence mechanism

2.3.2 聚并機(jī)理模擬結(jié)果與討論

水平集方法模擬泡沫聚并機(jī)理的結(jié)果如圖11所示。

由圖11 可見(jiàn)，聚并開(kāi)始前，兩泡沫開(kāi)始逐漸接近并發(fā)生變形，豎直排列的泡沫底端與頂端相互接觸，泡沫邊緣的界面逐漸融合，直至泡沫變?yōu)榧忓N形后，氣體才逐漸開(kāi)始共享，氣體聚并后泡沫變?yōu)橹鶢睿瑵u變?yōu)閺棤?，并且在運(yùn)移過(guò)程中泡沫的形態(tài)是不斷變換前進(jìn)的，逐漸向最小表面能趨勢(shì)調(diào)整，最終恢復(fù)為圓形泡沫。

圖11 聚并機(jī)理計(jì)算結(jié)果Fig.11 Calculation results of coalescence mechanism

2.4 選擇性運(yùn)移機(jī)理與封堵性能評(píng)價(jià)

選擇性封堵是泡沫在調(diào)驅(qū)領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的根本原因，具體表現(xiàn)為堵大不堵小。對(duì)選擇性運(yùn)移機(jī)理進(jìn)行模擬，可以從根本上分析泡沫在多孔介質(zhì)中滲流的規(guī)律[29]；同時(shí)，通過(guò)對(duì)氮?dú)?、二氧化碳和空? 種油田調(diào)驅(qū)常用泡沫的封堵性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，可篩選出較適合XB 油田調(diào)驅(qū)的泡沫類(lèi)型。

2.4.1 選擇性運(yùn)移機(jī)理方案設(shè)計(jì)

單毛管模型計(jì)算域和網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖12、圖13。

圖12 選擇性運(yùn)移機(jī)理計(jì)算域Fig.12 Computational domain of selective transport mechanism

圖13 選擇性運(yùn)移機(jī)理網(wǎng)格剖分圖Fig.13 The mesh drawing of selective transport mechanism

根據(jù)XB 油田巖芯，單毛管模型由寬2.0 μm 高3.0 μm 的管道、上部寬10.0 μm 高1.0 μm 下部寬2.0 μm 高4.0 μm 的T 型管道構(gòu)成，半徑0.9 μm 的泡沫位于管道交界處；選用速度入口，壓力出口和無(wú)滑移壁面邊界條件，將入口速度設(shè)為10 mm/s，出口壓力設(shè)為0；計(jì)算域內(nèi)氣相暫設(shè)為氮?dú)?，液相為水?/p>

2.4.2 選擇性運(yùn)移機(jī)理模擬結(jié)果與討論

利用水平集方法模擬泡沫通過(guò)狹窄孔喉后遇到大管道與小管道時(shí)的先封堵優(yōu)勢(shì)管道的現(xiàn)象，結(jié)果如圖14 所示。泡沫在從大管道流入小管道時(shí)發(fā)生變形，表面積變大；泡沫隨時(shí)間變化流經(jīng)不同管徑分岔口時(shí)，優(yōu)先選擇封堵大管道，也即泡沫具有暫堵分流特性的原因，并且泡沫在大管道與小管道交界處受到較大壓力，發(fā)生劇烈變形，泡沫發(fā)生擴(kuò)散，體積分?jǐn)?shù)減小。

圖14 選擇性運(yùn)移機(jī)理的計(jì)算結(jié)果Fig.14 Calculation results of selective migration mechanism

由于不同管道間的半徑差使泡沫只有拉伸變形才能通過(guò)狹窄孔道，在運(yùn)移到管道交界時(shí)，穩(wěn)定來(lái)流的沖擊力使泡沫發(fā)生劇烈變形甚至破裂，然后發(fā)生選擇性運(yùn)移，上述過(guò)程對(duì)孔道產(chǎn)生的壓力為最大壓力，監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大壓力見(jiàn)圖15。由圖15 可知，孔道所受的壓力是波動(dòng)的，泡沫變形程度達(dá)到最大發(fā)生破裂時(shí)，孔道所受壓力達(dá)到最大值；泡沫流經(jīng)孔道后，所受壓力開(kāi)始減小，甚至?xí)蛞耗し较蚋淖兂霈F(xiàn)負(fù)壓。表面張力越大，泡沫越難變形，通過(guò)同樣的孔道所需要的力越大，對(duì)孔道產(chǎn)生的壓力也就越大。表面張力與孔道最大壓力成正比。表面張力小于0.005 N/m 時(shí)，孔道所受最大壓力較小，壓力曲線(xiàn)較為平緩。

圖15 不同表面張力時(shí)孔道所受最大壓力Fig.15 Maximum pressure on pipe under different surface tension

當(dāng)前油田泡沫調(diào)驅(qū)主流泡沫類(lèi)型為CO2、空氣和N2，為選取XB 油田及相似油田泡沫調(diào)驅(qū)的合適泡沫類(lèi)型，對(duì)3 種泡沫的封堵性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如圖16 所示。由圖16 可見(jiàn)，氮?dú)馀菽姆€(wěn)定性最好，封堵性能最佳。3 種泡沫在管道交界處劇烈變形，液體的積壓和泡沫的運(yùn)動(dòng)使得泡沫拉長(zhǎng)，向前方的兩個(gè)通道伸展，最終CO2與空氣泡沫發(fā)生破裂，生成一大一小兩個(gè)泡沫，且小泡沫都黏附在較小管道的管壁上流動(dòng)；N2泡沫發(fā)生嚴(yán)重變形但無(wú)破裂且在較大管道保持泡沫形態(tài)不變。

圖16 不同類(lèi)型泡沫穩(wěn)定運(yùn)移形態(tài)圖Fig.16 Stable migration patterns of different types of foam

因此，氮?dú)馀菽赬B 油田的泡沫調(diào)驅(qū)上具有明顯優(yōu)勢(shì)，穩(wěn)定性較強(qiáng)，封堵性能較好，較適合在高含水期的低滲油田現(xiàn)場(chǎng)操作。

3 基于CT 圖像的真實(shí)孔隙介質(zhì)泡沫運(yùn)移特征

3.1 基于CT 圖像處理的方案設(shè)計(jì)

通過(guò)CT 圖像處理技術(shù)，將孔隙介質(zhì)的微觀圖片中的固體區(qū)域和流體區(qū)域進(jìn)行劃分，清除固體部分，保留流體區(qū)域，得到計(jì)算模型如圖17 所示。

圖17 CT 圖像處理后流體域的計(jì)算模型Fig.17 Computational fluid domain model after CT image processing

選用速度入口，壓力出口和無(wú)滑移壁面邊界條件，左側(cè)為速度入口，混合注入時(shí)流體氣液比為1：1，流速設(shè)為0.5 m/s，右側(cè)為壓力出口，壓力設(shè)為0；計(jì)算域內(nèi)氣體為氮?dú)?，液體為水；網(wǎng)格劃分如圖18 所示。

圖18 網(wǎng)格剖分圖Fig.18 The mesh drawing

3.2 基于CT 圖像處理的模擬結(jié)果與討論

為研究泡沫在真實(shí)孔隙介質(zhì)中的運(yùn)移規(guī)律，利用水平集模型模擬分析了飽和水狀態(tài)下泡沫液在孔隙介質(zhì)中的形態(tài)變化，結(jié)果見(jiàn)圖19。

在氣液混合流動(dòng)的初始階段，泡沫液排列在管道中并在較大管道中膨脹；隨著泡沫液的運(yùn)移，開(kāi)始進(jìn)入狹窄喉道，泡沫液前緣開(kāi)始發(fā)生變形產(chǎn)生賈敏效應(yīng)；由于毛管力的作用，使得大泡沫在不同管徑的喉道分岔口發(fā)生破裂，在流動(dòng)前緣產(chǎn)生了一個(gè)個(gè)小泡沫；最后持續(xù)發(fā)生上述過(guò)程，小泡沫在大管道聚集膨脹，大泡沫在小管道拉伸變形甚至破裂，一個(gè)大泡沫變?yōu)槎鄠€(gè)小泡沫，形成泡沫流。

從0.090 和0.120 ms 的氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)云圖（見(jiàn)圖19a，圖19b）可明顯觀察到泡沫聚并和卡斷現(xiàn)象；從0.330 和0.360 ms 的云圖（圖19c，圖19d）可知，泡沫在大孔道聚集，大小孔喉交界處發(fā)生選擇性運(yùn)移現(xiàn)象，泡沫優(yōu)先通過(guò)大孔道；從1.100 和1.200 ms 的云圖（圖19e，圖19f）可以觀察到賈敏效應(yīng)、大泡沫破裂成小泡沫組成泡沫流的過(guò)程。

圖19 不同時(shí)刻泡沫運(yùn)移狀態(tài)圖Fig.19 State diagram of foam migration at different times

4 結(jié)論

（1）影響泡沫在單毛管內(nèi)流動(dòng)的主要因素是管徑、水的注入速度；泡沫變形程度隨管徑比的增大而減?。粷?rùn)濕壁接觸角對(duì)泡沫穩(wěn)定性無(wú)影響；半徑1.2 μm 的氮?dú)馀菽屏训囊合嗔魉倥R界值為64 mm/s。

（2）單毛管模型可以模擬泡沫在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移規(guī)律，主要分析了賈敏效應(yīng)、豎直方向的聚并現(xiàn)象、微觀選擇性運(yùn)移機(jī)理，評(píng)價(jià)了空氣、CO2、N2等3 種泡沫的封堵性能；表面張力與最大壓力成正比；氮?dú)馀菽€(wěn)定性強(qiáng)，封堵性能好，較適合高含水期的低滲油田進(jìn)行調(diào)驅(qū)。

（3）模擬分析了氣液混合注入形成的泡沫在孔隙介質(zhì)中的運(yùn)移特點(diǎn),主要表現(xiàn)為封堵阻力小的孔隙而使得流線(xiàn)更加均勻化，這將為現(xiàn)場(chǎng)采用氣液分散體系進(jìn)行調(diào)驅(qū)并提高采收率提供了有益的啟示。

符號(hào)說(shuō)明

ρ--密度，kg/m3；

t--時(shí)間，s；

?--哈密頓算子；

v--速度，m/s；

p--壓力，Pa；

μ--黏度，Pa·s，

g--重力加速度，g=9.8 m/s2；

Fσ--體積力，N；

φ--距離函數(shù)。下標(biāo)：

q--第q相。