缝洞型介质中油水两相自由流/渗流耦合流动研究

作     者：陶柯 

作者单位：中国石油大学（华东） 

学位级别：硕士

导师姓名：姚军

授予年度：2013年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 08[工学] 082002[工学-油气田开发工程] 

主      题：缝洞型介质 自由流/渗流 多尺度 边界条件 流体交换 

摘      要：缝洞型介质复杂的内部结构和特有的多尺度特征使得正确描述和模拟缝洞型介质中的流体流动成为了一项意义重大而又非常具有挑战性的工作，其主要难点在于流体在其中不仅有渗流而且还存在大空间自由流动，即存在一种渗流/自由流的耦合流动。本文首先对自由流/渗流耦合流动进行实验研究。使用Beavers和Joseph边界条件得到的解析解能很好的匹配用激光多普勒测速仪测得的实验数据;而且在多孔介质的表面存在一定的滑移速度，该速度要明显大于达西渗流速度，该实验也证明了Beavers和Joseph滑移边界条件的有效性。对两相自由流/渗流耦合流动的实验研究证实了在自由流/渗流交界面处两相流体的复杂流动和分布情况，以及流体交换现象的存在。然后从即微观尺度、宏观尺度和介观尺度三个尺度上研究了单相自由流/渗流耦合流动。由于惯性作用的逐渐增强导致了流体在界面处的流体交换;因为滑移速度对交界面位置的影响很敏感，所以确定滑移系数必须要知道界面的精确位置，发现滑移系数依赖于渗透率和界面区域的结构。当过渡层厚度明显时，需要考虑其中宏观属性具体变化形式。导致过渡层内速度差异最重要的原因是对过渡层中的渗透率变化趋势的描述。接着在微观尺度上对油水两相自由流/渗流耦合流动进行直接数值模拟，发现在自由流动区域和多孔介质区域的交界面处有可能会同时存在水-水界面、油-油界面和油-水界面。交错排列多孔介质具有较大的渗透率即更好的导流能力，使其中的驱替速度更均匀。基于对实际界面处物理现象的解释并满足各种平衡前提下对两相耦合流动的数学模型进行了分析。最后在宏观尺度上进行通过摄动理论研究了自由流道内油水分散两相流的耦合流动，经过研究发现：由于正弦通道内粗糙表面对其中的流动附加的较大的流动阻力，在完全发展流动情况下正弦流道中的压力降要大于平行板模型中的压力降;对应于正弦流道的摩擦因子总是大于平行板流道的摩擦因子;滑移参数和悬浮相的体积分数对准确描述由渗透性多孔介质包围的流道内的流动具有重要影响。