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基于VOF方法的超临界二氧化碳——水两相流动孔隙尺度数值模拟

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天然气工业 2023年第3期43卷 69-77页

作者：杨永飞王金雷王建忠张琦姚军中国石油大学(华东)石油工程学院

二氧化碳(CO_(2))捕集与封存技术有利于减少CO_(2)的排放量,近年来针对CO_(2)地质封存形成了从纳米尺度到油气藏尺度的大量研究成果,大多数研究只针对单一维度多孔介质中流动行为开展研究,且物理实验方法受许多不确定性因素影响,十分耗... 详细信息

二氧化碳(CO_(2))捕集与封存技术有利于减少CO_(2)的排放量,近年来针对CO_(2)地质封存形成了从纳米尺度到油气藏尺度的大量研究成果,大多数研究只针对单一维度多孔介质中流动行为开展研究,且物理实验方法受许多不确定性因素影响,十分耗费时间和成本。为了从微观角度深入理解CO_(2)地质封存过程中的渗流行为,提高CO_(2)地质埋存量,基于追踪两相界面动态变化的VOF(Volume of Fluid)方法,分别建立了2D和3D模型,开展了超临界CO_(2)-水两相流动数值模拟研究,对比了不同润湿性、毛细管数、黏度比条件下的CO_(2)团簇分布特征、CO_(2)饱和度变化规律,揭示了孔隙尺度CO_(2)埋存的内在机理。研究结果表明:①随着岩石对CO_(2)润湿性增加,CO_(2)波及范围扩大,同时CO_(2)团簇的卡断频率减少,CO_(2)埋存量增加;②随着毛细管数的增加,驱替模式由毛细指进转变为稳定驱替,CO_(2)埋存量增加;③随着注入超临界CO_(2)黏度逐渐接近水的黏度,两相流体之间的流动阻力降低,促进了“润滑效应”,CO_(2)相的渗流能力提高,CO_(2)埋存量增加;④润湿性、毛细管数、黏度比在不同维度多孔介质模型中对CO_(2)饱和度的影响程度不同。结论认为,基于VOF方法的CO_(2)-水两相渗流模拟研究在孔隙尺度上揭示了CO_(2)地质封存过程中的渗流机理,对CCUS技术的发展有指导意义,也为更大尺度的CO_(2)地质封存研究提供了理论指导和技术支撑。

关键词： VOF方法两相流孔隙尺度模拟 CO_(2)地质封存复杂多孔介质润湿性黏度比毛细管数

含瓦斯煤体孔裂隙内瓦斯-水两相驱替流动特征研究

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含瓦斯煤体孔裂隙内瓦斯-水两相驱替流动特征研究

作者：李龙中国矿业大学

学位级别：硕士

工作面浅孔注水是局部瓦斯快速驱替排放和煤体润湿降尘的重要措施,目前在煤矿得到广泛应用。浅孔注水主要于切眼处的煤体,该区域处于工作面卸压范围内,煤体内裂隙网络发育充分,水分在其中的流动特征对瓦斯驱替和润湿降尘效果具有重要影... 详细信息

工作面浅孔注水是局部瓦斯快速驱替排放和煤体润湿降尘的重要措施,目前在煤矿得到广泛应用。浅孔注水主要于切眼处的煤体,该区域处于工作面卸压范围内,煤体内裂隙网络发育充分,水分在其中的流动特征对瓦斯驱替和润湿降尘效果具有重要影响。本文利用自制可视化实验平台,研究了煤基质颗粒间水分的宏观扩散流动特征,并通过经典的多孔介质进行模拟验证,分析在不同润湿性的煤样中毛细管力的作用及影响。此外,通过多孔介质模型模拟在经过水力措施后的煤层进行瓦斯抽采时,瓦斯-水在微孔隙中的流动模式、形态特征和驱替效率。主要研究结论如下:在亲水性煤样中时,驱替气液界面前沿为平整的稳定推进;在憎水性煤样中,前沿为“树枝状”的分叉形状,水以较细的触手形式提前于整体气液界面向前发展,水的发展会朝向四周扩展。延伸出的水流沿着孔隙横向发展然后逐渐与邻近的水相联通闭合,形成了封闭的瓦斯气泡,憎水性的煤样润湿程度相比于亲水性的煤样不够充分。煤样为憎水性时的整体润湿速度大于亲水性煤样的润湿速度。在亲水性煤样中,孔隙的大小对煤体润湿速度影响不大;在憎水性煤样中,大孔隙中的润湿速度大于小孔隙煤样中的润湿速度。重力在各种煤样、大小孔隙中的煤体注水速度的影响非常小。瓦斯-水在多孔介质中的流动中,流体流动模式随着毛细管数的增大从指进模式转向稳定置换,粘性力逐渐在流动过程占据主导地位,瓦斯的饱和度也随着增大。驱替过程稳定后水的饱和度增长的速度基本和CH突破出口时水的饱和度增长的速度基本相等。水的饱和度随着流体粘度比的增大而缓慢降低,粘度比的增大能够显著的降低流体驱替过程稳定后水的饱和度。当流体的粘度比逐渐增大时,CH指进分叉的趋势逐渐减弱。瓦斯-水的驱替模式不因流体密度比的增大而变化。随着密度比的再增大,水的饱和度降低的速度逐渐降低。当壁面为亲水性时,有很明显的指进现象,驱替效率较低,并发现在接触角较小时,指进到达出口时出现了后退收缩的现象;当壁面的润湿性为憎水性时,驱替过程比较稳定。当壁面接触角为45°、60°时,CH的饱和度达到最大时出现了微小的骤然下降又缓慢回升的现象,在接触角为145°时,CH在达到出口时,CH的饱和度出现微小的跃升。壁面接触角的增大导致宏观毛细管力?P的峰值和稳定后的值减小,同时宏观毛细管力?P下降的速度的也随之减小。此论文共有图44幅,表8个,参考文献100篇。

关键词：煤体注水润湿性毛细管数多孔介质两相驱替

N,N′-双(十六烷基二甲基)-1,2-二溴化乙二铵盐的界面活性及流变行为

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石油学报（石油加工） 2014年第3期30卷 542-547页

作者：洪玉沈一丁杨晓武刘观军张林陕西科技大学化学与化工学院教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室陕西西安710021

以N,N,N′,N′-四甲基乙二胺和溴代烷烃合成了系列阳离子型双子表面活性剂GSm-2-m(m为14,16,18),考察了疏水碳链长度、温度、剪切速率、水杨酸钠(NaSal)对GSm-2-m水溶液黏度行为的影响,同时考察了其降低油-水界面张力的能力。结果表明,... 详细信息

以N,N,N′,N′-四甲基乙二胺和溴代烷烃合成了系列阳离子型双子表面活性剂GSm-2-m(m为14,16,18),考察了疏水碳链长度、温度、剪切速率、水杨酸钠(NaSal)对GSm-2-m水溶液黏度行为的影响,同时考察了其降低油-水界面张力的能力。结果表明,在高剪切速率(170s-1)下,GSm-2-m分子中的烷基链越长,其增黏能力也越强,温度升高和剪切时间延长均使其水溶液的黏度下降;根据Ostwald-de Waele方程对流体相关参数计算得出,GSm-2-m水溶液的流动指数或非牛顿指数n低于0.63,稠度系数(k)随GSm-2-m分子中碳链增长逐渐增大,且均为非牛顿流体,流体结构对其水溶液黏度贡献明显;少量NaSal的加入对GS16-2-16水溶液的黏度行为影响甚微,当NaSal质量浓度达到1g/L后,溶液黏度急剧下降;NaSal质量浓度为5.2g/L时十六烷基三甲基溴化铵(C16TAB)水溶液黏度骤增,接近无盐时GS16-2-16水溶液黏度的3倍;在GS16-2-16浓度为0.41mmol/L时,仅需22min即可将其溶液的油-水界面张力降至2.0×10-3 mN/m。

关键词：表面活性剂界面活性流体结构流变行为毛细管数

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压力驱动下黏附于壁面残余油膜的破裂条件

石油学报 2021年第11期42卷 1469-1476页

作者：刘丽丽孟祥铮张雪松刘新月曹瑞波夏惠芬范家伟东北石油大学石油工程学院黑龙江大庆163318 东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室黑龙江大庆163318 中国石油吉林油田公司储运销售公司吉林松原138000 大庆油田有限责任公司勘探开发研究院采收率研究一室黑龙江大庆163712

液滴黏附于固体壁面上的受力、变形、运移、破裂和分离机理的研究涉及到提高原油采收率等多种领域。以微孔道中黏附在岩石表面上的残余油和驱替液作为研究对象,采用有限差分方法并结合Front tracking界面追踪方法,数值计算压力驱动条件... 详细信息

液滴黏附于固体壁面上的受力、变形、运移、破裂和分离机理的研究涉及到提高原油采收率等多种领域。以微孔道中黏附在岩石表面上的残余油和驱替液作为研究对象,采用有限差分方法并结合Front tracking界面追踪方法,数值计算压力驱动条件下,黏附于壁面残余油膜的变形,探索残余油膜的破裂分离条件;揭示残余油膜激活理论机理。数值计算结果表明,毛细管数是判断油膜变形大小的依据;毛细管数越大,油膜的变形越明显;油膜纵横比、初始润湿角和油膜自身体积影响着毛细管数的变化;对于同一驱油体系而言,判断油膜破裂分离的临界毛细管数不是一个定值。临界毛细管数越小,说明油膜越容易破裂分离。现场可以通过在驱替液中加入表面活性剂,降低驱替液与残余油膜间的界面张力,从而增大毛细管数,达到油膜破裂分离的条件,进而提高原油采收率。

关键词：毛细管数破裂条件变形率压力驱动初始润湿角

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多孔介质中聚表剂乳状液的生成及稳定性研究

高校化学工程学报 2020年第6期34卷 1368-1377页

作者：陈小龙李宜强陈诚李辉油气资源与探测国家重点实验室(中国石油大学(北京)) 北京102249 中国石油大学(北京)石油工程学院北京102249 中国石油大港油田采油工艺研究院天津300280

为了研究聚表剂乳状液在多孔介质中生成及稳定能力,进行了油聚同注与单一注聚实验。以多孔介质为乳状液的生成载体研究了聚表剂浓度、油水比和运移距离对聚表剂乳状液生成及稳定的影响规律。结果表明,缔合结构形成的腔体对残余油的捕集... 详细信息

为了研究聚表剂乳状液在多孔介质中生成及稳定能力,进行了油聚同注与单一注聚实验。以多孔介质为乳状液的生成载体研究了聚表剂浓度、油水比和运移距离对聚表剂乳状液生成及稳定的影响规律。结果表明,缔合结构形成的腔体对残余油的捕集作用是聚表剂乳状液产生与稳定的重要作用机制。聚表剂在多孔介质中运移距离越远,所生成的乳状液粒径越大,稳定性越弱;与运移距离相反,油水比与聚表剂浓度越大,越容易生成乳状液,且所生成乳状液的粒径越小,稳定性越好。综合考虑各因素对乳化作用的影响,将压力梯度与毛细管数相结合作为聚表剂乳状液的表征参数,该参数对于表征聚表剂在多孔介质中的乳化发生程度具有较好的适用性。

关键词：聚表剂多孔介质乳状液毛细管数

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聚丙烯发泡塑料挤出胀大行为的实验研究

中国塑料 2003年第10期17卷 50-53页

作者：周文管王喜顺蔡业彬彭玉成华南理工大学工业装备与控制工程学院塑料橡胶装备及其智能化研究中心广东广州510640 华南理工大学机械工程学院

使用HAAKE挤出流变仪研究了聚丙烯发泡塑料挤出胀大行为 ,考察了毛细管数、螺杆转速和温度等参数与PP发泡塑料挤出胀大的关系 ,同时指出气泡的存在对发泡制品挤出胀大有较大影响。

关键词：聚丙烯发泡塑料挤出胀大毛细管数螺杆转速温度 HAAKE挤出流变仪

孔隙尺度下超临界CO_2驱水两相流数值模拟

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化工进展 2017年第11期36卷 3955-3962页

作者：姜水生赵万东张莹李培生王昭太钟源南昌大学机电工程学院江西南昌330031

以咸水层封存二氧化碳(CO_2)为研究背景,利用流体体积函数(Volume of Fluid,VOF)多相流模型建立孔隙尺度多孔介质计算模型,研究了超临界二氧化碳(Sc-CO_2)注入到含水多孔介质中的两相运移规律。对比分析了毛细管数、地质封存压力、Sc-C... 详细信息

以咸水层封存二氧化碳(CO_2)为研究背景,利用流体体积函数(Volume of Fluid,VOF)多相流模型建立孔隙尺度多孔介质计算模型,研究了超临界二氧化碳(Sc-CO_2)注入到含水多孔介质中的两相运移规律。对比分析了毛细管数、地质封存压力、Sc-CO_2注射温度、两相表面张力系数、接触角等因素对两相运移速率以及驱替效率的影响,同时将不同毛细管数下的驱替效率与实验数据进行了对比。研究结果表明,随着毛细管数的增大,驱替效率先减小然后趋于稳定,数值模拟与实验数据吻合良好;在同一孔隙率下,在壁面表现为亲水性时,壁面润湿性越好,驱替速率越快,但驱替效率有所下降;同时毛细管数越小、地质封存压力越低、注射温度越高、张力系数越小驱替速率越快,且驱替效率越高。

关键词：超临界二氧化碳咸水层封存孔隙尺度数值模拟两相流毛细管数接触角

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动态接触角研究

石油勘探与开发 2004年第B11期31卷 36-39页

作者：郭同翠刘明新熊伟曾平孔丽平罗彩珍赵治国中国石油勘探开发研究院中国科学院渗流流体力学研究所中国石油华北油田分公司

动态接触角研究是研究流体渗流微观规律的基础,在选择提高采收率的方法及模拟油藏动态试验等方面具有重要意义。国外从分子理论和动力学角度对动态接触角与驱替速率、液体的毛细管数、黏度比之间的关系进行理论研究,实验研究结论为:较... 详细信息

动态接触角研究是研究流体渗流微观规律的基础,在选择提高采收率的方法及模拟油藏动态试验等方面具有重要意义。国外从分子理论和动力学角度对动态接触角与驱替速率、液体的毛细管数、黏度比之间的关系进行理论研究,实验研究结论为:较低驱替速率时,动态接触角的余弦差与驱替速率呈线性关系;较高驱替速率时,动态接触角的正切与驱替速率的对数呈线性关系;表面活性剂使液-液界面的动态接触角变小,滞后接触角增大;固体表面粗糙度对动态接触角的影响不大。国内目前主要采用实验方法研究动态接触角,根据插板法实验得出中性玻璃片在气／水和气／油系统中前进接触角的余弦与驱替速率呈线性关系;后退接触角的余弦与驱替速率呈两段线性关系,驱替速率高时的斜率比驱替速度低时的斜率大。

关键词：动态接触角静态接触角驱替速率黏度比毛细管数粗糙度

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聚丙烯发泡体系挤出胀大模型的研究

塑料工业 2006年第2期34卷 39-41页

作者：周剑明王喜顺华南理工大学工业装备与控制工程学院塑料橡胶装备及智能化研究中心广东广州510640

运用正交实验的方法和数学回归的方法,对实验数据进行分析,得到了聚丙烯发泡体系剪切速率与切应力的关系,以及胀大比与毛细管数的关系表达式。通过结果检验可知,本文确立的胀大模型可以用于预测聚丙烯发泡体系胀大比。

关键词：聚丙烯发泡体系胀大比毛细管数剪切速率切应力