指进是一种相界面不稳定现象。通常情况下,其诱发的主要原因是流体间的黏度差,故有时也称黏性指进。 黏性指进现象是多相渗流的重要特征之一,在很多工程应用中起着至关重要的作用,如化工、石油开采以及地下水污染的治理等领域。以石油开采为例,该现象的过早出现会减少波及效率,造成驱替流体的窜流,降低石油采收率。
非混相驱油过程中的黏性指进现象是一个涉及到相界面捕捉、多组分多相流理论以及复杂几何流场内流体流动的复杂流体动力学问题。其影响因素众多,涉及到多孔介质的孔隙结构、壁面润湿性以及流体的物性等。
该问题的内在产生机理至今尚不明晰,因此对于黏性指进现象的研究有着重要的学术意义和应用价值。本文以黏性指进现象为主要研究对象,针对采用Shan-Chen (SC)模型模拟具有不同密度比和黏度比流体系统时存在的问题,进行了改进,提出了一种新的LBM多组分模型,并利用格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method, LBM)模拟单孔隙和多孔介质内的指进现象,
综合考虑不同因素对于相界面形态以及驱替效率的影响,具体内容包括：(1)基于SC模型,提出一个新的可以模拟具有不同密度比和黏度比流体系统的LBM多组分模型。
新模型中,对SC模型施加作用力的方式进行改进,消除了原模型中由于作用力的施加方式引入的离散误差。不同组分粒子的格子速度和格子声速均不同,因此,在一个时间步内,不同组分粒子的迁移距离也不同,相互之间的比例关系由流体间的密度比确定。
染酸迁移后格子节点上的粒子分布函数由双线性插值格式确定。给出考虑固体边界的特殊处理方法。
利用新的LBM多组分模型模拟了在不同管径的圆管内、不同体积流量下,水驱癸烷的非混相驱替过程,并与实验结果进行比较。模拟中的平均驱替速度和驱替完成时间与实验结果相比,相对误差在3.2%以内,证明了新模型的正确性。
新模型具有良好的守恒性。通过适当地选取边界条件,并对流场进行适当地处理,该模型可以用于模拟流体速度远小于模型本身伪速度的低速驱替过程。
(2)详细地讨论了不同影响因素：毛细管数(Ca)、黏度比(M)、邦德数(Bo)以及固体壁面润湿
性(用接触角θ表征)对单孔隙内非混相驱替过程中指进现象的影响。着重分析了是否考虑与流动方向相垂直的重力场对指进过程的影响。
比较了不同情况下相界面形态的差别。并用突破时间和面积扫掠效率两个参数考察了不同条件下的驱替效率。模拟温度传感器
结果表明：不考虑重力时,相界面关于孔隙的中心是对称的。考虑重力时,相界面是不对称的,相界面前缘与孔隙中心有一定的偏移,而且相界面与孔隙上下壁面的交点位置也有所不同。
同等条件下,和不考虑重力相比,当M>1时,重力的影响使得驱替效率有所降低。研究发现,随着Ca、M和Bo的增加,指进现象更加明显。防爆恒温恒湿
当驱替流体的接触角θ1>90°时,指进现象被强化,而当驱替流体的接触角θ1<90°时,指进现象被抑制。指进现象明显时,驱替效率低。
因此,从工程效益的角度出发,为了达到更大的驱替效率,对于单孔隙内的非混相驱替过程而言,驱替过程中Ca越小越好,M越小越好,Bo越小越好,驱替流体的θ1越小越好。(3)和单孔隙
内非混相驱替过程相比,固体骨架的存在使得多孔介质内的指进现象更加复杂。
不考虑重力时,相界面关于流场中心是对称的。考虑重力时,相界面是不对称的,相界面的指状前缘会朝斜下方倾斜,并且会有离散的被驱替流体小液滴附着在固体骨架上或者被夹带在驱替流体中。
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以交错形式排列的多孔介质骨架结构会抑制指进现象的发生。随着Ca的增加,并没有明显的指进现象出现。
在有限的M范围内(M=1～5),由于驱替流体的注入速度恒定以及固体骨架的交错排列方式,当M≥3时,最终的相界面前缘的形态相差不多。随着Bo的增加,相界面前端沿斜下方的运动趋势更加明显,相界面的指状前缘细而长。
三维激光扫描系统电机传动在驱替结束时,当Bo=0.218～0.229时,相界面的指状前缘最为粗壮,被圈闭在固体骨架上被驱替流体的小液滴也较大。不考虑重力时,固体壁面润湿性对指进现象的影响规律和单孔隙内的影响规律相同(抑制作用或强化作用)。
不同之处在于：有被圈闭的被驱替流体会附着在背向流体流动方向的固体骨架右侧,无法被
驱替出来。考虑重力时,相界面的形态更加复杂,但是润湿性对指进现象的“抑制”和“强化”规律不变。
对于不同的情况,指进现象越明显,驱替效率越低。同样条件下,重力的存在使得突破时间和面积扫掠效率有所降低。
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