石油作为现代工业的血液，是国家经济和工业生产的重要物质基础。在水湿型多孔介质注水过程中，油滴卡断现象是采油过程中最常见的现象之一，也是造成采收率显著损失的原因。直到今天这个现象仍然难以概括并进行直观的阐述，包括油滴卡断现象发生的诱因和其背后的物理机理，以及油滴卡断现象对多孔介质内流动模式的影响。鉴于此，本文通过理论推导结合微观实验的方法来系统的研究这一微观事件，以期对该现象的发生机理及其对多孔介质渗流的影响进行详尽的阐述，以助于理解多孔介质内的孔隙尺度传质和流态变化。本文主要工作如下： (1)通过微尺度液滴破碎实验分析了非润湿相液滴卡断事件引起的不同破碎现象，包括完全破碎现象，部分破碎现象和不破碎现象。针对非润湿相液滴卡断行为建立了力学分析模型，得到了卡断行为的准静态卡断判据和动态卡断判据。准静态判据基于几何相关的毛细管压力关系来判断准静态流动过程中的卡断行为。动态卡断判据考虑了两相流动过程中的流动阻力以及流体在孔喉结构内的动能转换，解释了动态流动过程中卡断行为的发生机制。 (2)基于两相流体系统的能量耗散模型分析了非润湿相液滴在通过缩口结构时的动力学过程，阐述了卡断过程中流体动能、表面能、粘性耗散等流动项的变化规律，解释了动态流动过程中卡断行为发生的物理机理，提出了解释卡断机制的能量学观点。卡断行为发生的必要条件为液滴表面能的释放必须大于流动过程中粘性耗散和动能转换所需的能量之和。当孔喉之间的毛细管压力差大于非润湿相流体流出孔隙空间的动压降时，卡断行为才能发生。对于动态流动过程，提出了判断卡断行为的理论临界动力学卡断判据。该动力学卡断判据可以严格判断卡断行为的发生条件，可用于流体系统内的卡断行为预测。 (3)基于微流控实验平台开展了大量的液滴破碎实验，分析了各种物性参数对液滴破碎现象的影响，以及子液滴的分布规律等相关问题。通过不同流动参数的液滴破碎实验确定了区分准静态卡断行为和动态卡断行为的分界线，得到了准静态卡断判据和动力学卡断判据的适用范围。各流体参数和通道几何参数对液滴破碎的影响表现为，可以通过减小微通道孔喉比、增大粘度比、降低两相间的表面张力系数和提高流速等方法来抑制液滴破碎现象，而缩口长度的小幅度变化对液滴破碎现象的影响很小。 (4)使用真实岩心切片的扫描结果构建二维非均质孔网结构，该孔网结构可以表征多孔介质岩心的微通道结构。通过孔隙网络结构中的两相驱替实验来分析卡断行为对两相渗流的影响规律。结果表明非润湿相流体的卡断行为是造成非润湿相圈闭的主要原因，也是驱替过程中非润湿相残余动用的主要机制。可以通过增大驱替液粘度，降低两相间的表面张力系数，提高流速等方法降低孔隙网络结构内非润湿相流体发生卡断事件频率，进而降低非润湿相流体饱和度，减少孔隙网络结构内的非润湿相残余。 |
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