复杂结构微孔道表面水流滑移特征的形成方法与应用

1、复杂结构微孔道表面水流滑移特征的形成方法与应用狄勤丰顾春元（上海大学，上海市应用数学和力学研究所00072,上海）摘要：水流滑移边界的存在可以较大幅度降低微孔道内水流的阻力。目前已有多种方法实现这 一目标，包括特殊设计纳米点阵、特殊超疏水材料的应用，但这些方法都是针对可铺展或人 工制造的微管道。对于石油储层岩心这种特殊而复杂的微通道（孔径变化、孔壁不规则、孔 道截面不规则、曲折性强），现有方法无法应用。本文提出一种利用疏水纳米材料在亲水岩心 孔壁吸附的方法来形成水流滑移边界。特定结构的疏水纳米SiO2颗粒在岩心孔道内通过竞争 吸附，突破岩心孔道表面的束缚水层，与孔壁强力吸附，形成纳米吸附层，使

2、岩心孔道表面 的润湿性由亲水转换为强疏水。一系列的实验间接地证实了纳米颗粒可以在复杂结构的岩心 孔壁紧密吸附，并能实现岩心孔道表面润湿性的改变。专用的岩心流动实验表明纳米吸附岩 心孔道表面水流边界滑移层的存在。测试的四块岩心表明，通过纳米吸附方法可使岩心的水 相渗透率提高30%60%，对应为在保持流速2X10 5m/s时，可使所需的压力梯度下降近 1MPa/m。造成这种压力梯度下降的原因之一是孔壁的速度滑移边界，LBM模拟的结果表明， 这种滑移边界达0.川m以上。本文提出的方法可用于降低石油储层岩心微通道流动阻力， 实现降压增注目的。主题词：复杂微孔道、滑移边界、纳米颗粒、吸附、润湿性1引言纳

3、、微孔道中流体的动力学问题近年来受到了重要关注，并且有重大发现。一些实验表 明，当微孔道直径小于一定的量值后，流体的微流动不再遵循N-S方程IE。Pfahleretal.u 测量了管径介于0.5p m至40p m的圆管内的微流动规律，发现在管道直径较大时试验数据 与理论结果十分吻合，而当管径较小时，试验数据逐步偏离理论结果。Mala and Li2也发现 了同样的规律Qu等研究了水在具有梯形截面的硅质管道内的流动特性（等效水力管径51 to 169 m），发现试验数据与理论结果存在明显的差距。研究表明，造成这种现象的原因更多的 在于边界速度滑移层的存在，一般用滑移长度来描述。直接测量法和间接测

4、量法都成功测得 了这种滑移长度4-9。直接法，如PIV （Particle Image Velocimetry） 4-6测得的最大滑移 长度达 川 m，而间接法，如 PDVFR（Pressure Drop Versus Flow Rate method） 7,8， DVVF (Drainage Versus Viscous Force method)，测得的最大滑移长度达 2.5p mi0。Eric Laugam对边界滑移条件进行了全面的论述，并讨论了各种参数如润湿性、表面粗糙度等对滑 移长度的影响。实验表明，润湿性和粗糙度的合理配合可以使微孔道表面出现很大的滑移长 度，从而显著的降低水流阻力

5、12,13，这个发现最终导致了新的降阻技术的产生。目前的微管道降阻的方法都是采用人工方法对疏水性材料进行粗糙度改造，从而实现超 疏水表面。Watanabe，Fukudas等研究了水流通过管径为6 mm12 mm的超疏水圆管内的 流动特性。圆管内表面包裹了一种利用氟烷烃改性的丙烯酸树脂制成，树脂表面十字交叉形 地布满了 10 p m至20 p m的微裂纹，从而使其具有很好的孔隙性超疏水性。实测的压降一 速度剖面曲线表明当雷偌数为50010 000时，阻力下降达14%，对应的滑移长度则达450 p m。mm Fukuda使用超疏水表面和充气法来实现降阻目的，并得到较好效果。水流速度在 84m/s时

6、水流阻力下降55%，而当水流速度在4m/s时水流阻力下降达80%。Jia Ou， Blair Perot等14利用疏水表面和微米级的表面粗糙度组合使园管内的水流阻力下降40%， 对应的滑移长度则达到 20 p m。而 CeCile Cottin-Bizonnem，Derek C. Tretheway ， Oner and McCarthy 等的研究表明，纳米点阵结构可以有效地提高疏水表面的滑移长度。以上提及的文献中都强调了疏水性表面和纳米级或微米级粗糙度的配合的重要性，但这 种粗糙度的形成主要靠人工手段获得。对于像岩石微孔道这种不可铺展、深埋地下的复杂、 不规则微孔道，以上方法无法使用。本文提

7、出利用纳米吸附方法来实现岩心微孔道表面特性 的改造，从而使亲水微孔道转变为具有一定粗糙度的疏水微孔道，并利用实验方法来间接证 明这种方法的有效性。2.复杂结构微孔道表面水流滑移特征的形成方法一纳米吸附法描述石油储层深埋地下，岩石埋深一般在几百米到几千米，其孔道直径变化较大，体现为水 相渗透率的极大差异。图1是一典型的含油水岩心微孔道照片。从图中不难看出，这种微孔 道的最大特点是1)复杂，任一微孔道都可能是无规则变直径的，而且表面可能很不光滑；2) 曲折，任一微孔道都不是单一直通的，可能是复杂曲折的；3)不可铺展，不但深埋地下的岩 石不可铺展，而且取出的岩心也是不可铺展的。因此，改造这种岩心微孔

8、道不能用上述文献 中提到的人工方法。针对以上特点，本文提出利用纳米吸附方法来实现岩心微孔道表面特性 的改造。图1岩心微孔道纳米吸附法就是将疏水性纳米粉体均匀分散于特定的分散介质中，注入目的层，关井24 小时后，待纳米颗粒在岩石微孔道表面充分吸附后，开井注水。疏水性纳米颗粒是经表面修 饰改性的纳米SiO2，一般尺度在1050nm。3 .纳米吸附法有效性的实验分析经过长期注水，注水井近井带岩石微孔道表面经长期冲刷，孔道表面的润湿性由最初的 亲油性转变为亲水性，形成一水化层。这种水化层使岩石微孔道的有效直径变小，使水流阻 力大幅度提高，具体表现为注水压力大幅度上升，注水量下降。疏水性纳米颗粒首先突破

9、岩 石微孔道表面水膜的排斥力，与微孔道表面进行强力吸附，并使微孔道表面产生一种特殊机 制，使水流阻力下降。这种特殊机制实质上就是滑移长度的产生。事实上，纳米SiO2颗粒吸 附到岩石微孔道表面后，在孔道表面形成纳米吸附层，必然造成孔道实际孔径变小，孔隙度 也会有所降低，而且这种纳米材料并没有降低注入流体表面张力的功能。正是这种特殊机制 的存在，也即较大水流滑移长度的存在使得岩石微孔道表面的水流阻力得以大幅度下降，从 而达到注水压力下降、注水量增加的效果。本文将从实验角度出发证实（1）纳米颗粒在岩心 微孔道孔壁的强力吸附；（2）吸附纳米颗粒的岩心微孔道表面的润湿性转换；（3）纳米颗粒 吸附能降低岩

10、心流动阻力。此外，利用LBM方法来推测水流滑移长度的大小。3.1表面吸附及分布实验由于纳米颗粒在岩心微孔道表面吸附后，任何的机械破碎作用都可能造成表面特征的破 坏，因此本文采用间接的方法来证实纳米在岩心微孔道表面的吸附。让岩样（表面有吸附水 的岩心薄片）在纳米液中自然吸附纳米颗粒，通过扫描电镜（SEM）观察岩样表面的纳米颗 粒吸附状况。图2（a）和图2（b）分别是裸岩表面和吸附了纳米颗粒的岩样表面扫描电镜照片（2 万倍)。由图2(a)可见，岩样表面有片状粘土矿物，棱角分明，且每一小部分表面比较光滑， 反映为原始岩心的特点。图2(b)中，纳米颗粒已在岩样表面充分吸附，颗粒呈椭球状，相互 连接，吸

11、附比较紧密。岩样表面被一层纳米颗粒所占据，已经看不到岩石本体，棱角圆滑， 整体仍保持岩样结构特征。该实验证明了纳米颗粒可以突破岩样表面的水膜的排斥力，并紧 密地吸附在岩石孔壁上。就局部看，空白岩样表面光滑，而吸附的纳米层有明显的颗粒凹凸 感。图2样表面的扫描电镜照片：(a)空白岩样表面；(b)吸附了纳米粒子的岩样表面(20,000倍)。3.2润湿性实验采用OCA15光学接触角测试仪，采用连续法测试了水滴分别在空白岩样、油浸岩样和吸 附了纳米颗粒(hydrophobic nanoparticles，HNP)的岩样表面的接触角，结果见图3。图3(a) 中，水滴在空白岩样表面的接触角分别为49.1

12、、38.1和24.1。说明岩样为显著的亲水性。图3(b)中，水滴在油浸岩样表面的接触角分别为100、88.1和86.3，说明油浸岩样 表面为中性偏亲油。图3(c)中，水滴在吸附了疏水纳米颗粒的岩样表面的接触角分别为105、101.2。和 99.8，接触角变化不大，比前两者稳定。这些说明岩样表面已经转为明显的疏水性。三图对比，可以看出，水滴在疏水纳米颗粒处理过的岩样表面的接触角明显高于空白岩 样，且接触角比较稳定，差异小。本实验结果表明，疏水性纳米SiO2颗粒吸附在岩石表面，可以使岩样表面由亲水变为疏 水。图4是吸附纳米颗粒的另一块岩样的SEM照片、接触角和滚动角的照片。图4(a)为吸附 纳米颗

13、粒岩样表面的扫描电镜照片，从图中可以看出，表面被纳米颗粒覆盖，并且具有较大 的粗糙度。图4(b)的接触角达148.1，图4(c)显示了水滴在岩心片表面上的滚动形状，几乎 保持水滴的原形，说明前进角和后退角差值不大，滚动角非常小。图4说明纳米吸附方法不 仅可以使岩样表面的润湿性发生转变，而且可以实现强疏水性（接近超疏水）。此外，从图2（b）和图4（a）可以看出，吸附纳米颗粒的岩样表面的粗糙度在纳米一微米 级。由此可见，通过纳米吸附方法，可以使岩心微孔道孔壁表面具备产生水流滑移效应的条 件。图3水滴接触角测试结果：（a）水滴在空白岩心片表面；（b）水滴在油浸岩样表面；（c）水滴在纳米液浸泡岩样表面

14、。图4强疏水性的表面：（a）吸附纳米颗粒的岩样表面SEM照片；（b）水滴在吸附纳米颗粒岩样表面的接触角；（c）水滴在吸附疏水纳米SiO2粒子的岩心表面的滚动形状。3.3岩心流动实验及其结果分析通过岩心流动实验，测定天然岩心在纳米增注剂流体处理前、后的水相渗透率。按照岩 心流动实验的行业标准，进行增注流动实验。纳米颗粒被均匀地分散在煤油中，形成纳米流 体，浓度0.15%，实验温度30C左右。首先将将洗过油的岩心烘干、抽真空饱和地层水，求 出孔隙度。然后将岩心装入流动仪，注入油（煤油），建立岩心束缚水。在此基础上模拟地层 水驱替，测出纳米驱替前后的水相有效渗透率k和七，部分实验结果见表1。由表1可

15、见，岩样在纳米流体处理后水相渗透率提高30%60%，平均达47%。由此可 见，在微孔道半径由于纳米吸附而略有下降的情况下，因微孔道表面润湿性改变和滑移长度 的存在，使岩心的渗透率得到较大幅度提高，反映为水流阻力的下降。表1疏水纳米液处理前后的岩心流动实验结果ITijjrib erWPEP10;、Jt*-JtKK15.628.650.5429.1612.980.4235.076.610.34S.8414.150.6:K-pragply7.1710.60.47滑移长度的LBM模拟吸附实验和润湿性实验的结果表明，纳米颗粒吸附法可以使岩石微孔道表面具有产生滑 移速度的条件。Li Ding、Di Qin

16、feng和Fang Haiping等对具有规则形状纳米表面结构的水流滑 移特性进行了研究I，但对于这种复杂不规则结构表面的滑移特征还没有明确结论，因而至 今无法推测出岩石微孔道表面的滑移长度。本文尝试利用LBM （Lattice Boltzmann Method） 数值模拟方法来反演实验岩心的微孔道表面的滑移长度。事实上，孔隙内流体的运动是流体粒子在多孔介质边界条件下的碰撞和运移过程，从微 观尺度进行描述将具有更好的优势。为了反映复杂边界对流体粒子的影响，可以采用多种反 弹格式进行边界处理，而这种过程的模拟正是LBM数值模拟的优点之一，目前国内郭18、 许U9等做了大量工作，但未见用LBM研究

17、实际岩石渗流问题的报道。本文根据D2Q9模型18，研制了二维岩心微孔道渗流特性的LBM软件。模拟岩心的结 构参数为长度L =3mm和高度=1.5mm。岩心初始渗透率由实验确定。对于没有吸附纳米 颗粒的岩心微孔道，其边界条件为：（1）而对于吸附了纳米颗粒的岩心微孔道表面，由于速度滑移的存在，其边界条件转换为：.（2）众所周知，岩样具有非常复杂的微孔道结构，即使采用CT技术也很难清晰地描述出其 具体特征。为此本文采用与Guo18和Freed 20一致的做法，利用附加阻力项来模拟岩心微孔 道的特征。在模拟思路上，则是先调整岩心微孔道的结构参数，使LBM拟合所得的渗透率与实验测定值（k）一致，然后固定

18、相关参数，调整岩心微孔道直径，使其模拟滑移长度的 存在，并使LBM模拟的渗透率接近纳米颗粒吸附后岩心微流动渗透率的实验测定结果 （匕），从而反推出岩心微孔道有效孔径的扩大量，得出相应的滑移长度。LBM模拟用的 参数见表2。表2 LBM数值计算所用相关参数Table 2. The parameters used in LBM|_1_|M有心石孔隙度有效渗透目m2格子数cork3#0.185.076.61600X 3001.99976|x io |2.08图5给出了 3#岩心的LBM模拟计算结果（速度一压力梯度曲线）。对于纳米吸附处理前 的3#岩心流动实验，当岩心微孔道等效孔径为1.362 m时，

19、其速度一压力梯度模拟曲线方程 为：u = 0.5014 x 10-5 VP - 0.0033 x 10-5（3）对应的有效渗透率计算结果为k，= 5.014 X 10-3 p m2，其与实测有效渗透率的误差为 1.1%。3#岩心微孔道吸附纳米颗粒后，其速度一压力梯度模拟曲线方程为：u = 0.6625 x 10-5 VP - 0.0064 x 10-5（4）对应的有效渗透率计算结果为十6.625 X 10-3p m2，其与实测有效渗透率的误差为 0.2%，其时对应的岩心微孔道等效孔径为1.566m m，由此可得由于纳米颗粒吸附造成的滑移 长度为0.102m m。正是这种滑移长度的存在，等效地扩

20、大了岩心微孔道的有效孔径，从而降 低注入水在岩心微孔道内的流动阻力。 = 0.6625-0.0064必=1丸 Before adsorbed After adsorbed0.5014?;-0.003310152025LBM模拟的压力梯度与水流速度的关系结论象岩石微孔道这种具有复杂结构和不可铺展的微孔道，无法采用人工雕琢、加工 的方法来改变其表面粗糙度，进而构建超疏水剖面。本文提出的纳米颗粒吸附法可以实现这 类微孔道的表面润湿性的改变和粗糙度的实现，从而实现强疏水或超疏水管道表面。润湿性实验和吸附电镜扫描实验说明疏水纳米SiO2粒子能在岩石孔道表面发生紧 密吸附。疏水纳米粒子在岩石表面的分布基本

21、已满足发生纳米效应的水流滑移的条件，但具 体分布规律有待进一步探索。岩心流动实验结果表明，经疏水纳米SiO2流体处理过的岩心，其孔道流动阻力较 大幅度下降，水相渗透率大幅提高，提高率平均为47%。以实验测定的岩心有效水相渗透率为基准，利用LBM方法可以近似推出纳米颗粒 吸附造成的水流滑移长度。3#岩心的模拟结果表明，纳米颗粒吸附造成的滑移长度在100nm 以上。符号说明：t微通道的曲折度,1.22.5；k纳米颗粒吸附前的水相渗透率,10-3 m2；%纳米颗粒吸附后的水相渗透率,10-3 m2；4孔隙度；P流体密度,kg/m3；v流体的运动粘度,m2/s；V P压力梯度,MPa/m；u流速，m/

22、s； 松弛因子，为松弛时间的倒数，1/s；参考文献Pfahler J, Harley J, Bau H, et al., Gas and Liquid Flow in Small Channels. ASME.1991(32): 49-60.G.M. Mala, D. Li, Flow characteristics of water in microtubes, International Journal of Heat and Fluid Flow, 1999(2):142-148.Qu Weilin,G. M. Mala, D. Li , Pressure-driven water fl

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