工程科学学报，第44卷，第X期 II-2-Main stimulation sector II-3-Secondary stimulation sector I-1-Horizontal well sector III-4-Unstimulated activated sector III-5-Unstimulated inactivated sector- 图4“三大区，五小区”多尺度模型四 Fig.4 Multi-scale model of the"three large zones,five small zones" 提出并验证了一种低马赫数流动数值模拟方法一 与L)发现受双电层影响的流体流速明显偏离了 微可压缩模型(Slightly compressible model:SCM)s3- 泊肃叶流；另外，朱维耀等两建立了考虑聚合物软 对于微可压缩流体的流变学模型，我们可以根据 颗粒在通过微通道时的空间位形力作用的微圆管 最基本的流变学模型（马克斯威尔模型 渗流模型.在非常规油气开发的大背景下，宏观流 (Maxwell)、开尔文模型(Kelvin)以及宾汉模型 动规律与理论不能准确描述并解决细观尺度多孔 (Bingham)进行适当的选择并进行修改，6s-6.张 介质中的流体流动问题已成为当下现场实际生产 雪龄等B、栗雪娟等s7、Venerus!6s针对微可压缩 中所面临的重要窘境.因此有必要对细观尺度中 黏性流体进行了详细研究，采用正则摄动法求得 的非线性流动进行研究，并建立新的研究方法，解 摄动解，发现压降和阻力系数明显偏离了不可压 决细观尺度下多孔介质中流体流动的界面效应、 缩流体.到目前为止对微可压缩流体的数学模型 微观力作用规律和非线性流动等问题.本课题组 的研究发现它可以提高低马赫数流动计算精度， 通过纳微米管等设计实验和细观力学理论阿， 且对于定常计算其残差能够收敛到零690笔者 分析了纳微米管界面特性与界面力作用关系及其 团队张雪龄博士四对圆管中的单相和两相微可压 与流体流动特性的关系，进行纳微米管界面与流 缩流体的不稳定流动进行了详细研究，建立了非 体特性参数表征，搞清网络结构性能对单相、两相 稳态流动数学模型，分析了单相和两相流动规律， 流体特性的影响关系，阐明介质结构尺度、流动界 发现微可压缩性对流体的微尺度效应影响显著， 面、流体相、微观力等特性关系 并给出了微圆管中流体流动的“临界启动尺度”， 3多孔介质中流体流动仿真模拟 对多孔介质细观流动中的微可压缩性对油气渗流 机理的影响有了更加全面的认识 非常规油气资源开发正在如火如茶的进行当 2.3界面效应与微观力作用 中，其中对于细观尺度的岩石孔隙结构中油气的 在以往的油气渗流力学研究中，通常只需描 赋存状态和流动规律的研究尤为重要，而“孔隙网 述常规多孔介质中的油气渗流规律，所以其流动 络模型”47的诞生为解决和完善细观多孔介质中 行为可通过达西定律（或泊肃叶定律）进行描述， 的流动理论提供了一种行之有效的方法.近20年 许多微观作用机理如流体界面效应和微观力作用 来，油气开发领域的大量国内外专家学者利用该 等均不起主要作用，因此可以忽略.然而，非常规 方法来研究非常规油气在细观尺度多孔介质中的 油气藏的孔隙结构往往非常小，流体受界面效应 流动问题，它能够在一定程度上还原真实岩心的 和分子间微观作用力的影响将越来越明显，呈现 孔隙空间特征，如果再通过室内实验手段人为赋 出不同于宏观尺度下统计规律的特性，从而导致 予其相应油气渗流参数，就可以模拟计算或定量 牛顿流体也呈现出非牛顿流体的性质，极大的表 预测细观尺度孔隙结构中的油气渗流规律 面积体积比值还导致了分子间作用力（范德华 31岩心孔隙网络重构技术的发展 力)、电黏性效应、空间位形力和流体在固壁产生 目前岩心孔隙网络模型重构方法主要是物理 的界面效应等.使用传统的达西定律或泊肃叶定 方法和数值方法，物理方法都是借助CT、SEM等 律已不能准确描述这些微观因素，如Lu与Li四 高精度仪器获取岩心内部结构从而对其进行重 采用兰纳-琼斯势(Lennard--Jones potential)表征了 构：数值方法先根据岩心图像获取必要的信息，之 流体分子与壁面的范德华力作用，并发现流体在 后建立数字岩心Hazlettm和Coles等根据超薄 纳米多孔介质中流动时N-S方程将不再准确；Yang 切片法以及相关函数构建出了三维数据场，利用提出并验证了一种低马赫数流动数值模拟方法—— 微可压缩模型(Slightly compressible model：SCM)[63−64] . 对于微可压缩流体的流变学模型，我们可以根据 最 基 本 的 流 变 学 模 型 （ 马 克 斯 威 尔 模 型 （ Maxwell）、开尔文模型（ Kelvin）以及宾汉模型 （Bingham)）进行适当的选择并进行修改[49, 65−66] . 张 雪龄等[34]、栗雪娟等[67] 、Venerus[68] 针对微可压缩 黏性流体进行了详细研究，采用正则摄动法求得 摄动解，发现压降和阻力系数明显偏离了不可压 缩流体. 到目前为止对微可压缩流体的数学模型 的研究发现它可以提高低马赫数流动计算精度， 且对于定常计算其残差能够收敛到零[69−70] . 笔者 团队张雪龄博士[71] 对圆管中的单相和两相微可压 缩流体的不稳定流动进行了详细研究，建立了非 稳态流动数学模型，分析了单相和两相流动规律， 发现微可压缩性对流体的微尺度效应影响显著， 并给出了微圆管中流体流动的“临界启动尺度”， 对多孔介质细观流动中的微可压缩性对油气渗流 机理的影响有了更加全面的认识. 2.3    界面效应与微观力作用 在以往的油气渗流力学研究中，通常只需描 述常规多孔介质中的油气渗流规律，所以其流动 行为可通过达西定律（或泊肃叶定律）进行描述， 许多微观作用机理如流体界面效应和微观力作用 等均不起主要作用，因此可以忽略. 然而，非常规 油气藏的孔隙结构往往非常小，流体受界面效应 和分子间微观作用力的影响将越来越明显，呈现 出不同于宏观尺度下统计规律的特性，从而导致 牛顿流体也呈现出非牛顿流体的性质，极大的表 面积/体积比值还导致了分子间作用力（范德华 力）、电黏性效应、空间位形力和流体在固壁产生 的界面效应等. 使用传统的达西定律或泊肃叶定 律已不能准确描述这些微观因素，如 Liu 与 Li[72] 采用兰纳−琼斯势 (Lennard−Jones potential) 表征了 流体分子与壁面的范德华力作用，并发现流体在 纳米多孔介质中流动时 N−S 方程将不再准确；Yang 与 Li[73] 发现受双电层影响的流体流速明显偏离了 泊肃叶流；另外，朱维耀等[74] 建立了考虑聚合物软 颗粒在通过微通道时的空间位形力作用的微圆管 渗流模型. 在非常规油气开发的大背景下，宏观流 动规律与理论不能准确描述并解决细观尺度多孔 介质中的流体流动问题已成为当下现场实际生产 中所面临的重要窘境. 因此有必要对细观尺度中 的非线性流动进行研究，并建立新的研究方法，解 决细观尺度下多孔介质中流体流动的界面效应、 微观力作用规律和非线性流动等问题. 本课题组 通过纳微米管等设计实验[75] 和细观力学理论[76] ， 分析了纳微米管界面特性与界面力作用关系及其 与流体流动特性的关系，进行纳微米管界面与流 体特性参数表征，搞清网络结构性能对单相、两相 流体特性的影响关系，阐明介质结构尺度、流动界 面、流体相、微观力等特性关系. 3    多孔介质中流体流动仿真模拟 非常规油气资源开发正在如火如荼的进行当 中，其中对于细观尺度的岩石孔隙结构中油气的 赋存状态和流动规律的研究尤为重要，而“孔隙网 络模型” [47] 的诞生为解决和完善细观多孔介质中 的流动理论提供了一种行之有效的方法. 近 20 年 来，油气开发领域的大量国内外专家学者利用该 方法来研究非常规油气在细观尺度多孔介质中的 流动问题，它能够在一定程度上还原真实岩心的 孔隙空间特征，如果再通过室内实验手段人为赋 予其相应油气渗流参数，就可以模拟计算或定量 预测细观尺度孔隙结构中的油气渗流规律. 3.1    岩心孔隙网络重构技术的发展 目前岩心孔隙网络模型重构方法主要是物理 方法和数值方法，物理方法都是借助 CT、SEM 等 高精度仪器获取岩心内部结构从而对其进行重 构；数值方法先根据岩心图像获取必要的信息，之 后建立数字岩心 Hazlett[77] 和 Coles 等[78] 根据超薄 切片法以及相关函数构建出了三维数据场，利用 Ⅱ-2-Main stimulation sector Ⅱ-3-Secondary stimulation sector Ⅰ-1-Horizontal well sector Ⅲ-4-Unstimulated activated sector Ⅲ-5-Unstimulated inactivated sector 图 4    “三大区，五小区”多尺度模型[8] Fig.4    Multi-scale model of the “three large zones, five small zones” [8] · 6 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期