工程科学学报，第44卷，第X期 1.3数值模拟 (MD)、格子玻尔兹曼方法(LBM)模拟和孔隙网 孔隙网络模型(Pore network model,PNM)是一 络模型(PNM)的构建及其在微流动仿真模拟中 种利用计算机技术并结合图像处理学、拓扑学、 的应用，通过成像技术(Micro CT、NMR和FIB- 几何学等，在微观尺度下进行多孔介质的微观 SEM等)获取多孔介质的基本孔隙特征，并按照模 网络构建、孔喉仿真模拟和分子间作用描述，且 型构造方法利用计算机模拟软件(MS、Fluent、 能够较为真实地反映复杂的多孔介质微观流动 Comsol和CFD-ACE等)完成构建并进行仿真模拟 规律的方法阿本部分主要介绍分子动力学模拟 (图3)62 Pore network model Imaging Model Software technology Molecular Continuous moder model Determine Statistical the model model MS Micro CT N-S equation Fluent NMR Comsol FIB-SEM H-Pequation MD LBM CFD-ACE 图3孔隙网络模型及应用软件分类巴姆 Fig.3 Pore network model and application software classification7.41 1956年Fatt7研究毛管压力特征时首次引入 更加关注细观尺度下多尺度效应、微可压缩性、 网络模型，Dullien等4s对他的研究进行了补充和 界面效应和微观力作用等所带来的变化，特别是 完善.此后，国外许多学者对多孔介质网络模型的 在油气渗流、多孔介质材料科学和纳米科学等领 构建和应用作了大量工作，目前已被广泛应用于 域.本部分将对细观尺度下流体流动的几个主要 模拟各种不同的流动过程，包括相交换、化学反应 特征作详细论述 输运、非牛顿驱替和非达西流等1,9刈Ju等建 2.1多尺度效应 立了二维细观尺度多组分LBM水驱油模型，并比 目前对于单一尺度下流体流动的研究已经相 较了不可压缩流体密度比对两相驱替的影响 对成熟，然而对于分子尺度微观作用方面的研究 Xie等B]对润湿黏弹性流体进行了LBM建模，并 尚不完善.多尺度效应（细观-宏观）是在探寻流动 研究了3种不同的孔隙几何结构中液滴的运移、 过程中小尺度对大尺度的影响规律，完成宏观性 捕获等.Cai等2！利用MD模拟得到的单缝模型 能预测或通过微观结构设计改进材料性能所必须 孔隙中的输运扩散系数计算有效扩散系数.王金 要考虑的主要因素之一5) 勋等利用PNM研究了水驱油两相渗流规律，计 本文主要针对现代油气渗流过程中的多尺度 算了非稳态法油水相对渗透率曲线和气液体系渗 问题进行评述.对于油气储层而言，其非均质性尤 吸过程的相对渗透率.Wang等P1为了预测页岩 为显著，特别是当前研究的热点一一非常规储层 表观渗透率，将MD和PNM相结合，建立了一个 渗流过程存明显的多尺度特性.从多尺度划分上 多尺度的页岩气渗流模型.目前研究的网络模型 看，现代油气渗流过程横跨细观尺度和宏观尺度， 大多为准静态网络模型，考虑了毛管力的作用，忽 在不同尺度上具有不同的渗流模型，如表1所示 略了各种微观力的影响，也没考虑岩石骨架与流 宏观尺度的油气藏渗流主要以达西流和自由流为 体之间的界面作用，更无法真实地反映微观尺度 主，而对于细观尺度而言，其油气渗流呈现明显非 下流体的流动机制 线性规律，达西定律不再适用；于是研究人员针对 不同尺度多孔介质的渗流模型做了大量的实验和 2细观尺度下流体流动的主要特征 理论上的修正，目的是以满足当前非常规油气藏 随着多孔介质中流体流动过程中的孔隙特 的开发需求.针对非常规油气藏，马勇军与王瑞飞网、 征、界面效应及尺度问题等越来越复杂，研究人员 马铨峥等5阿]、邓佳5也针对不同非常规油气藏的1.3    数值模拟 孔隙网络模型（Pore network model，PNM）是一 种利用计算机技术并结合图像处理学、拓扑学、 几何学等，在微观尺度下进行多孔介质的微观 网络构建、孔喉仿真模拟和分子间作用描述，且 能够较为真实地反映复杂的多孔介质微观流动 规律的方法[45] . 本部分主要介绍分子动力学模拟 （MD）、格子玻尔兹曼方法（LBM）模拟和孔隙网 络模型（PNM）的构建及其在微流动仿真模拟中 的应用 ，通过成像技术（ Micro CT、 NMR 和 FIB￾SEM 等）获取多孔介质的基本孔隙特征，并按照模 型构造方法利用计算机模拟软件 （ MS、 Fluent、 Comsol 和 CFD-ACE 等）完成构建并进行仿真模拟 （图 3） [5, 23] . Pore network model Model Imaging technology Micro CT NMR FIB-SEM Molecular moder Determine the model Statistical model MD LBM Continuous model N-S equation H-P equation Software MS Fluent Comsol CFD-ACE 图 3    孔隙网络模型及应用软件分类[27, 46] Fig.3    Pore network model and application software classification[27, 46] 1956 年 Fatt[47] 研究毛管压力特征时首次引入 网络模型，Dullien 等[48] 对他的研究进行了补充和 完善. 此后，国外许多学者对多孔介质网络模型的 构建和应用作了大量工作，目前已被广泛应用于 模拟各种不同的流动过程，包括相交换、化学反应 输运、非牛顿驱替和非达西流等[21, 49−50] . Ju 等[5] 建 立了二维细观尺度多组分 LBM 水驱油模型，并比 较了不可压缩流体密度比对两相驱替的影响. Xie 等[51] 对润湿黏弹性流体进行了 LBM 建模，并 研究了 3 种不同的孔隙几何结构中液滴的运移、 捕获等. Cai 等[22] 利用 MD 模拟得到的单缝模型 孔隙中的输运扩散系数计算有效扩散系数. 王金 勋等[52] 利用 PNM 研究了水驱油两相渗流规律，计 算了非稳态法油水相对渗透率曲线和气液体系渗 吸过程的相对渗透率. Wang 等[23] 为了预测页岩 表观渗透率，将 MD 和 PNM 相结合，建立了一个 多尺度的页岩气渗流模型. 目前研究的网络模型 大多为准静态网络模型，考虑了毛管力的作用，忽 略了各种微观力的影响，也没考虑岩石骨架与流 体之间的界面作用，更无法真实地反映微观尺度 下流体的流动机制. 2    细观尺度下流体流动的主要特征 随着多孔介质中流体流动过程中的孔隙特 征、界面效应及尺度问题等越来越复杂，研究人员 更加关注细观尺度下多尺度效应、微可压缩性、 界面效应和微观力作用等所带来的变化，特别是 在油气渗流、多孔介质材料科学和纳米科学等领 域. 本部分将对细观尺度下流体流动的几个主要 特征作详细论述. 2.1    多尺度效应 目前对于单一尺度下流体流动的研究已经相 对成熟，然而对于分子尺度微观作用方面的研究 尚不完善. 多尺度效应 (细观−宏观) 是在探寻流动 过程中小尺度对大尺度的影响规律，完成宏观性 能预测或通过微观结构设计改进材料性能所必须 要考虑的主要因素之一[53] . 本文主要针对现代油气渗流过程中的多尺度 问题进行评述. 对于油气储层而言，其非均质性尤 为显著，特别是当前研究的热点——非常规储层 渗流过程存明显的多尺度特性. 从多尺度划分上 看，现代油气渗流过程横跨细观尺度和宏观尺度， 在不同尺度上具有不同的渗流模型，如表 1 所示. 宏观尺度的油气藏渗流主要以达西流和自由流为 主，而对于细观尺度而言，其油气渗流呈现明显非 线性规律，达西定律不再适用；于是研究人员针对 不同尺度多孔介质的渗流模型做了大量的实验和 理论上的修正，目的是以满足当前非常规油气藏 的开发需求. 针对非常规油气藏，马勇军与王瑞飞[54]、 马铨峥等[55]、邓佳[56] 也针对不同非常规油气藏的 · 4 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期