纳微米非均相流体提高油藏采收率理论与技术

第1章 纳微米非均相流体的基本性能 　　1.1 基本概念和定义 　　1.1.1 非均匀流体 　　非均匀流体是指在流场的不同区域中性质改变的流体。流体是近程有序的，围绕每一个分子，在3～5个分子的距离内，有一个密度周期起伏并逐渐衰减的有序结构，这一有序结构决定了整个流体的性质[1]。 　　非均匀流体的性质特点，通常是指非均匀流体本身的性质特点，而不是指流动方式。非均匀流体的性质是在一个标准大气压和20℃下，流体处于静止状态时测得的。当多于一种明显的流体状态存在时，非均匀流体具有随位置变化的分段连续的宏观属性[2]。 　　严格地说，空气中的颗粒混合物是一种非均匀流体，这是因为空气和颗粒是不同的两相，而且颗粒区与空气区具有不同的性质。实际生产中的许多物料是非均匀流体。从物理化学的观点来看，实际生产中常遇到的流体是一种分散体系，如果从分子或微团结构出发来分析其微观结构对流变性的影响，那么就可以将生产中常遇到的流体看成非均匀流体，如原油，特别是含蜡量高的原油，当油温较低时，有蜡晶析出，这时也会呈现出与非均匀流体相似的特性[3]。 　　1.1.2 非均相体系 　　非均相体系也称非均相系统，是物理化学的一个基本概念。“体系”又称为“系统”，是热力学中的一个概念。根据研究的需要，人为地把一部分物料从周围的物体中划分出来作为研究对象，这一被划分出来的一部分物料称为体系或系统。系统以外的部分与系统有直接联系的物料统称为环境。“相”也是热力学的基本概念，是指系统内部物理和化学性能均匀，有明显的边界且用机械方法可以分离出来的部分。因此，非均相体系是指系统内含有一个以上的相，相间有明显的分界面[4]。 　　构成非均相体系的物质可以由一个组分构成，如水蒸气和水构成气、液两相，其组分都是水；也可以由几个组分构成，如糖和糖水，由两种组分构成，糖溶于水后成为糖水液相，而不能再溶的部分则沉淀在下面构成固相。 　　非均相体系的存在或非均相间与均相间的转化不仅和其本身组成有关，还和周围的环境条件有关。一杯底部有固体糖沉淀的糖水是一个固液非均相体系。如果温度升高，底部的固体糖就会溶解，直到全部溶解，系统就会变成糖水相，成为均相系统。一杯漂浮着冰块的水是一非均相体系，当温度升高，冰全部融化成水，就成为水的均相体系。 　　非均相体系和均相体系间的变化有物理变化，也有化学变化，甚至伴随着新物质和新相的产生。非均相体系和均相体系之间的变化伴随着能量的变化。如一杯水加入一些硝酸铵粉末，刚开始是固液非均相体系，随着硝酸铵的溶解成为均相体系，同时溶液温度降低，因为硝酸铵的溶解过程是吸热的。 　　1.1.3 分散相 　　胶体化学中被分散的物质称为分散相，又称弥散相，而分散介质称为连续相。例如，在合金固溶胶中，合金内分散相以细小而弥散分布的微粒形式存在的相。在合金钢中，存在细小微粒弥散分布的相，它对晶界有钉孔和扩大相界面的作用，使合金的强度和硬度增加[5]。 　　分散相一般是两个组分以上的多组分体系，不过也存在极为罕见的单组分分散体系，这类分散体系是液体。由于分子的热运动而出现的涨落现象使一些分子在液态内部聚集成较大的聚集体，聚合物或大分子量物质如蛋白质、纤维素及各种天然和人工合成的聚合物都存在分散相。 　　1.1.4 微纳米流体力学 　　流体力学是力学的一个分支，主要研究在各种力的作用下，流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动规律[6]。在流体力学中，存在以下几个基本假设。 　　1.连续体假设 　　物质都由分子构成，分子都是离散分布的，做无规则的热运动。但理论和实验都表明，在很小的范围内，做热运动的流体分子微团的统计平均值是稳定的。因此，可以近似地认为流体是由连续物质构成，其中温度、密度、压力等物理量都是连续分布的标量场。 　　2.质量守恒 　　质量守恒的目的是建立描述流体运动的方程组。欧拉法描述：流进绝对坐标系中任何闭合曲面内的质量等于从这个曲面流出的质量，这是一个积分方程组。将其化为微分方程组：密度和速度乘积的散度是零(无散场)。用欧拉法描述：流体微团质量的导数随时间的变化率为零。 　　3.动量定理 　　流体力学属于经典力学的范畴，因此，动量定理和动量矩定理适用于流体微元。 　　4.应力张量 　　对流体微元的作用力主要有表面力和体积力，表面力和体积力分别是力在单位面积和单位体积上的量度，所以它们有界。由于我们在建立流体力学基本方程组时考虑的是尺寸很小的流体微元，因此流体微元表面所受的力是尺寸的二阶小量，体积力是尺寸的三阶小量，故当体积很小时，可以忽略体积力的作用。认为流体微团只受表面力(表面应力)的作用。在非各向同性的流体中，流体微团位置不同，表面法向不同，所受的应力也是不同的。应力是由一个二阶张量和曲面法向的内积来描述的，二阶应力张量只有三个量是独立的，所以只要知道某点在三个不同面上的应力，就可以确定这个点的应力分布情况。 　　5.黏性假设 　　流体具有黏性，利用黏性定理可以导出应力张量。 　　6.能量守恒 　　能量守恒具体表述为：单位时间内体积力对流体微团做的功加上表面力和流体微团变形速度的乘积等于单位时间内流体微团的内能增量加上流体微团的动能增量。 　　微纳米流体力学是一门研究微米、亚微米直至纳米尺度下流体的流动及输运规律的学科。 　　1.1.5 纳微米颗粒非均相流体 　　根据连续相的状态，非均相流体分为两类：气态非均相流体，如含尘气体、含雾气体等；液态非均相流体，如乳浊液、悬浊液及泡沫液等。显然，非均相流体中存着相界面，界面两侧的物料具有不同的物理性质。 　　纳微米非均相流体是指纳微米颗粒悬浮在液相中，并且在液相内溶解度分布不均一的流体。 　　1.2 纳微米非均相流体的类型 　　1.2.1 固液颗粒分散体系 　　当把固体颗粒投入液体中并搅拌时，首先发生固体颗粒的表面润湿过程，即液体取代颗粒表面层的气体并进入颗粒之间的间隙；然后是颗粒团聚体被流体动力打散，即分散过程。通常，在搅拌过程中不会使颗粒的大小发生变化，只能达到原来颗粒尺度上的均匀混合。如果搅拌速度较慢，颗粒会全部或部分沉于釜底，这会极大地降低固液接触界面。只有足够强的扫底总体流动和高度湍动才能使颗粒悬浮起来。当搅拌器的转速由小增大到某一临界值时，全部颗粒将离开釜底悬浮起来，这一临界转速称为搅拌器的悬浮临界转速。实际操作时，搅拌器的转速必须大于此临界转速，才能使固液两相有充分的接触界面[7]。 　　1.2.2 气液分散体系 　　1.乳浊液 　　将一种液体分散在另一种互不相溶的液体中所形成的体系叫作乳浊液。组成乳浊液的一种液体一般是水或水溶液，另一种液体是与水互不相溶的有机液体，统称为油。油和水形成的乳浊液有两种类型：一种是油分散在水中，叫作水包油型，即油/水(O/W)型；另一种是水分散在油中，叫作油包水型，即水/油(W/O)型[8]。 　　将油和水放在一起猛烈地振荡，可得到乳浊液。但是这样得到的乳浊液并不稳定，只要放置片刻，就又会分成两层。因为分散开来的油珠相互碰撞时会自行合并起来。所以，要想得到稳定的乳浊液，通常必须有第三组分即乳化剂的存在。乳化剂的作用在于使由机械分散所得的液滴不能相互聚结。乳化剂的种类有很多，许多乳化剂是表面活性物质，如蛋白质、树胶、肥皂或人工合成的表面物质。倘若加入一点肥皂，再猛烈地振荡就可以得到稳定的乳浊液。当这些物质加到油水混合物中时，亲水基朝着水而疏水基向着油定向地排列起来，降低了它们的界面能，使得体系更加稳定。同时，它们也在油珠外面组成了一个具有一定强度的膜，当分散开的油珠再次相遇时，可以阻止它们之间的合并。 　　2.悬浊液 　　大于100nm不溶的固体小颗粒悬浮于液体里形成的混合物叫作悬浊液。常见的悬浊液有面糊、泥水、石灰乳等。悬浊液不透明、不均一、不稳定，不能透过滤纸，静置后会出现分层(即分散质粒子在重力作用下逐渐沉降下来)[9]。 　　3.泡沫液 　　泡沫液又称为泡沫浓缩液或泡沫原液，是可按适宜的浓度与水混合形成泡沫溶液的浓缩液体[10]。 　　1.3 纳微米非均相流体的特性 　　1.3.1 黏度 　　黏度是物质的一种物理化学性质，定义面积为A、相距dr的一对平行板，板间充以某种液体；今对上板施加推力F，使其产生速度变化所需的力。由于黏度的作用，物体在流体中运动时会受到摩擦阻力和压差阻力，造成机械能的损耗。 　　任一点上的剪应力都同剪切变形速率呈线性函数关系的流体称为牛顿流体。简单的牛顿流体流动是两无限平板以相对速度U相互平行运动时，两板间黏性流体的低速定常剪切运动(或库埃特流动)。非牛顿流体是指不满足牛顿黏性实验定律的流体，即其剪应力与剪切变形速率之间不呈线性关系。非牛顿流体广泛存在于生活、生产和大自然之中。绝大多数生物流体都属于所定义的非牛顿流体，如人体身上的淋巴液、囊液等多种体液，以及像细胞质那样的“半流体” [11]。 　　纳微米非均相流体属于非牛顿流体。因此，非牛顿流体的黏度定义同样适用于纳微米非均相流体的黏度定义。 　　1.3.2 流变特征 　　1.剪切变稀性 　　对于假塑性的纳微米非均相流体，随着剪切变形速率或剪应力的增加，其表观黏度降低。在这种情况下，它不再像牛顿流体那样具有确定的流变方程形式，此时具有多种形式的流变方程可用于描述假塑形的流变特性[12]。 　　2.剪切增稠性 　　受力就会有流动，但剪应力与剪切变形速率不成比例，随着剪切变形速率的增大，剪应力增加的速率越来越大，即随着剪切变形速率的增大，流体的表观黏度增大。 　　1.3.3 界面特性 　　热力学平衡时离子晶体的表面或界面由于有过剩的同号离子而带有一种电荷，这种电荷正好被晶界邻近的异号空间电荷层所抵消，这种现象叫作界面特性[13]。 　　纳微米非均相流体具有比均相流体更复杂的界面特性，主要表现为界面处纳微米颗粒的浓度不同于体相内部的浓度，所以纳微米非均相流体展现出均相流体不具有的特征，能够实现均相流体无法实现的特殊功能，详细论述请见随后章节。 　　1.3.4 润湿性 　　润湿性是指存在两种互不相溶的液体，液体首先润湿固相表面的能力，即一种液体在一种固体表面铺展的能力或倾向性[14]。物质表层的分子状态和它内部的分子状态不同，表面层分子的能量比它内部分子的能量高。当固体物质与液体物质接触时，一旦形成界面，就会发生降低表面能的吸附现象，液体物质将在固体物质表面铺展开来。 　　在实践中，通常用接触角来度量固体表面的润湿性(固体表面的亲水或疏水程度)。当气泡在固体表面附着(或水滴附着于固体表面)时，一般认为其接触处是三相接触，并将这条接触线称为“三相润湿周边”。在接触过程中，润湿周边是可以移动的，或者变大，或者缩小。当变化停止时，表明该周边三相界面的自由能(用界面张力表示)已达到平衡。在此条件下，在润湿周边上任意一点处液气界面切线与固液界面切线之间的夹角称为平衡接触角，简称接触角[15]。 　　固体表面的润湿性主要由界面层原子或原子团的性质决定。因此，对于固体而言，其润湿性将随固液两相的组成与性质而发生变化。而对于施加表面改性剂后的固体，其润湿性与固体基材性质无关，主要取决于改性剂和液相的性质。 　　岩石流体中的润湿情况受界面张力的影响。改变岩石或其中流体的类型将改变界面张力，因此也改变了系统的润湿性。添加化学药剂，如表面活性剂、聚合物、防腐剂、除垢剂等，也会改变其润湿性。 　　1.3.5 流体饱和度 　　流体饱和度是描述储层岩石孔隙中流体充满的程度，该参数可影响油气藏储量的大小。因此，它与孔隙度、渗透率合称为孔、渗、饱参数，用来评价储层的优劣[16]。 　　当储层岩石孔隙中同时存在多种流体(原油、地层水或天然气)时，某种流体所占的体积百分数称为该种流体的饱和度。 　　流体饱和度分为原始含水饱和度、原始含油饱和度、束缚水和束缚油饱和度等。确定储层流体饱和度的方法包括油层物理法、测井方法、经验统计图版法等。 　　1.3.6 多孔介质中的流动特征 　　多孔介质是宏观上连续(微观上随机)分布着孔隙空间的固体物质，也是多相物