一種考慮粗糙表面特征的巖石毛管力確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微觀滲流力學(xué)研究領(lǐng)域，尤其涉及一種考慮粗糙表面特征的巖石毛管 力確定方法，適用于確定各種粗糙表面多孔介質(zhì)中的毛管力大小。
【背景技術(shù)】
[0002] 在自然界和工業(yè)界中，許多多孔介質(zhì)表面凹凸不平，明顯地表現(xiàn)出粗糙特性，比如 被納米流體吸附的巖石表面等。粗糙特性影響了多孔介質(zhì)潤濕性、潤濕滯后及驅(qū)替過程中 由于表面接觸造成的的做功損耗。因此多孔介質(zhì)粗糙表面下的毛細(xì)行為與其在光滑表面下 的表現(xiàn)會(huì)有較大差別。
[0003] 人們通常從孔隙水平甚至更微觀的水平入手研究巖石孔隙間的復(fù)雜滲流現(xiàn)象， 進(jìn)一步不斷升級(jí)到介觀多孔介質(zhì)及宏觀多孔介質(zhì)，因此孔隙尺度下毛管力的大小是計(jì) 算多孔介質(zhì)毛管力曲線和相對(duì)滲透率曲線等宏觀特性參數(shù)的先決條件。經(jīng)典的毛管力 公式只適用于圓形截面且未考慮由粗糙表面引起的潤濕狀態(tài)變化。確定不規(guī)則截面多 孔介質(zhì)毛管力的模型最常用的是孔隙網(wǎng)絡(luò)模型模擬中的MS-P方法（Oren P E，Bakke S,Arntzen 0 J. Extending predictive capabilities to network models[J].SPE Journal, 1998, 3 (04) : 324-336.)，該方法以能量方程為基礎(chǔ)，假設(shè)驅(qū)替前沿的曲率半徑與 孔隙截面角隅的界面曲率半徑相同，可以考慮不同潤濕性及不同截面形狀的情況。粗糙表 面潤濕可分為Wenzel狀態(tài)和C-B狀態(tài)，不同狀態(tài)下液滴在表面微結(jié)構(gòu)上的分布狀態(tài)及接觸 角不同。建立一種考慮粗糙表面特征的巖石毛管力確定方法將有助于精確計(jì)算多孔介質(zhì)滲 流參數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提高粗糙表面多孔介質(zhì)中毛管力確定的精確性，從而快速、準(zhǔn)確 地預(yù)測多孔介質(zhì)滲流參數(shù)。為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明提供了一種考慮粗糙表面特征的巖 石毛管力確定方法，該方法充分考慮了粗糙特性對(duì)巖石微觀結(jié)構(gòu)造成的變化及潤濕狀態(tài)的 改變。
[0005] 本發(fā)明技術(shù)方案具體步驟如下：
[0006] 1. -種考慮粗糙表面特征的巖石毛管力確定方法，其特征在于以下步驟：
[0007] (1)采用基于CT圖像構(gòu)建孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的方法對(duì)巖石孔隙截面進(jìn)行形狀等價(jià)，得 到等價(jià)形狀截面的周長、面積及內(nèi)角角度。
[0008] (2)利用三維激光表面測量儀掃描巖石表面形貌并成像。
[0009] (3)在三維形貌圖中分別截取N個(gè)XZ平面和N個(gè)YZ平面的巖石輪廓并編號(hào)為1， 2, 3…2N，N -般取10,統(tǒng)計(jì)凸起高度h、凸起寬度a、凹槽寬度d等粗糙表面平均特性參數(shù)。 [0010] (4)利用凸起高度、凸起寬度及凹槽寬度進(jìn)行粗糙表面等價(jià)，同時(shí)確定表面平均粗 糙因子rf、接觸面中凸起固體所占面積分?jǐn)?shù)f s。
[0011] (5)利用光學(xué)接觸角測量儀測量非濕相流體液滴在濕相流體環(huán)境下光滑巖石表面 的本征接觸角，判斷液滴在粗糙巖石表面上的潤濕狀態(tài)。
[0012] (6)根據(jù)潤濕狀態(tài)建立相應(yīng)的毛管力方程確定巖石毛管力。
[0013] 其中，所述基于CT圖像構(gòu)建孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的方法為現(xiàn)有方法，具體可參見參考 文獻(xiàn)：Hou Jian, Li Zhenquan, Zhang Sunkang, Cao Xulong, Song Xinwang, Gao Debo. Experiment and simulation study on construction of three-dimensional network model. Science in China, Series G, 2008,51 (9):1761-1774. 〇
[0014] 其所述步驟（3)中的粗糙表面特性參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法如下：
[0016] 其中Ral為第i個(gè)截面巖石輪廓粗糙度，ζ為第i個(gè)截面巖石輪廓最小二乘中線與 波峰交線平均長度，式為第i個(gè)截面巖石輪廓最小二乘中線與波谷交線的平均長度。
[0017] 其所述步驟（4)中的等價(jià)的粗糙表面特性參數(shù)確定公式如下：
[0020] 其所述步驟（6)中的毛管力方程如下：
[0021] 如果液滴潤濕為Wenzel狀態(tài)：
[0023] 如果液滴潤濕為C-B狀態(tài)：
[0025] 其中rd是驅(qū)替前沿半徑，Arff是截面中非濕相所占面積，L nw是非濕相與濕相的界 面周長，Lns是非濕相與管壁接觸周長，γ nw是非濕相與濕相間的界面張力，γ ns是濕相與管 壁間的界面張力，Θ是光滑表面下的本征接觸角，0$是粗糙表面下的表觀接觸角。
[0026] 本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點(diǎn)：
[0027] (1)考慮了粗糙表面對(duì)多孔介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的影響，并且適用于不規(guī)則截面的孔隙。
[0028] (2)考慮了粗糙表面導(dǎo)致的液滴潤濕狀態(tài)及接觸角的變化，可以更加準(zhǔn)確地確定 粗糙表面巖石毛管力。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發(fā)明的步驟流程圖。
[0030] 圖2為粗糙表面三維形貌圖。
[0031 ] 圖3為截面輪廓示意圖。
[0032] 圖4為粗糖表面等價(jià)不意圖。
[0033] 圖5為液滴在光滑表面上的接觸角測試示意圖。
[0034] 圖6為粗糖表面上潤濕狀態(tài)不意圖。
[0035] 圖7為非濕相驅(qū)替濕相過程中三角形毛細(xì)管截面中的流體分布。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明：
[0037] 如圖1所示，利用一種考慮粗糙表面特征的不規(guī)則巖石毛管力確定方法，其步驟 如下：
[0038] (1)采用基于CT圖像構(gòu)建孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的方法對(duì)巖石孔隙截面進(jìn)行形狀等價(jià)，得 到等價(jià)形狀截面的周長、面積及內(nèi)角角度。
[0039] 其中，所述基于CT圖像構(gòu)建孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的方法為現(xiàn)有方法，具體可參見參考 文獻(xiàn)：Hou Jian, Li Zhenquan, Zhang Sunkang, Cao Xulong, Song Xinwang, Gao Debo. Experiment and simulation study on construction of three-dimensional network model. Science in China，Series G，2008, 51 (9) : 1761-1774. 〇
[0040] (2)利用三維激光表面測量儀掃描巖石表面形貌并成像。圖2為某巖石粗糙表面 三維激光表面測量儀成像后的形貌圖。
[0041] (3)在三維形貌圖中分別截取N個(gè)XZ平面和N個(gè)YZ平面的巖石輪廓并編號(hào)為1， 2, 3…2N，N -般取10,統(tǒng)計(jì)凸起高度h、凸起寬度a、凹槽寬度d等粗糙表面平均特性參數(shù)。
[0042] 圖3為某XZ平面截面輪廓示意圖，其編號(hào)記為i，在示意圖中Ox軸表示取樣輪廓 的最小二乘中線，保證在取樣長度內(nèi)輪廓偏離該線的平方和最小。該截面的凸起高度匕為 2倍的粗糙度R al，Ral表示陰影部分的面積與取樣長度的比值。該截面的凸起寬度再為截面 巖石輪廓最小二乘中線與波峰交線平均長度等于
凹槽寬度式為截面巖石輪廓最 小二乘中線與波谷交線的平均長度等于
那么對(duì)于2N個(gè)截面有：
[0044] (4)利用凸起高度、凸起寬度及凹槽寬度進(jìn)行粗糙表面等價(jià)，同時(shí)確定表面平均粗 糙因子rf、接觸面中凸起固體所占面積分?jǐn)?shù)fs。圖4為粗糙表面等價(jià)示意圖，表面計(jì)算參數(shù) 為：
[0047] (5)利用光學(xué)接觸角測量儀測量非濕相流體液滴在濕相流體環(huán)境下光滑巖石表面 的本征接觸角，判斷液滴在粗糙巖石表面上的潤濕狀態(tài)。圖5為液滴在光滑表面上的接觸 角測試示意圖，濕相本征接觸角為Θ。圖6為粗糙表面上潤濕狀態(tài)判斷標(biāo)準(zhǔn)，在C-B狀態(tài)下 液滴未侵入表面凹槽，而在Wenzel狀態(tài)下液滴會(huì)侵入表面凹槽，此時(shí)的接觸角稱為表觀接 觸角θ'
[0048] (6)根據(jù)液滴潤濕狀態(tài)建立毛管力方程。
[0049] 在非濕相驅(qū)替濕相過程中，圖7為巖石孔隙截面通過孔隙網(wǎng)絡(luò)模型等價(jià)后的三角 形毛細(xì)管截面中的流體分布示意圖，白色代表非濕相，深色代表濕相，灰色代表粗糙體。其 中圖7(a)為光滑毛細(xì)管截面流體分布，圖7(b)為粗糙表面Wenzel狀態(tài)下的截面流體分 布，圖7 (c)為粗糙表面C-B狀態(tài)下的截面流體分布。MS-P方法認(rèn)為驅(qū)替前沿半徑和截面角 隅界面曲率半徑相等，在Wenzel潤濕狀態(tài)下，由能量守恒方程及楊-拉普拉斯公式建立毛 管力Wenzel方程組為：
[0051] 如果液滴潤濕為C-B狀態(tài)，建立的毛管力C-B方程組為：
[0053] 其中rd是驅(qū)替前沿半徑，Arff是截面中非濕相所占面積，L nw是非濕相與濕相的界 面周長，Lns是非濕相與管壁接觸周長，γ nw是非濕相與濕相間的界面張力，γ ns是濕相與管 壁間的界面張力，Θ是光滑表面下的本征接觸角，0$是粗糙表面下的表觀接觸角。
[0054] 求解出巧后，利用P C= γ nw/rd即得到Wenzel或C-B潤濕狀態(tài)下的巖石毛管力。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種考慮粗糖表面特征的巖石毛管力確定方法，其特征在于W下步驟： (1) 采用基于CT圖像構(gòu)建孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的方法對(duì)巖石孔隙截面進(jìn)行形狀等價(jià)，得到等 價(jià)形狀截面的周長、面積及內(nèi)角角度。 (2) 利用Ξ維激光表面測量儀掃描巖石表面形貌并成像。 (3) 在Ξ維形貌圖中分別截取N個(gè)XZ平面和N個(gè)YZ平面的巖石輪廓并編號(hào)為1，2,3··· 2N，N-般取10,統(tǒng)計(jì)凸起高度h、凸起寬度a、凹槽寬度d等粗糖表面平均特性參數(shù)。 (4) 利用凸起高度、凸起寬度及凹槽寬度進(jìn)行粗糖表面等價(jià)，同時(shí)確定表面平均粗糖因 子ff、接觸面中凸起固體所占面積分?jǐn)?shù)片。 (5) 利用光學(xué)接觸角測量儀測量非濕相流體液滴在濕相流體環(huán)境下光滑巖石表面的本 征接觸角，判斷液滴在粗糖巖石表面上的潤濕狀態(tài)。 (6) 根據(jù)潤濕狀態(tài)建立相應(yīng)的毛管力方程確定巖石毛管力。2. 如權(quán)利要求1中的一種考慮粗糖表面特征的巖石毛管力確定方法，其特征在于，其 所述步驟（3)中的粗糖表面特性參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法如下：其中Ru為第i個(gè)截面巖石輪廓粗糖度，瑪為第i個(gè)截面巖石輪廓最小二乘中線與波峰 交線平均長度，巧為第i個(gè)截面巖石輪廓最小二乘中線與波谷交線的平均長度。3. 如權(quán)利要求1中的一種考慮粗糖表面特征的巖石毛管力確定方法，其特征在于，其 所述步驟（4)中的等價(jià)的粗糖表面特性參數(shù)確定公式如下：4. 如權(quán)利要求1中的一種考慮粗糖表面特征的巖石毛管力確定方法，其特征在于，其 所述步驟化）中的毛管力方程如下： 如果液滴潤濕為Wenzel狀態(tài)：其中rd是驅(qū)替前沿半徑，Apff是截面中非濕相所占面積，L。點(diǎn)非濕相與濕相的界面周 長，Lm是非濕相與管壁接觸周長，γ是非濕相與濕相間的界面張力，γΜ是濕相與管壁間 的界面張力，Θ是光滑表面下的本征接觸角，是粗糖表面下的表觀接觸角。
【專利摘要】本發(fā)明公開了微觀滲流力學(xué)研究領(lǐng)域中一種考慮粗糙表面特征的巖石毛管力確定方法，其主要步驟包括：采用基于CT圖像構(gòu)建孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的方法對(duì)巖石孔隙截面進(jìn)行形狀等價(jià)并統(tǒng)計(jì)截面幾何參數(shù)；掃描巖石表面并進(jìn)行三維形貌成像；截取巖石三維形貌圖輪廓，統(tǒng)計(jì)粗糙表面平均特性參數(shù)；進(jìn)行粗糙表面等價(jià)；測量巖石本征接觸角，判斷液滴在粗糙表面下的潤濕狀態(tài)；根據(jù)潤濕狀態(tài)建立毛管力方程確定毛管力。該方法充分考慮了粗糙表面對(duì)巖石微觀結(jié)構(gòu)及潤濕性的影響，適用于不規(guī)則截面孔隙的巖石毛管力的確定，提高了毛管力的確定精度，從而能準(zhǔn)確預(yù)測多孔介質(zhì)滲流參數(shù)。
【IPC分類】G01N15/08
【公開號(hào)】CN105319155
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510818606
【發(fā)明人】侯健, 韋貝, 姚軍, 付紅斐, 劉建林, 劉東瀅, 楊勇, 曹緒龍, 郭蘭磊, 于波, 杜慶軍, 劉永革, 李淑霞, 姚傳進(jìn), 陸努
【申請(qǐng)人】中國石油大學(xué)(華東)
【公開日】2016年2月10日
【申請(qǐng)日】2015年11月23日