基于多相驱替行为透明解析实验平台的教学方法_郑江韬.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 9 期 2023 年 9 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.9 Sep.2023 收稿日期:2023-04-07 基金项目:本科教育教学改革与研究项目（J220609，J210602）；国家自然科学基金项目（52274045）作者简介:郑江韬（1989），山西河津，博士，副教授，从事渗流力学及工程力学方面的教学和研究工作，。引文格式:郑江韬，潘博，鞠杨.基于多相驱替行为透明解析实验平台的教学方法J.实验技术与管理,2023,40(9):229-236.Cite this article:ZHENG J T,PAN B,JU Y.Teaching method for multiphase displacement behavior based on transparent experimental platformJ.Experimental Technology and Management,2023,40(9):229-236.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.09.032 基于多相驱替行为透明解析实验平台的教学方法 郑江韬1,2，潘 博2，鞠 杨1,2（1.中国矿业大学（北京）煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室，北京 100083；2.中国矿业大学（北京）力学与土木工程学院，北京 100083）摘 要：该文研发了多相驱替透明解析实验系统，将 3D 打印用于岩石复杂非连续结构透明模型的快速制备，建立了接触角测量、表面张力测量及多相驱替行为透明解析实验教学方法，强化了渗流力学、工程流体力学实验教学平台。通过开展复杂结构内多相驱替实验教学，能够加深学生对课本理论知识的理解，开拓学术视野，提高主观能动性及创新能力。关键词：多相驱替；3D 打印；渗流实验平台；数字化模型；悬滴法 中图分类号：G642.0；O341 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)09-0229-08 Teaching method for multiphase displacement behavior based on transparent experimental platform ZHENG Jiangtao1,2,PAN Bo2,JU Yang1,2(1.State Key Labortaory for Fine Exploration and Intelligent Development of Coal Resources,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China)Abstract:In this paper,an experimental platform was developed for transparent analysis of the multiphase displacement behavior.The 3D printing technology was used to rapidly prepare transparent models with complex discontinuous structures inside.The experimental teaching methods of contact angle measurement,surface tension measurement and multiphase displacement behavior transparent analysis were established,which improved the experimental teaching platforms of engineering fluid mechanics.By conducting multiphase displacement experiments,students can deepen their understanding of textbook theoretical knowledge,broaden their academic horizons,and improve their subjective initiative and innovation ability.Key words:multiphase displacement;3D printing;seepage experiment platform;digital model;suspension drop method 目前我国已是全球最大的油气进口国，石油和天然气的对外依存度分别超过 70%和 40%。在这一背景下，我们不仅需要采用聚合物驱、表面活性剂驱、堵水调剖等方法提高老油田的采收率，还需要在非常规油气资源开发中发力，提高煤层气、页岩油气等资源的采收率。此外，在保障国家能源安全的同时实现“碳达峰、碳中和”目标势在必行，将化石能源使用过程中产生的 CO2进行捕获收集并进行地质封存或进一步利用（CCUS），已成为缓解全球气候变暖的一种有效途径。将 CO2注入至地下 8003 500 m 深度范围内的陆上或海底咸水层、废弃或难以开发的油气藏、煤层等，被认为是 CO2地质封存的有效途径。利用 CO2注入深部油气藏及煤层作为驱替介质，不仅可以提高油气资源及煤层气的采收率，而且可以将部分 CO2滞留于地层，降低温室效应。上述能源开发及环境保护工程问题的核心控制机230 实 验 技 术 与 管 理 理均与储层岩石孔隙、裂隙结构内的多相驱替行为紧密相关。准确表征储层岩石非连续结构内多相运移行为，分析多相驱替控制机理，将渗流力学、工程流体力学中多相驱替理论应用于解决上述工程问题，不仅对于能源动力工程、油气开发工程、采矿工程等传统专业学生至关重要，而且对于可持续能源、碳储科学与工程等新兴专业学生的培养也不可或缺。由于储层岩石内非连续结构形态不一、大小各异、壁面粗糙性和壁面润湿性不同，且受到流体及环境多种因素影响，多相流动行为极为复杂1。基于经典线性达西方程的多相渗流理论难以准确描述多相流动及多相界面演化规律，而基于多相纳维-斯托克斯（NS）方程的非线性偏微分方程求解困难，即使采用高性能数值求解器也存在计算量大、多相界面运移演化难以准确捕捉等难题。常规多相驱替实验一般通过流量和压力监测来间接分析岩心内多相流体运移及分布，难以准确掌握多相流体在岩心内部的运动和状态，存在一定的局限性2。岩心驱替实验教学的实验内容相对单一，难以直观查看对监测压力、速度等参数起控制作用的岩心内部的多相运移行为。因此，针对相关学科专业的研究生、本科生开设多相驱替行为透明解析的实验教学项目很有必要。为此，我们搭建了多相驱替行为解析实验平台，针对多相流动特性及孔隙驱油机理实验教学，将理论知识讲解与实验操作相结合，形成了包括基础理论、设备平台简介、数字化模型构建及透明可视化模型 3D打印、基本参数测量、多相驱替透明解析实验等环节在内的一整套实验教学设计。该实验平台将多相流动行为进行可视化，将枯燥抽象的理论知识直观地展现出来。该平台综合了岩石复杂孔隙结构提取、数字化孔隙结构模型构建、透明可视化模型 3D 打印以及驱替流体和模型接触角、表面张力等基础参数测量和多相驱替行为透明解析等实验内容3-4。实验模型采用3D 打印制备，可以实现不同类型模型的快速制备。多相驱替实验中流动雷诺数小，多相流体流动状态及界面运移容易控制，工业相机配合镜头及光源可以对流动过程进行清晰成像。1 实验平台介绍 此实验平台包括如下系统：数字化模型构建及 3D打印透明可视化模型制备系统、可调节实验平台系统、光源系统、注入控制系统、成像与处理系统。1.1 模型制备 成像技术及高精度 3D 打印技术的快速发展为复杂孔隙结构模型的制备提供了极大便利，尤其是在 3D打印中采用透明光敏材料使得快速制备透明可视化模型成为可能。实验教学中可以利用 AutoCAD 或 SolidWorks 等建模软件构建规则几何模型，如图 1(a)所示的分叉通道及孔吼网络模型，也可借助 CT 扫描直接获取储层岩石内部三维结构灰度图，并通过图像处理手段建立孔隙结构数字化模型（见图 1(b)）。透明可视化物理模型在数字化模型基础上采用3D 打印来制备，打印设备采用微米级精度的 Stratasys J750 3D 打印机（见图 2(a)），此设备支持使用多种模型材料，打印精度高，自动化程度高，可制备多种研究所需的复杂结构透明物理模型（见图 2(b)）。图 1 数字化模型构建 图 2 3D 打印设备及 3D 打印透明模型 郑江韬，等：基于多相驱替行为透明解析实验平台的教学方法 231 1.2 实验平台 自主设计研发的该透明解析实验平台可用于接触角和表面张力的测量，还可用于孔隙结构内多相驱替行为的透明解析。实验平台系统主要包括可调节光学实验平台、光源控制系统、高精度微流量注入泵及成像与处理系统。自主设计的可调节光学实验平台可以保证实验模型及相机的稳定性和拍摄的精确性。光学支架由齿条支撑棒、调节齿轮、微调旋钮、实验固定台等部件构成，如图 3 所示。图 3 自主研发的光学实验平台示意图 相机及镜头固定在竖直支撑棒上，模型摆放位置与相机精确到同一轴线，确保拍摄的精准性。微模型实验固定台分为两种，一是平台由燕尾夹板和夹持器构成，可适应多种尺寸的矩形模型；二是由铝板和金属压片构成，可用于一般尺寸多种形状的模型。两种微模型摆放平台可对应多种实验情况。调节齿轮可以调整相机与模型的间距，微调旋钮可以辅助工业相机在微米尺度上进行对焦，保证焦点落在微模型的孔隙通道内，以便更准确地观测流动状态。通过光学支架快速调节装置可以实现水平（见图 4(a)）及垂直（见图 4(b)）拍摄。将光路及镜头置于水平位可以实现表面张力及接触角的测量，将光路及镜头置于竖直位可以实现孔隙结构模型内的多相驱替行为的透明解析。图 4 可调节光学实验平台 注射部分包括恒速注射泵（Harvard PUMP 11 PICO Plus Elite）和恒压注射泵（FluigentLU-FEZ-7000），注射方式分为恒速注入和恒压注射。恒速注入可以选用不同型号注射器实现 0.54 pL/min88.28 mL/min 的注入速度，恒压注入泵可以实现 00.7 MPa 的恒定压力注入。光源系统分为 LED 平面光源和同轴落射光源。平面光源为 LED 可调节平行光，光源调节由 MPD 系列设计可编程数字控制器控制，可通过 RS232 接口远程对 LED 光源实现 256 级亮度设置，可适应不同情况下透明微模型的可视化实验。同轴落射光源可以实现对硅板等底面不透明微模型内驱替行为的观测，需要通过同轴落射光在镜头侧对试件照射补光，解决平面光源无法从模型底面穿过试件并将平行光进入到镜头上成像的问题。同轴光源通过漫射板将光线发散打到半透半反射分光片上，分光片将光反射到不透明试件上，再由试件反射到镜头中，可在镜头处清晰成像。成像与处理系统由 MAZ7.0XC2-LZ 同轴光镜头以及 1 200 万像素彩色工业相机（MV-CH120-20UC）构成。相机采用的 CMOS 传感器连接至计算机，镜头固定在光学平台上，并使用与相机适配的 MVS 软件对拍摄的图像进行处理。MAZ7.0XC2-LZ 同轴光镜头为超低失真设计，最大失真小于 0.012%，可以加载同轴落射光源，适用于多种实验情况。该镜头自带自动变倍软件，可以通过软件实行 0.64.5 倍的自动变倍，配合实验平台的微调装置，可以针对微米尺度孔隙通道内多相运移行为进行高清成像。平台主要实验设备型号及参数见表 1。表 1 平台主要实验设备型号及参数 设备名称产品型号 主要参数 打印设备 Stratasys J750 3D 最 大 打 印 尺 寸 490 mm390 mm200 mm 光学平台 自主研发 观测半径 5 mm，可自由调节观测距离 LED 光源 ML-B100 x100-W 256 级亮度设置 恒速注射泵PUMP 11 PICO Plus Elite 注 入 范 围0.54 pL/min 88.28 mL/min 恒压注射泵Fluigent LU-FEZ-7000 注入压力 00.7 MPa 工业相机 MV-CH120-20UC CMOS 传感器，1 200 万像素同轴光镜头MAZ7.0XC2-LZ 最大失真小于 0.012%2 教学案例设计 将基于 3D 打印技术的渗流实验平台系统引入多相驱替行为解析流体力学实验教学，创建了基于多相驱替行为解析实验平台的可视化教学方法。如图 5 所示，此教学方法包括四大板块：透明解析模型构建、3D 打印模型实验教学、基本渗流参数测试、多相渗流232 实 验 技 术 与 管 理 行为透明解析。实验教学过程中首先要进行透明解析数字化模型构建教学，向学生讲授 AutoCAD、SolidWorks、MIMICS 等三维模型构建方法，指导学生完成分叉通道、正弦函数通道、孔吼模型等规则几何数字化建模。同时，向学生介绍工业 X-rayCT 扫描的基本原理，并指导他们完成对储层砂岩、页岩、煤等多孔介质岩石的扫描，介绍相关图像处理及图像重构方法，帮助他们完成复杂孔隙结构数字化模型构建。其次介绍 3D 打印相关原理、打印精度、打印材料的光学以及润湿性性质等，对比 3D 打印透明解析模型制备与传统刻蚀模型、浇筑模型等制备方法的优缺点。基于构建好的数字化模型，借助 3D 打印设备进行透明解析模型制备。然后进行非混相液体间表面张力以及不同润湿相流体和打印模型间的接触角测试，帮助学生更好地理解表面张力和接触角测试基本原理，并完成表面张力和接触角的测量和计算。最后进行复杂孔隙结构内多相驱替行为透明解析实验教学，帮助学生理解不同粘度比、不同毛细管数条件下复杂孔隙结构内的多相驱替行为。整个实验教学需要 4 次课程，共计 8 个学时。图 5 基于多相驱替行为解析实验平台的可视化教学板块 3 基于多相驱替行为解析实验平台的可视化教学方法 3.1 透明解析数字化模型构建教学 透明解析数字化模型构建教学分为规则几何数字化建模及岩石内部复杂孔隙结构 CT 扫描及建模两部分。首先通过简单几何数字化模型案例来学习不同的建模软件，完成规则模型的数字化建模5。其次讲解工业 X-ray Micro-CT 扫描实验设备以及扫描技术工作原理，利用岩芯样品对 X 射线能量的吸收特性，通过投影重建方法获取样品内部的结构信息。再利用图像处理技术进行二值化处理，得到真实岩芯内部三维孔隙结构几何特征，指导学生完成岩石三维孔隙结构 CT 扫描、三维重建、数字图像处理、孔隙结构提取及数字模型构建。3.2 3D 打印透明模型制备教学 3D 打印教学的目的是使学生理解 3D 打印原理并完成透明模型制备，包括熟悉 3D 打印设备操作流程及 3D 打印模型的养护及处理方法。要向学生讲解 3D打印过程的数字化模型导入、预热、打印、清洗、打磨、抛光等实验流程及其工作原理。3.3 表面张力和接触角测量教学 在这个板块的教学过程中，首先要进行渗流实验平台简介，对调节齿轮、燕尾夹板、微调旋钮等多个部件的操作流程进行介绍。同时对 LED 平面光源、同轴落射光源、MPD 系列设计可编程数字控制器的操作和摆放进行讲解。不同的光源适用于不同的实验情况，玻璃及 3D 打印透明材质模型适于使用 LED 平行光源，光线从模型后面穿透射入相机中，形成清晰画面。硅板刻蚀孔隙模型等不透光材质需采用同轴落射光源，利用光的反射原理，将图像信息传递到工业相机中进行成像。指导学生正确摆放 3D 打印样品、注射泵、光源、镜头等设备。其次指导学生完成表面张力和接触角测量，使学生充分理解流体间的界面性质及透明模型的表面润湿性，为完成多相驱替透明解析打下坚实基础。表面张力的测量是非混相流体间最基础的表面性质，体现液-液、气-液之间的相互作用状态，尤其在微尺度相关研究中表面张力成为一个主控力。表面张力的测试有多种方法，本文教学中采用悬滴法。接触角测量实验同样通过成像观测系统进行，通过恒速注射泵精确控制液滴体积，并使液滴与模型表面接触。指导学生利用镜头拍摄液滴形貌，并利用ImageJ 软件对液滴图片进行处理，得出接触角大小。接触角测量实验可使学生更好地理解润湿性及接触角的定义，并熟练地使用注射泵、相机拍摄软件以及接 郑江韬，等：基于多相驱替行为透明解析实验平台的教学方法 233 触角处理软件。以下对表面张力和接触角的测量方法进行详细阐述。1）表面张力测量。本教学实验表面张力测量方法采用悬滴法，通过注入系统精确控制其中一相流体从注射针头排出，并与另外一相流体接触形成界面。在实验过程中，为了使液滴悬挂于毛细管出口处逐渐增大并滴落下来，本文采用高精度微流量注射器完成注入工作。采用水平观测系统及视频捕获系统获得液滴悬挂于注射针头的形貌演化，并由此计算不同流体间的表面张力，如图 6 所示。图 6 表面张力实验装置示意图 当液滴静止悬挂在管口处时，其外轮廓形状取决于重力及表面张力的平衡，因此通过对液滴外形轮廓的测算，可计算出液滴的表面张力大小6。由于表面张力的作用，液滴内外压差满足 Young-Laplace 公式：01211PPgzRR=+=-|（1）式中：P为液滴界面内外压强差，0P为0z=位置处的压强，1R和2R为界面的两个主曲率半径，为溶液的表面张力，为液滴内外密度差，gz为静水压力7。利用轴对称性，式（1）可以用柱坐标 r、z 和切角表示，如图 7 所示。因此，Young-Laplace 方程可以用一组耦合的无因次微分方程来表示，该方程是由从滴尖开始测量的弧长 s 来表示的：1sin2zr+=+（2）dcos drs=（3）dsin dzs=（4）式中：s为从0z=处开始测量的液滴弧长，z是柱坐标系的 z 方向长度，为液滴界面上任一点(,)r z点处的切线与水平方向的夹角。Young-Laplace 方程只能在液滴轮廓为球体的情况下解析求解，在其他情况下，方程必须数值求解。在式（2）中，为表征界面运移过程中重力和表面张力重要性的一个无量纲数，或叫做 Bond 数（简称Bo），可表示为：20gR=-（5）在0s=处的相关边界条件为0r=，0z=，0=。式中表示表面张力，表示流体密度差，g为重力加速度，0R表示0z=处的曲率半径，并作为单位长度量纲。因此，垂滴的形状取决于Bo。如果垂滴的Bo与垂滴顶端的垂坠半径0R可以确定，那么从式（5）可以很容易得到界面张力。基于该测定方法及原理，Andreas 等人提出了选择界面法，即利用特征长度来表征液滴形状的方法8，如图 7 所示，液体的表面张力系数可以表示为：2egDH=（6）式中：eD为液滴的最大直径，H为形状因子，H为S 的函数，Sse/DD，1/H的值与 S 有关，可通过查表得知9。这样，的值就可通过计算得出。注：Ds是 z=De处的液滴直径。图 7 针管垂滴示意图 2）接触角测量。固液界面的润湿性一般用接触角来进行量化表征。在油藏应用中，接触角是指油滴在地层水中与岩石表面形成的角度，岩石油水三相系统中岩石的润湿性可分为三种主要类型，即水湿（105）10。利用工业相机及驱替实验平台进行接触角拍摄实验，并用 ImageJ 软件进行接触角图片处理。图 8 所示为 3D 打印模型与去离子水及#68 号白油之间的接触角，白油密度小于去离子水，上浮与 3D 打印模型底234 实 验 技 术 与 管 理 板接触。采用 ImageJ 软件中的 ContactAngle 插件计算后得到平均接触角为 19.911，说明 3D 打印模型经养护处理后表现出强亲水性。在实验教学过程中，可以增加 3D 打印表面粗糙性、光固化时间及表面微结构对于接触角影响的研究内容，以便使学生更好地理解岩石润湿性的影响因素。图 8 接触角测量 岩石润湿性还对毛细管力有直接影响，非常规储层内部孔喉尺度小，毛细管力成为储层内部流体运移的一个主控力12，圆形横截面毛细管力计算公式为13：c2cosPr=（7）式中，cP为毛细管压力，为油水表面张力，为接触角，r为毛细管半径。的大小决定了cP的正负。在水驱油实验中，当接触角90时，毛细管力为正值，作为驱动力，反之则为阻力14。3.4 多相驱替行为透明解析教学 经过长期注水开发的老油田含水率大幅上升，储层内部水窜导致波及面积小、采收率下降、废水处理成本升高等一系列问题。为了缓解这些问题，我国胜利油田、大庆油田等大型油田先后进行了封堵调剖、聚合物驱、表面活性剂驱等提高采收率的工程实践。本实验平台可以帮助学生更好地理解地下储藏多相驱替规律，直观解释储层复杂孔隙结构内水窜的形成原因和堵剂转向提高采收率的机理。为了使学生进一步理解储层孔隙结构内的驱替行为，在教学过程中，首先通过高精度微米 CT 扫描获得胜利油田真实储层不同水驱条带的三维孔隙结构，如图 9 所示，分别展示了渗透率低、中、高三个典型层位的储层岩石 CT 扫描图。基于 CT 扫描结果，依据天然岩石结构特征，采用图像处理手段构建了三种不同渗透率孔隙结构组合条带数字化模型，如图 10所示，并采用 3D 打印技术制作了透明可视化模型。该透明模型内包含低、中、高三种典型的渗透率条带，且不同条带之间相互贯通。通过驱替实验可视化了油、水、堵剂、聚合物、表面活性剂的驱替过程15。图 9 储层岩石不同水驱层位样品 CT 扫描图 图 10 组合渗透率条带数字化模型 实验前先将透明孔隙结构模型用石蜡油饱和，通过恒速泵分别注入地层水、聚合物胶体、聚合物、表面活性剂，对不同驱替采用不同颜色的荧光剂进行染色，并通过成像系统记录整个驱替过程，如图 11 所示。图中虚线划分出的三个部分自上而下分别为低、中、高三种典型渗透率条带。实验过程中，首先进行粉色荧光染色的地层水驱替，可以发现地层水主要沿高渗透率条带及部分中渗透率条带行进，驱替前缘到达出口后孔隙内两相分布基本稳定，如图 11(a)所示。其次将采用蓝色荧光染色的聚合物胶体进行注入，驱替路径主要沿地层水驱后的优势通道行进，如图 11(b)所示。放置三天成胶后，采用红色荧光染色的聚合物进行驱替，可以发现成胶后对于后续注入聚合物流体产生了明显的转向作用，注入的聚合物主要沿未动用的中渗透率条带及部分低渗透率条带行进，极大地提高了波及面积及驱替效率，如图 11(c)所示。经黑色荧光染色的表面活性剂的注入，进一步扩大了波及面积，提高了驱替效率，如图 9(d)所示。为了定量分析组合条带模型内优势通道的形成原因和聚合物胶体的转向机理以及提高采收率的控制机理，采用图像处理手段分别提取了四阶段的驱替过程，并进行定量分析，如图 12 所示。实验结果证实，组合条带模型渗透率级差及注入粘度差异是高渗透条带形成水窜通道的主要原因，聚合物胶体运移路径及原位成胶是保证后续注入转向进入驱替其余高含油区域进而提高采收率的根本原因。郑江韬，等：基于多相驱替行为透明解析实验平台的教学方法 235 图 11 多渗透率条带模型多相渗流及转向可视化 4 结语 本文设计了基于多相驱替行为解析实验平台的可视化教学方法，发展了复杂孔隙结构内多相驱替行为的理论与实验方法，实现了多相驱替行为的透明解析。将 CT 扫描、数字化模型构建和 3D 打印透明模型制备引入实验教学模型制备环节，实现了复杂结构透明可视化模型的快速制备，利用透明解析实验平台完成了表面张力和接触角等基本参数的测量，并借助速度及压力控制系统完成了复杂孔隙结构多相驱替行为透明解析，强化了渗流力学、流体力学实验教学平台。学生通过数字化模型构建、透明模型 3D 打印制备、基本参数测试及复杂结构内多相渗流行为透明解析，能够掌握复杂结构透明模型制备、多相渗流行为透明解析实验方法，提高学习兴趣和动手能力，并加深对课本理论知识的理解。236 实 验 技 术 与 管 理 图 12 多渗透率条带模型转向定量分析 参考文献(References)1 DEGLINT H J,CLARKSON C R,DEBUHR C,et al.Live imaging of micro-wettability experiments performed for low-permeability oil reservoirsJ.Scientific Reports,2017,7(1):4347.2 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