一種考慮粗糙表面特征的巖石毛管力確定方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及微觀滲流力學研究領域，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中的毛管力大小。
【背景技術】
[0002] 在自然界和工業界中，許多多孔介質表面凹凸不平，明顯地表現出粗糙特性，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潤濕性、潤濕滯后及驅替過程中 由于表面接觸造成的的做功損耗。因此多孔介質粗糙表面下的毛細行為與其在光滑表面下 的表現會有較大差別。
[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雜滲流現象， 進一步不斷升級到介觀多孔介質及宏觀多孔介質，因此孔隙尺度下毛管力的大小是計 算多孔介質毛管力曲線和相對滲透率曲線等宏觀特性參數的先決條件。經典的毛管力 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變化。確定不規則截面多 孔介質毛管力的模型最常用的是孔隙網絡模型模擬中的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，假設驅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狀態和C-B狀態，不同狀態下液滴在表面微結構上的分布狀態及接觸 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算多孔介質滲 流參數。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是提高粗糙表面多孔介質中毛管力確定的精確性，從而快速、準確 地預測多孔介質滲流參數。為了達到以上目的，本發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巖石微觀結構造成的變化及潤濕狀態的 改變。
[0005] 本發明技術方案具體步驟如下：
[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圖像構建孔隙網絡模型的方法對巖石孔隙截面進行形狀等價，得 到等價形狀截面的周長、面積及內角角度。
[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XZ平面和N個YZ平面的巖石輪廓并編號為1， 2, 3…2N，N -般取10,統計凸起高度h、凸起寬度a、凹槽寬度d等粗糙表面平均特性參數。 [0010] (4)利用凸起高度、凸起寬度及凹槽寬度進行粗糙表面等價，同時確定表面平均粗 糙因子rf、接觸面中凸起固體所占面積分數f s。
[0011] (5)利用光學接觸角測量儀測量非濕相流體液滴在濕相流體環境下光滑巖石表面 的本征接觸角，判斷液滴在粗糙巖石表面上的潤濕狀態。
[0012] (6)根據潤濕狀態建立相應的毛管力方程確定巖石毛管力。
[0013] 其中，所述基于CT圖像構建孔隙網絡模型的方法為現有方法，具體可參見參考 文獻：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統計方法如下：
[0016] 其中Ral為第i個截面巖石輪廓粗糙度，ζ為第i個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)中的等價的粗糙表面特性參數確定公式如下：
[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：
[0023] 如果液滴潤濕為C-B狀態：
[0025] 其中rd是驅替前沿半徑，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$是粗糙表面下的表觀接觸角。
[0026] 本發明具有以下有益效果及優點：
[0027] (1)考慮了粗糙表面對多孔介質微觀結構的影響，并且適用于不規則截面的孔隙。
[0028] (2)考慮了粗糙表面導致的液滴潤濕狀態及接觸角的變化，可以更加準確地確定 粗糙表面巖石毛管力。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發明的步驟流程圖。
[0030] 圖2為粗糙表面三維形貌圖。
[0031 ] 圖3為截面輪廓示意圖。
[0032] 圖4為粗糖表面等價不意圖。
[0033] 圖5為液滴在光滑表面上的接觸角測試示意圖。
[0034] 圖6為粗糖表面上潤濕狀態不意圖。
[0035] 圖7為非濕相驅替濕相過程中三角形毛細管截面中的流體分布。
【具體實施方式】
[0036] 結合附圖及實施例對本發明作進一步說明：
[0037] 如圖1所示，利用一種考慮粗糙表面特征的不規則巖石毛管力確定方法，其步驟 如下：
[0038] (1)采用基于CT圖像構建孔隙網絡模型的方法對巖石孔隙截面進行形狀等價，得 到等價形狀截面的周長、面積及內角角度。
[0039] 其中，所述基于CT圖像構建孔隙網絡模型的方法為現有方法，具體可參見參考 文獻：Hou Jian, Li Zhenquan, Zhang Sunkang, Cao Xulong, Song Xinwang, Gao Debo. Experiment and simulation study on construction of three-dimensional network model. Science in China，Series G，2008, 51 (9) : 1761-1774. 〇
[0040] (2)利用三維激光表面測量儀掃描巖石表面形貌并成像。圖2為某巖石粗糙表面 三維激光表面測量儀成像后的形貌圖。
[0041] (3)在三維形貌圖中分別截取N個XZ平面和N個YZ平面的巖石輪廓并編號為1， 2, 3…2N，N -般取10,統計凸起高度h、凸起寬度a、凹槽寬度d等粗糙表面平均特性參數。
[0042] 圖3為某XZ平面截面輪廓示意圖，其編號記為i，在示意圖中Ox軸表示取樣輪廓 的最小二乘中線，保證在取樣長度內輪廓偏離該線的平方和最小。該截面的凸起高度匕為 2倍的粗糙度R al，Ral表示陰影部分的面積與取樣長度的比值。該截面的凸起寬度再為截面 巖石輪廓最小二乘中線與波峰交線平均長度等于
凹槽寬度式為截面巖石輪廓最 小二乘中線與波谷交線的平均長度等于
那么對于2N個截面有：
[0044] (4)利用凸起高度、凸起寬度及凹槽寬度進行粗糙表面等價，同時確定表面平均粗 糙因子rf、接觸面中凸起固體所占面積分數fs。圖4為粗糙表面等價示意圖，表面計算參數 為：
[0047] (5)利用光學接觸角測量儀測量非濕相流體液滴在濕相流體環境下光滑巖石表面 的本征接觸角，判斷液滴在粗糙巖石表面上的潤濕狀態。圖5為液滴在光滑表面上的接觸 角測試示意圖，濕相本征接觸角為Θ。圖6為粗糙表面上潤濕狀態判斷標準，在C-B狀態下 液滴未侵入表面凹槽，而在Wenzel狀態下液滴會侵入表面凹槽，此時的接觸角稱為表觀接 觸角θ'
[0048] (6)根據液滴潤濕狀態建立毛管力方程。
[0049] 在非濕相驅替濕相過程中，圖7為巖石孔隙截面通過孔隙網絡模型等價后的三角 形毛細管截面中的流體分布示意圖，白色代表非濕相，深色代表濕相，灰色代表粗糙體。其 中圖7(a)為光滑毛細管截面流體分布，圖7(b)為粗糙表面Wenzel狀態下的截面流體分 布，圖7 (c)為粗糙表面C-B狀態下的截面流體分布。MS-P方法認為驅替前沿半徑和截面角 隅界面曲率半徑相等，在Wenzel潤濕狀態下，由能量守恒方程及楊-拉普拉斯公式建立毛 管力Wenzel方程組為：
[0051] 如果液滴潤濕為C-B狀態，建立的毛管力C-B方程組為：
[0053] 其中rd是驅替前沿半徑，Arff是截面中非濕相所占面積，L nw是非濕相與濕相的界 面周長，Lns是非濕相與管壁接觸周長，γ nw是非濕相與濕相間的界面張力，γ ns是濕相與管 壁間的界面張力，Θ是光滑表面下的本征接觸角，0$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潤濕狀態下的巖石毛管力。
【主權項】
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圖像構建孔隙網絡模型的方法對巖石孔隙截面進行形狀等價，得到等 價形狀截面的周長、面積及內角角度。 (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XZ平面和N個YZ平面的巖石輪廓并編號為1，2,3··· 2N，N-般取10,統計凸起高度h、凸起寬度a、凹槽寬度d等粗糖表面平均特性參數。 (4) 利用凸起高度、凸起寬度及凹槽寬度進行粗糖表面等價，同時確定表面平均粗糖因 子ff、接觸面中凸起固體所占面積分數片。 (5) 利用光學接觸角測量儀測量非濕相流體液滴在濕相流體環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。 (6) 根據潤濕狀態建立相應的毛管力方程確定巖石毛管力。2. 如權利要求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統計方法如下：其中Ru為第i個截面巖石輪廓粗糖度，瑪為第i個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)中的等價的粗糖表面特性參數確定公式如下：4. 如權利要求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：其中rd是驅替前沿半徑，Apff是截面中非濕相所占面積，L。點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】本發明公開了微觀滲流力學研究領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圖像構建孔隙網絡模型的方法對巖石孔隙截面進行形狀等價并統計截面幾何參數；掃描巖石表面并進行三維形貌成像；截取巖石三維形貌圖輪廓，統計粗糙表面平均特性參數；進行粗糙表面等價；測量巖石本征接觸角，判斷液滴在粗糙表面下的潤濕狀態；根據潤濕狀態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巖石微觀結構及潤濕性的影響，適用于不規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，從而能準確預測多孔介質滲流參數。
【IPC分類】G01N15/08
【公開號】CN105319155
【申請號】CN201510818606
【發明人】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, 陸努
【申請人】中國石油大學(華東)
【公開日】2016年2月10日
【申請日】2015年11月23日