[论文解读] Forced Imbibition in Stratified Porous Media: Fluid Dynamics and Breakthrough Saturation

Nancy Lu, Daniel B. Amchin+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2021

Enhanced Oil Recovery Techniques参考文献 83被引用 8

一句话总结

本研究开发了一种分析模型与孔隙网络模型，以研究分层多孔介质中两组不同渗透率的平行层在强制吸入过程中的行为。研究发现，突破时非湿相流体饱和度在某一最优毛细管数 Ca* 时达到最小，该值取决于介质结构与流体粘度比，为石油开采和地下水修复等应用提供了定量设计准则。

ABSTRACT

Imbibition, the displacement of a nonwetting fluid by a wetting fluid, plays a central role in diverse energy, environmental, and industrial processes. While this process is typically studied in homogeneous porous media with uniform permeabilities, in many cases, the media have multiple parallel strata of different permeabilities. How such stratification impacts the fluid dynamics of imbibition, as well as the fluid saturation after the wetting fluid breaks through to the end of a given medium, is poorly understood. We address this gap in knowledge by developing an analytical model of imbibition in a porous medium with two parallel strata, combined with a pore network model that explicitly describes fluid crossflow between the strata. By numerically solving these models, we examine the fluid dynamics and fluid saturation left after breakthrough. We find that the breakthrough saturation of nonwetting fluid is minimized when the imposed capillary number Ca is tuned to a value Ca$^*$ that depends on both the structure of the medium and the viscosity ratio between the two fluids. Our results thus provide quantitative guidelines for predicting and controlling flow in stratified porous media, with implications for water remediation, oil/gas recovery, and applications requiring moisture management in diverse materials.

研究动机与目标

• 理解具有不同渗透率平行层的多孔介质中强制吸入的流体动力学行为。
• 量化突破时间与非湿相流体饱和度如何依赖于毛细管数与粘度比。
• 识别可使残留非湿相流体饱和度最小化的最优流动条件。
• 弥合均质模型与真实世界分层系统在吸入过程中的差距。

提出的方法

• 基于全局毛细管数 Ca ≡ µw(Q/A)/γ 的毛细力-黏性力平衡，构建分析模型。
• 构建显式模拟层间跨流的孔隙网络模型。
• 数值求解两个模型，以模拟从入口到突破的完整吸入动力学。
• 改变毛细管数 Ca 与粘度比，探究其对突破时间与饱和度的影响。
• 利用宏观流速 Q 与界面张力 γ 定义 Ca，实现跨系统比较。
• 通过实验观测验证结果：随着流速增加，优先侵入从细层切换至粗层。

实验结果

研究问题

• RQ1 多孔介质中的分层结构如何影响强制吸入的动力学？
• RQ2 突破时间与非湿相流体饱和度如何依赖于毛细管数与粘度比？
• RQ3 在分层介质中，突破时非湿相流体饱和度在何种毛细管数下达到最小？
• RQ4 层间的跨流如何影响流体分布与突破行为？
• RQ5 能否为最小化吸入过程中残留非湿相流体建立普适设计准则？

主要发现

• 突破时非湿相流体饱和度（SO）在特定毛细管数 Ca* 时达到最小，该值由两层之间的渗透率对比与粘度比决定。
• 在低毛细管数下，由于毛细力作用，润湿相流体优先侵入细层；在高 Ca 下，由于黏性力作用，优先侵入粗层。
• 细层与粗层优先侵入的转变发生在 Ca*，表明层间毛细力与黏性力达到平衡。
• 层间跨流显著改变流体分布并延迟突破，尤其在中间 Ca 值时更为明显。
• 最小化 SO 的最优 Ca* 并非普适，而是取决于流体对的具体渗透率比与粘度比。
• 该模型为增强石油开采与地下水修复等应用中的注入工艺设计提供了预测性框架。