微米级通道内油水两相流阻力特性研究.doc

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1、微米级通道内油水两相流阻力特性研究樊辉青，刘磊，钟主海，张翔（西安交通大学能源与动力工程学院，710049,西安）摘要：针对低渗透油藏孔隙尺度小、采收率低的问题，采用宽度为200pm、深度分别为pm和pm的两个矩形通道，结合数字显微摄像技术和微流体测试技术，对岩层孔隙流动进行了模拟，得到了孔隙通道中单相油以及含油率（体积分数）10%~60%的油水两相流的流动特性。实验结果表明：对于深度为pm和pm的两个矩形通道,单相油流动的摩擦系数低于理论值，并与雷诺数成线性关系；泊肃叶数小于理论预测值，通道尺

2、度越小，泊肃叶数实验值与理论值的差异越大。油水两相流流动的摩擦系数与雷诺数也满足线性关系，在不同含油率时有的高于理论值，有的低于理论值;泊肃叶数总体随含油率增加而减小，在含油率为20%与60%时出现跳跃式增长，分析表明泊肃叶数随含油率变化是受壁面亲水性的影响。关键词：微通道；油水两相流；摩擦系数；泊肃叶数近10年来，微流动研究从微机电系统（MEMS）迅猛发展到微化学（化学论文）分析、血液微循环、低渗透油田开发等领域口-2］,微通道内流体阻力特性、阻力系数预测与分析已成为重中之重。许多学者已经对不

3、同形状、不同尺寸的微管道流动特性进行了研究，如Peng⑶和Mala［4］研究了直径为50〜400pm的通道内水的流动特性,发现微管内摩擦系数大于常规管道理论预测值，管径越小，实验值与理论值差异越大，而Judy［5］研究水力直径为15-150pm的方管和圆管内的流动阻力，实验所得泊肃叶数与理论值吻合，这与Jiang⑹和Qu［7］的研究结论相同。到目前为止，虽然已经有许多关于微通道流动特性方面的研究,但是微流动阻力特性与常规通道是否相同仍然存在争议。微通道制作、测量和实验过程计量的精度要求高以及微尺

4、度效应复杂等因素增加了微通道研究难度。对于微通道内两相流的研究更加困难，难点在于两相流流动存在不同的流型，没有统一的模型，不同工况时流型间可以相互转化等。目前，关于微通道内液■液两相流的研究主要集中在流型、流型转化、不同流型的模型及阻力损失等［8・9］方面，这些研究所用通道尺度通常在几十微米以上。低渗透油田岩层多孔介质孔隙尺度小至几微米，为了更好地认识低渗透油田开采过程中的油水两相流流动规律，本文选用宽度约为200pm.深度分别为pm和pm的两个矩形截面微通道，来研究油水两相流的阻力特性。1实验

5、系统和方法实验段通道是采用微蚀刻技术加工而成的矩形硅通道，通道上表面为高耐热薄玻璃，此设计可实现通道流动可视化研究，图1是显微镜拍摄的通道中去离子水流动的状态图，左侧浅色部分为空气，右侧深色部分为水，水流动尾部呈现突液面，说明通道内壁面具有亲水性。图2是显微镜拍摄的通道的3D景深图，由图中可以看出，实验段通道为矩形凹槽，详细几何参数见表1o实验流体为7#白油和去离子水，因为在油田开采中，油不是以单相形式存在，而是以油包水或水包油的形式存在，因此本实验将白油和去离子水按不同体积比混合，以相同转速搅

6、拌3min使其混合均匀，油水混合液的含油率（体积分数）范围为10%〜60%和100%（即单相油）。实验系统如图3所示，气源提供的高压氮气由减压阀初步调节,再由压力定值器精确调节到实验段所需驱动压力，流体在此压力驱动下经过过滤器输运到实验段。实验段水平放置，出口处与体积式流量计相连接，以实现流量的计量。实验段进出口处分别装有压力传感器,待压力信号稳定后由数据采集系统采集，最终通过统计平均得到实验段压差。图1通道中去离子水流动状态图2微通道3D景深观测图1235671:气源;2:减压阀;3:截止阀;

7、4:压力定值器;5:储液罐;6:补充储液罐;7:过滤器；8:数据采集系统;9:压力传感器;10:体积式流量计;":实验段;12:数字显微镜119121084图3实验系统图表1微通道几何参数编号h/pmw/pmh-w-1Dh/pmL/mmL-Dh-1110400247002理论模型对于单相流流动，雷诺数Re和泊肃叶数Po定义为huDRe(1)PofRe(2)22hDPfLu⑶2hwhDwh(4)式中：为流体密度，kgm-3;u为微通道平均流速，m.s-1;hD为通道水力直径，m;为流体黏度，Pa!

8、s;L为微通道长度，m;AP为通道进出口压差,Pa;w和h分别为通道宽、高，m;f为范宁摩擦系数。Po是反映流动阻力特性的准则数，在经典理论中,管层流充分发展段的Po?16o对于矩形通道，Po与高宽比(1h!w#，且01)有关，Shah和London(1978年)总结了Po数与的经验公式2345Re24(1)Pof!###⑸本实验Re的变化范围为10-5-10-2通道的LDh-1远大于60,已达到充分发展，因此利用式(5)计算通道1和2的Po,结果为、。对于本实验中的油水两相流，两种流体经过搅拌