储层岩石周期性电渗流特性的微观机制.pdf

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1、应用数学和力学，第33卷第10期AppliedMathematicsandMechanics2012年10月1513出版Vo1．33，No．10，Oct．15，2012文章编号：1000—0887(2012)10—1189-10⑥应用数学和力学编委会，ISSN1000—0887储层岩石周期性电渗流特性的微观机制陈辉，关继腾，房文静(中国石油大学理学院，山东青岛266555)摘要：以双电层电位理论和电渗流动的动量方程为基础，结合储层岩石平行毛管束模型，推导出岩石孔隙内周期性电渗流的解析式，揭示了储层中电渗效应的微观机制，分析了非密闭储层岩石中宏观电渗Darcy速度及密闭储层中电渗压力系数频散特性

2、的影响因素．数学模拟结果表明：储层岩石孔隙中，周期性电渗流速度剖面在频率较高时呈“波浪”状；孔隙度越大，电渗Darcy速度模值越大，其相位也越大，而电渗压力系数数值越小．储层岩石的溶液浓度越小或阳离子交换量越大，电渗Darcy速度模值和电渗压力系数数值越大，但对电渗Darcy速度的相位没有影响．关键词：储层岩石；周期性电渗流；微观机制；频散特性；数学模拟中图分类号：0361；P631文献标志码：ADOI：10．3879／j．issn．1000—0887．2012．10．005引言电渗效应具有易于控制和驱动效率高等优点，现已被广泛应用到微机电、生物化学、土木工程等领域¨．近年来，利用周期性电渗流

3、研究储层岩石的孔隙度与流体的流动特性，已成为地球物理勘探领域中的前沿交叉课题J，且储层中电渗流理论是今后发展地球物理探测新方法的科学基础．储层岩石中的电渗流现象是指在孔隙中固液界面双电层内的电荷，在外加电场作用下拖拽地层流体一起运动的现象．电渗效应首次由Reuss研究多孔渗水层实验中观测到．目前有关电渗流现象微观机制的概念，基于Kvink在1850年提出的固相和液相界面存在双电层的假设．Rice等_9利用圆直毛细管模型研究了孔隙介质中流体的电渗流现象．Pridel1。。采用平均体积法导出了储层岩石中弹性波和电磁波的耦合特性与频率的关系式，但他没有进行储层岩石孔隙参数和电化学参数对动电效应影响的

4、模拟计算和实验验证．Dutta等将二维通道内周期性电渗行为类比为Stokes第二问题，研究了离子能量参数和双电层厚度对电渗流的影响．Philip等利用单个圆直毛细管模型研究了端口开放和闭合两种情况下周期性电渗流的流动特性，并分析了电渗流和流动电位对频率响应的差异．James【12]在薄双电层和小Reynolds数情况下，分析了直毛管内Zeta电势变化对电渗流的影响．Kang等用带电微球填充毛管模拟多孔介质，研究了毛管密闭和非密闭两种情况下的周期性电渗流动特性，但其理论尚不能揭示储收稿日期：2011—11．21；修订日期：2012．05—02’基金项目：国家自然科学基金资助项目(41174101

5、)；山东省自然科学基金资助项目(ZR2011DM002)作者简介：陈辉(1988一)，男，山东人，硕士生(E—mail：ehenhuiliuge@163．coin)；关继腾(1956一)，男，北京人，教授，硕士生导师(联系人．E—mail：gua~t@upc．edu．cn)．11891190陈辉关继腾房文静层岩石中电渗流与溶液浓度和阳离子交换量间的关系．Wang等¨。、张凯等161、Wang等]以及李志华等在不同类型的微通道内分析了压力驱动流和电渗驱动流中物质的扩散、混合和分离现象，并数值模拟了微通道横向尺寸和壁面电势等因素对电渗流速度分布的影响，这对于微流控系统的设计具有指导作用．吴健康等H

6、以及龚磊等。。研究了生物芯片微通道内周期性电渗流效应和包含电粘性在内的流动电位效应，并数学模拟了双电层厚度和频率Reyn．olds数的影响．现有资料表明，电渗流的研究大多基于二维微通道模型，所得结论并不能直接用于阐明储层岩石孔隙内流体的电渗流动状态；另外，目前电渗流理论所考虑的影响因素相对单一，还无法定量解释储层岩石储渗特性和阳离子交换量等因素对周期性电渗流的影响．本文首先构建储层岩石孔隙内周期性电渗流数学模型，得出电场作用下储层岩石中流体速度在孔隙内的分布，从而揭示储层中电渗效应的微观机制．接着重点讨论了在非密闭和密闭两种情况下储层岩石中周期性电渗流的宏观效应：电渗Darcy速度和电渗压力系

7、数，并数学模拟了它们随岩石孔隙结构参数、地层水性质、阳离子交换量以及谐变频率等的变化规律．1储层岩石中周期性电渗流的数学模型1．1储层岩石中周期性电渗流的控制方程电场作用下，储层岩石孔隙中流体流动的动量方程表示为／xV比一Po[Tt+(1f·V)】=VP—poe，(1)式中，E为外加电场强度，P。为流体密度，P为孔隙中电荷密度，P为流体压力，为流体粘度，u为流体流速．由于实际储层岩石孔隙结构过于复