微尺度多孔介质电渗特性的分形分析

Electroosmotic phenomenon in microscale porous media exists in many engineering fields, such as oil-gas reservoirs, soil remediation, sewage treatment, electroosmotic pumps. In recent years, the electroosmotic flow (EOF) in microscale porous media has become the frontier and hot issues in science and engineering fields. In this project, the electroosmotic properties are studied based on the fractal theory in porous media and the theory of the eletrical double layer formed at the solid-liquid interface. The main contents are as follows: the fractal electroosmotic permeability and effective viscosity models are derived for microscale porous media. Moreover, an analytical model for the two-phase electroosmotic flow is also presented in a tortuous capillary, and then the fractal models for the characteristic parameters (Flow/Production and Relative permeability) and electroosmotic flow equations are obtained in the two-phase electroosmotic flow for microscale porous media. Furthermore, an ideal driving model of residual oil in the DC electric field is constructed, and then the transport properties for residual oil are studied in microscale porous media. The study of this project is helpful to explain comprehensively and detailedly the mechanisms and influences of the electroosmotic flow in microscale porous media. Moreover, a set of fractal models are proposed for electroosmotic characteristic parameters in microscale porous media. In addition, the basic theory of the electroosmotic flow and its application are further improved and perfected.

微尺度多孔介质中电渗现象广泛存在于众多工程领域，如地下油气资源的开采、土壤修复、污水处理、电渗泵的应用等。近年来关于微尺度多孔介质中电渗流研究已成为科学和工程领域的前沿和热点问题。本项目基于多孔介质分形理论和方法以及固-液界面双电层理论研究微尺度多孔介质电渗特性，主要研究内容包括推导微尺度多孔介质电渗渗透率和有效粘度的分形分析解数学模型以及单一弯曲微尺度毛细管中两相电渗流量数学模型，进而推导微尺度多孔介质中两相电渗流的流量/产量、相对渗透率等电渗特性参数的分形模型以及电渗流方程，进一步构建直流电场作用下残余油驱动的理想模型，进而研究残余油在微尺度多孔介质中的输运特性。该项目的研究，将有助于全面、详细地理解微尺度多孔介质中电渗流的机理及影响因素，并提出一套较为完整的描述微尺度多孔介质电渗特性参数的理论和方法及数学模型，进一步完善多孔介质电渗流基础理论研究及其应用。

微尺度多孔介质中孔隙尺寸达到微纳米量级，造成其比表面积约为常规系统的上百万倍，进而使流体流动特性明显不同于宏观流体，所以研究该种介质中流体输运特性具有重要的科学意义和应用价值。本项目利用分形几何理论和方法，建立了一套描述微尺度多孔介质中流体输运机理的数学模型。除此之外，拓展研究了叶脉状分叉网络中流体输运特性，并建立了有效渗透率模型。在项目执行过程中，主要的研究内容如下：.1. 基于多孔介质分形理论和毛细管束模型, 推导出带电微尺度多孔介质中电粘滞系数的分形模型，分析了多孔介质的结构参数对电粘滞效应的影响机理。.2. 通过求解有序排列的平行带电圆柱体中的 Poisson-Boltzmann 和 Navier-Stokes 方程，得到了考虑双电层效应的纤维多孔介质中横向渗透率的解析模型。.3. 以低渗透油藏多孔介质为研究对象，分析了贾敏效应对两相流动的影响，然后根据多孔介质分形理论和方法获得了两相相对渗透率模型。这为后续研究双电层效应与贾敏效应的耦合对输运机理的影响作了铺垫。.4. 基于叶脉分形网络设计了一种具有多边形环的树状分叉网络，并利用Hagen-Poiseuille方程和达西定律推导出完好和受损树状分叉网络的渗透率模型，分析了分叉结构参数和损坏数（点）对有效渗透率的影响。这为研究微尺度分叉网络中电渗输运做了相关准备。.5. 根据多孔介质的分形理论和毛细管束模型建立了考虑双电层效应的多孔介质中有效电解质扩散率的分形模型，讨论了多孔介质结构参数、电解质溶液的物理特性参数以及Zeta势对有效电解质扩散率的影响机理。.本项目执行期间，共发表SCI收录论文6篇，其中第一作者收录论文5篇，参加国内学术会议9次，协助指导研究生3名。.本项目研究了微尺度多孔介质和叶脉状分叉网络中流体输运特性，并建立了相应的数学模型。这些模型中所有参数都有明确的物理含义，并且能够揭示流体输运特性的微观机理。这些研究成果为低渗透、特低渗透油藏的开发利用、电渗泵的设计和制造以及土壤和地下水资源的清污等应用提供了一定的理论基础。