文|树洞档案
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多孔介质中的多相流和传热研究广泛而多样，其中涵盖了各种工程应用，例如热强化采油、土壤修复、污染物迁移和燃料电池。
可是经过数十年的研究，我们对这些现象的理解仍然有限，并且由于其固有的复杂性和非线性而在分析上具有挑战性。
其复杂性源于涉及多个物理参数、多相流的卷积以及流动模型精确解的有限可用性，通常需要使用简化的假设。
因此，涉及多相流与传热耦合的实际工程问题，通常需要处理多维效应并求解多组耦合非线性微分方程。
多孔介质由固体框架（称为“基体”或“框架”）和称为“孔”的空隙空间组成，这些孔隙通常充满液体或气体等流体，多孔介质内相互连接的孔隙空间有利于流体流动。
由于所涉及到的复杂性，研究人员在开发多孔介质中多相流和传热的分析解决方案时，面临着挑战，所以说计算流体动力学（CFD）和有限元分析（FEA）等数值方法已成为研究和模拟这些现象的重要工具。
这些数值方法可以更全面地了解多孔材料内流体流动和传热之间的相互作用，并促进前面提到的各种工程应用的探索。
然而，由于固有的复杂性和非线性，精确的解析解往往难以捉摸，导致研究人员依靠数值方法来获得见解并有效解决实际的工程挑战。
实验装置在本研究中，实验装置是专门设计用来进行各种多相流岩心驱实验的。
在这种特殊情况下，该设备用于测量高温下 USS 配置中两个不混溶相（油和水）的相对渗透率。
为了确保实验的可靠性和完整性，研究人员还对设备所用材料的选择进行了仔细的考虑，其中关键的浸液部件采用高度耐腐蚀的材料制成，这种设计选择确保系统即使在高温条件和高氯化物浓度下也不会生锈和腐蚀。
通过定制设备以满足当前研究的要求，可以进行精确可靠的实验，并且提供有关高温条件下多相流行为和相对渗透率的有价值的数据，而材料的精心选择也确保了设备的耐用性和所获得结果的准确性。
其中负责进样的上游组件是多溶剂高效液相色谱 (HPLC) 双活塞泵，由 220V电源供电，该泵由耐用的 316 不锈钢制成，配备两个 50 mL 泵头，提供 0.1 至 100 mL/min 的各种流速，增量为 0.1 mL。
它可以在 0 至 1000 psi 的压力范围内运行，流量精度为 2%，确保一致和精确的性能。
两个泵头连接到单独的液体瓶，一个瓶子用作注射液的储存器，其中可能包括油和盐水，另一个瓶子装有含有 20% 甲醇溶液的冲洗液，这种冲洗液对于维持泵的完整性和防止潜在的盐沉淀积聚至关重要。
该泵具有可调节的压力上限和压力下限，在实验中分别设置为 0 和 5860 psi，如果压力低于预设下限或超过上限，此有用的功能使泵能够自动停止。
不仅如此，这个装置还通过采用数字步进电机设计，确保流量在一段时间内保持稳定，即使在温度变化的情况下也是如此，这比容易出现漂移的模拟设计更具优势。
这种设计可以确保持续冲走活塞中存在的任何盐沉淀物，防止高压密封件磨损，并防止潜在的密封失效、泄漏或泵损坏。
而HPLC 双活塞泵是实验装置中可靠且多功能的组件，它可以精确的控制流速和压力，同时最大限度地降低性能漂移和机械问题的风险。
本研究中使用的岩心支架是在罗伯特戈登大学的工程车间定制设计和制造的。
它由轻质铝金属制成，其密度为 2.7 g/cm3，导热系数为 205 W/mK，再加上铝具有耐腐蚀特性，所以是非常适合这个实验条件的。
岩心夹持器尺寸如下：外径7 cm，内径5.1 cm，长度10 cm。
为了确保注入流体均匀分布而不形成不良的虫孔，所以端盖设计为两部分。
这些端盖具有 1 毫米深的中空空间，并在与填充沙子接触的一侧具有三个 1 毫米的孔，这种设计有利于注入流体更受控且均匀地流过多孔介质。
而岩心固定器的两端加工深度为 1.5 毫米，这也可以牢固地安装到圆柱形固定器中，其中安装的O 形圈，还可以提供有效的密封并防止实验过程中任何潜在的泄漏。
为了进一步增强岩心支架的功能，两个端盖上均附有一对 2.70 目不锈钢筛网，这些筛网充当过滤器，防止沙粒迁移到流管中，确保流体流动保持清澈且不受污染。
铝制岩心支架具有经过深思熟虑的设计和不锈钢筛网的使用，是进行岩心驱油实验的可靠且高效的工具，它能够精确控制流经沙袋的流体流量，确保研究过程中数据收集的准确性和一致性。
实验中所需的重力对流烤箱则由 Memmert 提供，它具有用户友好的控制面板和直观的触摸界面。
该烤箱采用 230 V 电源运行，并配有内置超温安全系统，当温度超出设定温度约 10℃时，此安全功能会自动关闭烤箱。
烤箱能够将温度保持在 20 至 300 ℃之间，它在 160 ℃时提供 ±2.2 ℃ 的温度均匀性，在 99℃以下提供 ±0.1℃的控制精度，在100℃以上提供 ±0.5℃的控制精度。
烤箱的内室尺寸为宽 55 厘米、高 48.006 厘米、深 40.005 厘米，该腔室尺寸可轻松容纳实验中使用的 25 厘米岩心支架。
为了进行必要的连接，研究人员还在烤箱后端制作了四个 2.5 厘米的入口，这些入口使流体流动、测压管道和热电偶探头能够连接到岩心固定器，从而在实验过程中进行实时数据监控。
为了达到岩心夹持器内部所需的温度，还需要通过初步实验期间升高和降低炉温的迭代过程确定了有效的加热循环。
据观察，烘箱的控制温度在 30 分钟内达到，并且岩芯支架内的砂包还需要大约 90 分钟才能达到所需的测试温度。
在进行主要岩心驱替实验之前，研究人员们进行了一系列初步实验，以确定多孔介质对盐水的绝对渗透率或固有渗透率。
该过程包括将砂粒填充到岩心固定器中，同时在端盖上放置筛网，以防止实验过程中砂粒进入油管，然后进行填充，在岩心固定器的顶端留下一些空间以允许端盖安装，随后将其放置另一个网以确保均匀的流体分布。
在这些初步实验中，充当流体的盐水通过网孔缓慢倒入岩心固定器中，使多孔系统饱和，然后安装第二个端盖以封闭单元，并将岩心固定器安装在支架上并连接到管道。
系统设置完毕后，使用 HPLC 泵开始以 0.5 mL/min 的低流速连续流动盐水，低流速有几个目的：
首先，最大限度地减少砂粒的分离或重新分布；其次，防止产生裂缝或优先流动路径；第三，因为描述多孔介质中流体流动的经典达西方程不适用于高流速，所以继续低流量盐水注入，直至多孔介质被盐水完全饱和，并且所有空气被完全冲出系统。
这确保了系统达到稳态条件，并在入口和出口处获得恒定的流速，压力变化最小，一般来说，将大约 5 个孔体积的盐水注入多孔介质后，就能实现该条件。
一旦达到稳态条件，那么就需要获取压差读数来测量多孔介质上的压降，然后使用达西方程计算盐水的绝对渗透率，该方程将压差与流体流速和测试单元的其他参数联系起来。
这些初步实验可以确定多孔介质对盐水的固有渗透性，在使用不同流体和在各种条件下进行主要岩心驱替实验之前提供必要的基线数据。
历史匹配方法与相对渗透率USS（非稳态）或位移实验数据的相对渗透率计算可以通过显式或隐式方法实现，两种流行的显式技术是 Johnson 等人引入的 JBN方法。(1959) 及其由 Jones 和 Roszelle 修改的版本。
在 JBN 方法中，研究人员使用数值模拟生成的假设岩心驱替数据，并假设一定的相对渗透率值。
在不同的温度下进行模拟，以研究温度对相对渗透率的影响，然后将 JBN 方法应用于通过模拟生成的生产数据来计算相对渗透率。
然而，后来有人发现 JBN 方法和类似技术可能导致错误的结果。
据报道，JBN 方法可能会在稠油系统中表现出错误的相对渗透率温度依赖性行为，这种错误行为主要归因于，数值模拟期间可能发生的不稳定性和粘性指法。
这些不稳定性和指进效应可能会导致计算的相对渗透率值不准确，尤其是对于重油系统。
这一发现与 Ashrafi 的报告一致，后者还强调了 JBN 方法的局限性，特别是在重油系统中。
而Ashrafi 的工作还进一步强调，JBN 方法可能无法准确捕获相对渗透率的真实温度相关行为，从而导致在这种情况下结果不可靠。
鉴于这些限制，研究人员在使用 JBN 方法或类似的显式技术计算相对渗透率时应谨慎行事，尤其是对于稠油系统，隐式方法或其他更先进的方法可能更适合精确的相对渗透率计算，特别是在处理复杂的多相流现象和温度影响时。
所以说，本研究采用的是隐式方法，也称为历史匹配方法，来进行相对渗透率计算。
与显式方法不同的是，隐式方法基于数值计算，涉及调整不同的相对渗透率模型参数以匹配岩心驱替实验数据，例如累积产量和压差。
对于历史匹配的过程，研究人员使用了名为 Sendra 的岩心驱油数值模拟器，Sendra 是一款完全隐式两相、一维黑油模拟器，专门用于分析特殊岩心分析实验的数据。
它用途广泛，可应用于各种常见的实验技术，包括稳态 (SS) 和非稳态 (USS) 流动实验、单速和多速离心机实验以及多孔板实验。
不仅如此，该软件还支持一系列场景，允许进行油-水实验、气-油或气-水流动，并且可以分析渗吸和排水过程，如果需要更复杂的实验设置，Sendra 还能够考虑域中的第三个固定流体相。
通过采用Sendra模拟器的历史匹配方法，研究人员可以迭代调整相对渗透率模型参数，以获得模拟结果与实际实验数据之间的最佳拟合，这使他们能够确定本研究中使用的特定实验条件的最准确的相对渗透率值。
隐式方法的优点在于能够处理复杂的非线性多相流现象，同时考虑各种实验设置和条件，使其成为本研究中可靠的相对渗透率计算的合适选择。
参考文献：【1】《天然气科学工程》。
【2】《最先进的最小二乘支持向量机的应用，用于准确测定天然气粘度》。
【3】《相对渗透率作为温度、初始水饱和度和淹没流体组成的函数》。
【4】《在多孔介质中具有速率依赖性的聚合物吸附》。
【5】《从位移实验中确定相对渗透率的图形技术》。
