電磁場?滲流場耦合作用下離子液體多孔介質流動模型1)

賈 虎 張 瑞 黎棚武

(西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室,成都 610500)

引言

注水開發是油田保持地層壓力、提高采收率的最有效且應用最廣的方法,但地層在經歷長時間流體沖刷后易在注采井之間形成優勢通道,注入水并未能按照預期的驅替路徑流動,導致波及范圍小、驅替效率低[1-2].問題的關鍵在于傳統水驅主要利用壓力場實現注入水在地下的滲流與波及,而壓力場調控難度大.因此,如何發展綠色智能驅油技術,進一步提高原油采收率成為亟待解決的難題[3-4].

現階段初中語文課程教學，語文閱讀與寫作相輔相成、互相促進，才能達成初中生語文學習的基本目標，由此看來教師將閱讀與寫作有機結合是十分必要的，基于寫作對閱讀學習的基礎要求，將閱讀學習大范圍的拓展，從而在實踐教學中逐步提升學生的寫作能力，使得學生獲得進步與發展的機會。

離子液體是一類可調控、多功能的綠色環保材料,本質上是一種在室溫或室溫附近溫度下呈現液態的鹽,又稱為室溫離子液體[5].與常見的鹽一樣,離子液體僅由陽離子和陰離子組成,通過靜電相互作用結合在一起.而與固態鹽形成晶體結構不同,離子液體由能夠自由移動的離子組成,如圖1 所示,從而使鹽具有流動的特性[6].離子液體具有良好的離子導電性與電化學穩定性,主要應用于電化學領域[7-8],同時離子液體具有多樣性,許多功能型離子液體正在研發中,在生物醫學[9]、綠色化學[10-11]以及光電子[12]等多個學科領域具有廣闊的應用前景.

圖1 離子液體宏觀與微觀狀態示意圖Fig.1 Diagram of the macroscopic and microscopic states of ionic liquids

最近,離子液體在提高采收率領域的應用研究受到學者們關注.Dahbag 等[13]在離子液體驅油實驗的基礎上,利用CMG-STARS 軟件中的表面活性劑模型對離子液體驅油過程進行數值模擬,實驗接觸角測量和模擬的相對滲透率曲線變化表明:離子液體提高采收率機理主要是促進巖石潤濕性向更親水轉變.Nabipour 等[14]分別研究了地層鹽水和海水對離子液體驅中界面張力和潤濕性變化的影響,結果表明:離子液體不僅可以承受25 g/L 的含鹽度,而且還能更有效的降低油水界面張力.Velusamy 等[15]研究了6 種常見咪唑型離子液體在高含鹽和不含鹽條件下的界面張力變化,接觸角測量結果表明:在室溫和高含鹽條件(NaCl 濃度為200 g/L)下離子液體能夠使油水界面張力降低49.7%.Manshad 等[16]通過懸滴法和接觸角測試證明了離子液體可以作為一種新型表面活性劑來改變巖石潤濕性和降低油水界面張力,巖心驅替實驗表明:與水驅相比,原油采收率提高了13%.Pillai 等[17]研究了[C8mim]BF4,[C10mim]BF4,[C12mim]BF4這3 種合成離子液體對界面張力和油濕巖石潤濕性的影響,實驗發現這3 種離子液體不僅能在高礦化度和高溫條件下保持穩定,還能有效提高巖石潤濕性能并且顯著降低界面張力.BinDahbag 等[18]利用驅油實驗的采收率和壓降數據,對巖心鹽水驅和離子液體驅過程進行了擬合,發現在高礦化度條件下采用離子液體驅獲得的采收率比鹽水驅更高.可見,離子液體在提高采收率方面的研究思路主要是將其視為傳統表面活性劑的替代品,僅僅關注了離子液體優異的化學特性.然而離子液體同樣表現出良好的物理場響應特征,有望把材料的響應性和驅動性有機地結合為一體,通過多物理場刺激來調控材料的運移路徑,從而實現離子液體智能驅油,達到提高采收率的目的.

磁場作為一種有效的驅動和控制手段,由于不需要與樣品或試劑的直接接觸即可實現對分析物的操控,同時具有驅動力強、可控性高等優勢,被廣泛用于生物醫學、微流控等研究領域[19-20].在提高采收率領域,Kothari 等[21]利用表面活性劑與磁性納米顆粒復配制備了鐵磁流體,并總結了鐵磁流體驅油機理:表面活性劑的加入將大大降低界面張力,同時鐵磁流體具有與磁場相互作用的能力,外加磁場可以提高驅替液的流動能力,表現出比表面活性劑驅油更高的波及效率.姚軍等[22]開展了磁場?滲流場耦合作用下的鐵磁流體多孔介質流動數值模擬,研究了利用磁場控制的鐵磁流體驅油問題,結果表明:利用磁場控制鐵磁流體的驅替路徑可以提高波及范圍從而提高采收率,為智能驅油提供了新的思路.所使用的鐵磁流體是一類特殊的智能納米材料,不僅表現出一般流體的性質,同時可以受到磁場的控制[23].由于離子液體功能的可定制性,利用特殊的陽離子和陰離子可以制備與鐵磁流體一樣帶有磁性的離子液體.磁性離子液體是一類具有磁性的功能化離子液體,不僅保留了一般離子液體的蒸氣壓低、液程寬、良好的溶解能力等優點,而且能夠在磁場作用下產生一定的磁化強度,并對外界磁場產生宏觀響應[24].Hayashi 和Hamaguchi[25]在2004年首次提出了磁性離子液體的概念,他們利用[bmim]Cl 和FeCl3為原料合成了一種離子液體([bmim]FeCl4),該離子液體能夠被磁鐵吸引,表現出很強的順磁性.圖2中的照片顯示了磁性離子液體([bmim]FeCl4)在磁場下的響應,無磁鐵作用時(圖2(a)),離子液體層在水層下擴散,當磁鐵靠近時,離子液體層被磁鐵吸引(圖2(b)),最后在磁場力的作用下被扭曲形成凹曲線型(圖2(c)).

圖2 離子液體([bmim]FeCl4)的磁場響應[25]Fig.2 Magnetic field response of ionic liquid [bmim]FeCl4[25]

雖然磁場對磁性流體具備很好的控制能力,但磁性離子液體是一種特殊的離子液體,大多數離子液體并不具備磁場響應,因此磁場會限制離子液體的應用范圍.相比磁場而言,離子液體的電磁場響應更加值得關注,有望應用于調控水驅油路徑,研究的關鍵在于揭示多孔介質中離子液體在電磁場作用下的流動機理.目前尚未有關于電磁場作用下離子液體在多孔介質中的相關研究.本文在分析離子液體在毛細管中電磁場響應機理的基礎上,建立了電磁場?滲流場耦合作用下離子液體多孔介質流動模型,通過理論推導與數值分析,研究電磁場?滲流場耦合作用下離子液體在多孔介質中的流動規律,并從離子液體優選、離子液體智能驅油、電致熱量影響3 個方面進行討論.

第二種觀點就是生活資料供應官與皇帝在其判決中給出的說理，他們都強調誠實信用的客觀面(即第三方締約人的信賴)，它與總管在具體地經營企業時所實施的各項活動的整體有關，而將指任人的意志置于次要位置。這種觀點是對純粹的意志主義原則的超越，植根于保護第三方締約人的信賴的需求之上，他們與沒有代理權的表見代理人締約，也可能是因為，表見的被代理人有過錯地容忍或無視表見代理人的行為。

1 電磁場?滲流場耦合流動模型

1.1 毛細管中的洛倫茲力

在離子液體中有3 種離子存在形態:離子對(呈電中性)、離子團(數量很少)以及能夠自由移動的陰、陽離子,正是由于這些自由移動的陰、陽離子存在,離子液體表現出優異的導電性能,同時自由移動的陰、陽離子也是離子液體對電磁場產生響應的根本原因[26].下面分析離子液體在毛細管中的電磁場響應機理,首先建立離子液體在電磁場作用下的毛細管模型,如圖3 所示,毛細管處在相互垂直的均

姜堰境內以新通揚河為界，南部為通南平原，地勢高、以高沙土為主，北部為里下河平原，水網密布、以黏土為主，因此風土人情、經濟基礎有著較大的差異。為此，我們堅持系統思維、戰區思維，把實施功能區戰略作為對集約發展、特色發展、可持續發展的“規劃之綱”，分類打造主城區、工業集中區、溱湖生態經濟區、通南經濟發展區“一城三區”，通過資源要素最優配置，實現區域協同發展。

勻電場(y方向)和穩恒磁場(z方向)中,毛細管軸向沿x方向.

在電磁場作用下,毛細管模型中任意一個自由離子會同時受到電場力和洛倫茲力的作用,其受力情況可用如下公式表示[27]

式中:Fi表示第i個離子在電磁場作用下所受的合力;ni為第i個離子的電荷數;e為單位電荷(1.6 × 10?19C),vi為第i個離子在xOy平面(垂直于磁場的平面)上的速度分量,E和B分別為電場強度和磁感應強度.

該研究結合有理數例題的特點對戴再平教授建立的例題分類稍加調整后作為研究工具，根據各類型例題所占比重進行分析；選取黎野平教授構建的分析問題3層面為研究工具，對有理數例題的文字特征進行對比分析．

類似一維模型,在圓柱坐標系下采用無滑移邊界求解并積分后可得離子液體3 個方向上的體積流量

離子液體中不同速度分量的離子在宏觀上受到的總洛倫茲力也不同.沿毛細管軸向移動而具有vix分量的離子,由于陰、陽離子所受洛倫茲力大小相等方向相反,則總洛倫茲力為零;因熱運動而具有vix分量的離子,從熱力學統計平均分析以及離子液體呈電中性的特點,離子液體在磁場作用下的總洛倫茲力也為零;唯一不為零的就是與電場方向平行的速度分量viy(即遷移速度),且陰、陽離子的遷移速度viy±滿足如下關系[28]

式中 μ±為陰、陽離子遷移率,根據電磁學理論可知,由于具有速度分量viy的陰、陽離子運動方向相反且所帶電荷相反,則這部分陰、陽離子所受洛倫茲力方向相同,即在宏觀上離子液體的總洛倫茲力不為零.

如圖3 所示,在毛細管模型中取一單位體積模型,假設該單位體積模型中離散的陰、陽離子的粒子數密度分別為m?,m+,則單位體積的離子液體總洛倫茲力FV為

基于CORS的水下地形測量系統研究與應用…………………………………………… 王 陽，楊 卓(21.66)

由于離子液體中的離子團很少,根據電中性原則,陰、陽離子所帶的電荷量q相等,即q=n?e=n+e,假設離子液體中總離子的粒子數密度為m,能夠自由移動的陰陽離子數占總離子數的百分比為 λ ,且陰、陽離子的粒子數密度近乎相等,即有m?≈m+=λm/2,則式(3)可改寫為

假設離子液體的密度為 ρ,電導率為 σ ,其電導率又可通過電荷量q、粒子數密度m以及自由離子占比λ表示為如下形式[29]

則單位質量的離子液體總洛倫茲力FL為

1.2 離子液體運動方程

下面從理論上對電磁場?滲流場耦合作用下離子液體在毛細管中的運動方程進行推導,假設毛細管內離子液體的密度為 ρ且不可壓縮,黏度為 μ .根據連續介質理論假設可知,只要離子液體流動特征尺度遠大于離子液體微元尺度,則可采用Navier?Stokes 動力學方程描述離子液體流動過程.常黏度條件下不可壓縮離子液體的Navier?Stokes 方程可以表示為

式中,v為離子液體流速;p為離子液體壓力;f為單位質量離子液體所受的體積力,若考慮離子液體的重力影響并外加電磁場作用,則離子液體所受的體積力包括重力和電磁場作用下產生的洛倫茲力兩部分.式(6)已給出電磁場作用下單位質量離子液體所受的洛倫茲力,設重力加速度為g,那么電磁場?滲流場耦合作用下離子液體在毛細管中的運動方程可以表示為

目前，應用型本科旅游類專業在教學過程中存在的弊病有：教師整體技術水平有待提升，教師實際操作能力較低，教師缺乏實際操作的經驗，在教學環節偏重理論知識，忽視實際操作等。其中，教師整體技術水平較低是我國教育環節中最為首要的問題。部分專業教師在教學過程中過于偏重理論知識的傳授而忽視了實際操作的重要性。對提高學生的實際操作能力而言，這不僅是專業教師個人能力的問題，還需要學校強有力的設備支持。

1.3 多孔介質一維流動模型

為了研究電磁場?滲流場耦合作用下離子液體在多孔介質中的一維流動規律,建立基于“直毛細管”的多孔介質一維流動模型,如圖4 所示,該模型由一束平行的等徑毛細管所構成[30].

系統采用基于模糊PID算法的脈寬調制(PWM)控制方法，即PWM方波的占空比可調，來控制電機的轉速，PWM方波的占空比是由增量式PID算法求得。目前，常規的PID調節器控制作用一般形式為

圖4 基于“直毛細管”的多孔介質一維流動模型Fig.4 One-dimensional flow model of porous media based on“straight capillary”

假設離子液體沿x軸正方向流動,洛倫茲力的方向與流動方向一致;假設毛細管水平,則離子液體所受重力可以忽略.這樣,電磁場?滲流場耦合作用下離子液體在多孔介質中的一維流動方程可以表示為如下形式

模型求解選用圓柱坐標系 (r,θ,x),則公式(10)在圓柱坐標系下可以表示為

1.1一般資料2015年2月至2017年2月我院對70例股骨粗隆間骨折患者開展了分析,均是老年患者,為患者進行了術后的針對性護理。全部患者中,最小的是55歲,最大的是82歲,平均63.5歲。共有45例男性患者和25例女性患者,患者的骨折原因包括了跌倒、車禍等?；颊哌€合并其他疾病,有11例冠心病,14例高血壓,4例營養不良,6例慢性支氣管炎等等。

和圖10(b)分別為離子液體在x和y方向上的平均線性流速與洛倫茲力方向參數的三維關系圖,其中電導率為0.5 S/m,黏度為100 mPa·s.從圖中分析可知,通過改變角度參數 α 和 β(即調整洛倫茲力的方向),

當毛細管兩端壓差恒定且外加電磁場穩定時,離子液體做定常流動,有 ?v/?t=0 且速度v只與r坐標有關而與 (θ,x)無關,則式(11)可進一步簡化為

設毛細管半徑為r0,采用無滑移邊界條件v(r=r0)=0,求解式(12)可得毛細管中半徑為r處離子液體速度

通過厚度為 dr的單元液筒的體積流量 dQ=vdA,其中 dA表示單元液筒截面積,則離子液體單位時間內通過毛細管的平均流量可表示為

根據文獻[31]中的公式,可以求出5 種離子液體在溫度為25 °C 時的電導率和黏度數據,并計算相應電導率與黏度的比值,如表1 所示.

1.4 多孔介質三維流動模型

圖4 所示的一維流動模型只能描述離子液體在一個方向上的流動規律,為了彌補這一缺陷將模型作如下修正:在3 個互相正交的方向上各放置三分之一的毛細管[30],建立基于“毛細管組”的多孔介質三維流動模型,如圖5 所示.

假設離子液體可以在x,y,z三個軸向上流動,重力方向沿z軸負方向,洛倫茲力FL的方向任意(圖5),由角度參數 α 和 β控制,則電磁場?滲流場耦合作用下離子液體在多孔介質中的三維流動方程可以表示為如下形式

圖5 基于“毛細管組”的多孔介質三維流動模型Fig.5 Three-dimensional flow model of porous media based on“capillary group”

由于離子液體內部陰、陽離子所受電場力的方向相反,并且離子液體整體呈電中性,則式(1)右邊第一項對離子液體內部所有陰、陽離子求和后等于零,即宏觀上離子液體整體所受電場力為零.式(1)右邊第二項為運動的離子在磁場作用下產生的洛倫茲力,其大小與在垂直于磁場的平面內的速度大小成正比,離子速度在xOy平面內的分量vi可進一步分解為沿毛細管軸向(x方向)的vix和平行于電場方向(y方向)的viy兩個速度分量.

2 數值分析

下面以疏松砂巖油藏經長期注水開發后形成的高滲通道為研究對象,對電磁場?滲流場耦合作用下離子液體在多孔介質中的流動規律進行數值分析.在數值計算過程中,根據高滲通道孔隙半徑分布特點,將多孔介質流動模型中的毛細管半徑r0均設為100 μm.

2.1 洛倫茲力

離子液體在電磁場作用下產生響應的本質是洛倫茲力的存在.圖6 為單位體積離子液體的洛倫茲力與電磁場強度的三維關系圖,其中離子液體的電導率為0.5 S/m.從圖中可以看出,當離子液體的電導率一定時,單位體積離子液體的洛倫茲力與電磁場強度有關;當磁感應強度一定時,洛倫茲力隨著電場強度的增大而增大,當電場強度一定時,洛倫茲力隨著磁感應強度的增大而增大,即電場強度與磁感應強度的乘積越大,單位體積離子液體的洛倫茲力越大.

圖6 單位體積離子液體的洛倫茲力與電磁場強度的關系Fig.6 The relationship between Lorentz force per unit volume of ionic liquids and electromagnetic field strength

2.2 毛細管流量

圖7 為毛細管流量與離子液體電導率、黏度的三維關系圖,其中電場強度為5 × 104V/m,磁感應強度為0.5 T,壓力梯度為5.0 kPa/m.從圖中可以看出,當電磁場強度和壓力梯度一定時,毛細管流量與離子液體的電導率與黏度有關;當黏度一定時,毛細管流量隨著離子液體電導率的增大而增大,當電導率一定時,毛細管流量隨著離子液體黏度的增大而減小,即離子液體的電導率與黏度的比值越大,離子液體的毛細管流量也越大.

假設毛細管直徑均勻,則離子液體在毛細管中流速只有沿軸向的分量,這樣運動方程中的對流項v·?v=0;那么離子液體在毛細管中的運動方程可以簡化為

圖7 毛細管流量與離子液體電導率、黏度的關系Fig.7 The relationship between capillary flow rate and conductivity and viscosity of ionic liquid

圖8 為離子液體毛細管流量與電磁場強度的三維關系圖,其中電導率為0.5 S/m,黏度為100 mPa·s,壓力梯度為5.0 kPa/m.從圖中可以看出,當離子液體電導率、黏度和壓力梯度一定時,離子液體的毛細管流量只與電磁場強度有關,當磁感應強度一定時,離子液體的毛細管流量隨著電場強度的增大而增大,當電場強度一定時,離子液體的毛細管流量隨著磁感應強度的增大而增大,即電場強度與磁感應強度的乘積越大,離子液體的毛細管流量也越大.

圖8 離子液體的毛細管流量與電磁場強度的關系Fig.8 The relationship between capillary flow rate of ionic liquids and electromagnetic field strength

下面用電場強度與磁感應強度的乘積來表征電磁場強度,即W=EB.圖9 為毛細管流量與壓力梯度、電磁場強度的三維關系圖,其中離子液體電導率為0.5 S/m,黏度為100 mPa·s.從圖中可以看出,在電磁場強度為0 (即不考慮電磁場)時,毛細管流量與壓力梯度呈線性關系,且毛細管流量隨著壓力梯度增大而增大;當電場強度不斷增大時,毛細管流量與壓力梯度之間仍然保持線性關系,同時不同電磁場強度下的毛細管流量與壓力梯度關系構成了一個三維平面,即考慮電磁場前后毛細管流量和壓力梯度之間線性關系的斜率不變,說明電磁場通過洛倫茲力在離子液體上產生一個電磁驅動壓強,形成一個類似壓力梯度的電磁驅動等效壓力梯度,從而改變離子液體的流量.當電磁場強度為2.0 × 104V/m·T時,電磁場在電導率為0.5 S/m 的離子液體上可形成 10.0 kPa/m 電磁驅動等效壓力梯度.

圖9 毛細管流量與壓力梯度、電磁場強度的三維關系Fig.9 Three-dimensional relationship between capillary flow rate,pressure gradient and electromagnetic field strength

2.3 平均線性流速

之前對核聚變的嘗試都因為規模太小而無法獲取足夠的能量。但是這個規模更大的國際熱核實驗反應堆(簡稱ITER)產生的能量應當明顯超過它所損耗的能量。

圖10 離子液體在(a) x 方向和(b) y 方向平均線性流速與洛倫茲力方向參數的三維關系Fig.10 Three-dimensional relationship between the average linear velocity of ionic liquids in the (a) x-direction and (b) y-direction and the direction parameter of Lorentz force

下面利用三維流動模型分析電磁場?滲流場耦合作用下離子液體在多孔介質中的流動特征.圖10(a)x和y方向上的平均線性流速在流速為0 的平面上下波動,說明電磁場不僅可以改變離子液體的流速大小,還能改變離子液體的流動方向.

由于離子液體在z方向上的平均線性流速會受到重力的影響,下面分析其與洛倫茲力方向參數、密度之間的關系.圖11 為離子液體在z方向上的平均線性流速與洛倫茲力方向參數、密度的三維關系圖,其中電導率為0.5 S/m,黏度為100 mPa·s,重力加速度取值為9.8 m/s2.從圖中分析可知,當 β=90?時,洛倫茲力方向與z軸垂直,離子液體僅在壓差驅動力和重力作用下流動,此時z方向平均線性流速為負值,說明重力作用占主導作用,離子液體沿重力方向流動;當改變角度參數 β 時,z方向平均線性流速會相應發生改變,對于密度較小的離子液體,隨著角度參數 β的減小,流速由負值變為正值,說明洛倫茲力在不斷平衡離子液體重力效應,最終改變了離子液體的運動方向,對于密度較大的離子液體,流速一直為負值,說明需要更大的電磁場強度才能改變離子液體的流動方向.

圖11 離子液體在z 方向的平均線性流速與洛倫茲力方向參數、密度的三維關系Fig.11 Three-dimensional relationship between the average linear velocity of ionic liquids in the z-direction,the direction parameter of Lorentz force and density

3 討論

3.1 離子液體優選

最后將式(13)代入式(14)積分可得電磁場?滲流場耦合作用下離子液體在毛細管中Poiseuille 流動的流量方程

不同施藥時期，分別設向日葵4～6葉期、6～8葉期和8～10葉期；不同施藥量，設植物誘抗劑-IR-18 400倍液、600倍液和800倍液；不同施藥次數，設 1次（4～6葉期）、2次（4～6葉期、6～8葉期）和3次（4～6葉期、6～8葉期和8～10葉期）用藥。試驗共設10個處理，各處理3次重復，小區面積30 m2（2 m×15 m），每小區4壟，其中1個品種2壟，按大小行播種不覆膜，大行60 cm，小行40 cm，株距為40 cm，小區隨機區組排列（表1）。

俗話說：“一夜連雙歲，五更分二年?！鞭r歷臘月的最后一天的晚上叫除夕，與正月初一首尾相連，意思是歲盡年更，除舊布新。 除夕前一日叫“小除”，舊時家置酒宴，往來拜訪以“別歲”。 除夕這天要祭拜祖先，有的是在年夜飯前祭祀。 除夕當晚，家家戶戶竭其所能，準備豐盛的年夜飯。 飯后家人團聚守歲談笑，通宵不寐。

下面利用基于“直毛細管”簡化的多孔介質一維流動模型來分析表1 中4 種離子液體在電磁場?滲流場耦合作用下的流動特點.圖12 為不同離子液體的毛細管流量與壓力梯度的關系,其中電磁場強度為2.5 × 104V/m·T.由圖中分析可知,[bmim][(CF3SO2)2N]的毛細管流量明顯高于其他離子液體,主要是因為其電導率與黏度的比值最大;而[bmim][BF4]的電導率與黏度的比值最小,因此其毛細管流量最小;[bmim][CF3SO3]與[bmim][BF4]兩種離子液體對應的直線幾乎重合,兩者的毛細管流量相近,結合表1中數據分析可知,主要是因為這兩種離子液體的電導率與黏度的比值相當.由局部放大圖可知,在較小壓力梯度時,因[bmim][BF4]的電導率與黏度比值略大于[bmim][CF3SO3],其毛細管流量要大于[bmim][CF3SO3];隨著壓力梯度不斷增大,由于[bmim][CF3SO3]的黏度比[bmim][BF4]小,其毛細管流量逐漸高于[bmim][BF4].因此,在優選離子液體時,應選擇電導率與黏度的比值較大的離子液體作為流體介質,若離子液體電導率與黏度的比值相近時,應選擇黏度較小的離子液體,從而保證離子液體在多孔介質中更容易流動.

式(2)中：k為時間間隔索引；m為船舶i的軌跡點的數量；為tk時刻船舶i的坐標；為tk時刻船舶i的航向；為tk時刻船舶i的航速。

表1 五種離子液體的電導率和黏度Table 1 Conductivity and viscosity of five ionic liquids

圖12 不同離子液體的毛細管流量與壓力梯度的關系Fig.12 The relationship between capillary flow and pressure gradient of different ionic liquids

3.2 離子液體智能驅油

離子液體具有良好的電磁場響應,電磁場的可調控性為離子液體的智能驅油提供了思路.基于“毛細管組”簡化的多孔介質三維流動模型,從理論上說明了通過改變角度參數 α 和 β(即調整洛倫茲力的方向)可以改變離子液體的流動速度大小和方向.在疏松砂巖油藏中,若能實時改變作用在離子液體上的電場方向和磁場方向,即可改變離子液體所受的洛倫茲力方向,進而控制電磁場?滲流場耦合作用下離子液體在多孔介質中的流動方向,解決利用壓力差難以控制流動路徑的難題,為離子液體智能驅油提供理論依據.圖13 為在平面上存在優勢通道時傳統水驅和離子液體驅的流動路徑示意圖,由于優勢通道的存在,傳統水驅時注入水在壓力差的驅動下主要沿著優勢通道流動(圖13(a)),兩側的區域難以波及;離子液體驅時,在電磁場作用下產生的洛倫茲力(圖13(b))可以延緩注入離子液體沿優勢通道的快速突進,從而改變離子液體的流動路徑.

圖13 在平面上存在優勢通道時(a)傳統水驅和(b)離子液體驅的流動路徑示意Fig.13 Diagram of the flow paths of (a) traditional waterflooding and(b) ionic liquids flooding when there is a dominant channel laterally

圖14 為在縱向上存在高滲層時傳統水驅和離子液體驅的流動路徑示意圖,由于高滲層的存在以及重力作用,傳統水驅時注入水在壓力差的驅動下主要沿著高滲層流動(圖14(a)),進入低滲層中的注入水較少;離子液體驅時,由于豎直向上的洛倫茲力的存在(14(b)),原本進入高滲層的離子液體會向低滲層中流動,進而改變離子液體驅替方向.可見,無論是平面上存在優勢通道,還是縱向上存在高滲層,通過電磁場的調控可以改變洛倫茲力的方向,從而控制離子液體朝低波及區域驅替,達到提高波及范圍而提高采出程度目的.

圖14 在縱向上存在高滲層時(a)傳統水驅和(b)離子液體驅的流動路徑示意Fig.14 Diagram of the flow paths of (a) traditional waterflooding and(b) ionic liquids flooding when there is a high permeability layer vertically

3.3 電致熱量影響

離子液體在電磁場作用下會產生電流,電流會產生熱量即電致熱量,隨著熱量不斷增加,電磁場產生的熱量會使離子液體的溫度升高,而離子液體是溫度敏感材料,其電導率和黏度也會隨著溫度的變化發生相應的改變,從而影響電磁場?滲流場耦合作用下離子液體在多孔介質中的流動.根據文獻[31]中的公式,可以求出[bmim][PF6]和[bmim][BF4]這兩種常見離子液體在不同溫度T下的電導率 σ 和黏度 μ 數據,并計算相應電導率與黏度的比值σ/μ,如表2和表3 所示.由表中數據分析可知,隨著溫度的升高兩種常見離子液體的電導率變大、黏度降低,其電導率與黏度的比值在不斷增大.圖15 為兩種常見離子液體的毛細管流量與溫度的關系,其中電磁場強度為2.5 × 104V/m·T,壓力梯度為5.0 kPa/m.從圖中可以看出,毛細管流量隨著溫度升高而增大,結合表中數據可以說明溫度升高會增大離子液體電導率與黏度的比值,進而促進離子液體在多孔介質中流動;通過非線性函數擬合可以發現,毛細管流量隨溫度的升高趨勢符合指數型增長規律,且[bmim][BF4]的流量增加速度明顯高于[bmim][PF6],說明溫度升高對[bmim][BF4]離子液體在多孔介質中流動的影響程度更大.另外,溫度升高能降低原油黏度、改變巖

表2 離子液體[bmim][PF6]在不同溫度下的電導率和黏度Table 2 Conductivity and viscosity of ionic liquid [bmim][PF6]at different temperatures

表3 離子液體[bmim][BF4]在不同溫度下的電導率和黏度Table 3 Conductivity and viscosity of ionic liquid [bmim][BF4]at different temperatures

圖15 兩種常見離子液體的毛細管流量與溫度的關系Fig.15 The relationship between capillary flow and temperature of two common ionic liquids

石潤濕性,提升原油滲流能力.因此,電磁場產生的熱效應對離子液體流動能力及驅油效率的影響有待進一步深入研究.

4 結論與認識

在分析離子液體在毛細管中電磁場響應機理的基礎上,建立了電磁場?滲流場耦合作用下離子液體多孔介質流動模型.通過理論推導與數值分析得到以下結論與認識:

(1)電磁場?滲流場耦合作用下毛細管流量大小主要由離子液體電導率與黏度的比值(內因)、電磁場強度與壓力梯度(外因)兩方面因素決定;

(2)電磁場通過洛倫茲力在離子液體上產生一個電磁驅動壓強,形成一個類似壓力梯度的電磁驅動等效壓力梯度,從而改變離子液體的流量,當電磁場強度為2.0 × 104V/m·T 時,電磁場在電導率為0.5 S/m 的離子液體上可形成10 kPa/m 電磁驅動等效壓力梯度;

(3)通過調整電磁場方向即可控制離子液體在多孔介質中的流動方向,解決利用壓力差難以控制流動路徑的難題,為離子液體智能驅油提供理論依據;

無論是林毅夫教授還是我們在課上探討的結論，都可以看出我們并沒有對理論盲目的尊崇，也沒有認為理論是絕對正確的，而是將理論一分為二的看待，有時候理論與經驗是相輔相成的，有時候理論與經驗是背離的。從這點我們可以看出，經濟學與教育學對于理論與經驗問題的看法是一致的，教育學并不是孤立存在的，它與其他學科是有互通的。

(4)離子液體在電磁場作用產生的電致熱量,不僅會影響離子液體的電導率和黏度,也會降低原油黏度、改變巖石潤濕性.因此,電磁場產生的熱效應對離子液體的流動能力及驅油效率的影響有待進一步探索.