微孔隙对多孔介质动态润湿性改变的关键作用：基于微流控模拟的机理分析与工程启示

本研究针对低矿化度水驱(LSWF)提高原油采收率(EOR)过程中微孔隙对润湿性动态改变的调控机制这一空白领域，通过构建含/不含微孔隙的对比模型，结合动态接触角、油水界面张力(IFT)及盐度扩散等多物理场耦合模拟，揭示了微孔隙通过调控毛细管力平衡与流体再分布影响LSWF效率的机理，为复杂孔隙结构油藏开发提供理论支撑。

　　

在能源需求持续增长的背景下，如何提高成熟油田的原油采收率成为全球性难题。低矿化度水驱(LSWF)作为一种经济环保的提高采收率(EOR)技术，通过改变注入水盐度打破油/水/岩石系统的长期平衡，引发界面张力(IFT)变化和润湿性改变，从而驱动残余油流动。然而，实际应用中LSWF效果差异显著，部分油田增产明显而另一些几乎无效，这种"效果悖论"长期困扰着学术界和工业界。传统观点多归因于岩石矿物组成或流体性质的差异，却忽视了多孔介质中微孔隙（直径<10μm）可能扮演的关键角色——这些占碳酸盐岩储层孔隙系统近半的微小空间，因实验观测难度大，其流体动力学行为长期处于"黑箱"状态。

为破解这一难题，来自中国的研究团队在《Geoenergy Science and Engineering》发表创新研究。该团队基于真实岩心扫描数据，首创性地构建了含微孔隙与不含微孔隙的孪生数字岩心模型，通过计算流体动力学(CFD)直接数值模拟(DNS)，首次系统揭示了微孔隙如何通过三种机制调控LSWF过程：作为"毛细管缓冲器"延缓润湿性改变进程、作为"流体交换器"促进高低盐度水扩散、以及作为"残余油仓库"影响最终采收率。研究不仅解释了现场观察到的LSWF效果波动现象，更建立了孔隙尺度动力学与宏观采收率的定量关联。

关键技术方法包括：1) 基于光学显微镜图像的二维真实孔隙网络重建；2) 耦合动态接触角模型与变界面张力(IFT)的VOF(Volume of Fluid)方法；3) 高低盐度水扩散的传质模型；4) 考虑混合润湿性的边界条件设置。模型验证采用经典孔隙双联体实验数据，确保物理机制再现的准确性。

【多孔介质不含微孔隙时的LSWF动态】
模拟显示，在均质大孔隙系统中，润湿性改变呈现"前沿驱动"特征：当接触角从140°(强油湿)降至30°(强水湿)时，毛细管数N_Ca

10^-5
区域产生明显油相重分布，但下游孔隙发生的强烈卡断(snap-off)效应会重新圈闭约18%的原油。这解释了为何某些岩心实验中观察到的润湿性改变并未带来预期增产。

【微孔隙引入后的三重效应】
含微孔隙模型展现出截然不同的流体行为：1) 时间延迟效应：微孔隙作为盐度扩散"中转站"，使润湿性改变前沿滞后主流道约3个孔隙体积；2) 毛细管桥接：微孔隙网络形成跨尺度压力传导通道，促使大孔隙中的油相通过"毛细管泵送"机制进入微孔隙；3) 混合润湿协同：当微孔隙初始润湿性(90°)与宏孔隙(140°)不同时，产生局部毛细管压力梯度，额外驱动7.3%的原油采收率。

【关键参数敏感性分析】
阶梯式润湿性改变(分阶段调整接触角)比单阶段改变多产出12%原油；原油粘度增加会放大微孔隙的"吸油"效应；在低注入速率(Ca<10^-6
)下，微孔隙的毛细管主导作用可使最终采收率差异高达21%。这些发现为优化注水方案提供了定量依据。

研究结论指出，微孔隙通过改变局部毛细管力平衡和流体交换动力学，成为影响LSWF效果的决定性因素。传统模型忽略微孔隙会严重高估采收率(误差达15-25%)，这解释了不同油田LSWF效果差异的内在原因。该成果不仅为数字岩心技术提供了新的建模范式，更指导了针对微孔隙发育油藏的注水策略制定——建议采用阶梯式盐度调整和低速注入以充分发挥微孔隙的积极作用。

这项研究的突破性在于首次建立了"微孔隙-润湿性动力学-采收率"的定量关系框架，解决了困扰领域多年的尺度效应难题。正如通讯作者Mobeen Fatemi强调的："微孔隙不是简单的'缩小版'宏孔隙，而是具有独特流体运移规律的另一个维度。"该发现对约占全球储量50%的碳酸盐岩油藏开发具有特殊意义，为下一代EOR技术的精准设计奠定了理论基础。