利用相场法表征交叉粗糙壁裂缝中的不混溶水驱

《Frontiers in Marine Science》：Characterizing immiscible waterflooding in intersecting rough-walled fractures using a phase-field method

　　

岩石裂缝中的两相驱替是深部能源开发工程以及海上和近岸地下储层安全运行中的关键科学挑战，其特点是复杂裂缝几何形态和两相流体间相互干扰所导致的复杂动态流动模式。本研究利用快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform, FFT）和高斯分布方法构建了三维粗糙裂缝精细模型。采用相场-有限元方法模拟水-油流动的动态驱替过程和水-油界面演化，旨在研究交叉形态和交叉角度对粗糙壁裂缝中水-油驱替效率的影响。数值结果表明，裂缝交叉点是流体流动的关键瓶颈。黏性指进现象在流体通过裂缝交叉点后加剧，使水难以形成稳定的驱替前缘。交叉角度对驱油效果的影响强烈依赖于裂缝几何形态，且不遵循简单的单调趋势。小交叉角度通常促进X形裂缝中的驱油，而Y形裂缝表现出更复杂的行为，其中120°工况的水体积分数最低。V形交叉裂缝在小交叉角度下形成狭窄通道，是导致低效循环和残余油富集的主要类型。此外，具有对称结构和近乎笔直走向的裂缝更有利于提高驱替效率。非对称结构和流体流入复杂裂缝更易导致残余油积聚。这些发现为多尺度地下流动模拟提供了机理基础，并可为裂缝地质环境中优势路径、圈闭带和流动瓶颈的预测性评价提供支持。

论文解读：利用相场法表征交叉粗糙壁裂缝中的不混溶水驱

一、研究背景与意义
天然岩体在构造运动、气候变化和人类扰动等作用下发育大量裂缝。裂缝的几何形状、表面粗糙度和连通性控制着流体流动行为与分布，与油气藏开发、地热能开发、岩土工程和CO₂地质封存等密切相关。随着海底CO₂封存和海上油气开发加速，近岸海床下裂缝性地层成为水-沉积物-地下流体多尺度耦合过程的关键界面，准确表征裂缝介质中的两相流对储层性能评估和泄漏风险评价至关重要。目前，单裂缝中粗糙壁面的非线性渗流研究已有大量进展，但实际岩体由交叉裂缝构成复杂网络。已有研究多关注单相流或简化模型下的两相流，对三维粗糙度、裂缝形态（交叉、弯曲）和交叉角度耦合影响水-油两相驱替的研究仍存在空白。特别是对于X形、Y形、V形等典型裂缝形态，不同交叉角度如何改变水相分配、压力传递、流线重构和残余油捕集，缺乏系统性比较。因此，本研究构建三维粗糙壁交叉裂缝模型，采用相场法（Phase-Field Method, PFM）模拟水-油驱替过程，旨在揭示交叉形态和角度对驱替效率的控制机理。该论文发表在《Frontiers in Marine Science》。

二、研究方法概述
研究人员利用基于快速傅里叶变换（FFT）和高斯分布的裂缝面生成方法构建三维粗糙裂缝，通过分形维数、高度标准差、失配长度和各向异性因子控制表面形貌，分形维数设为2.2。随后将粗糙裂缝段组合成X形、Y形和V形交叉模型，考虑30°、60°、90°、120°和150°五种交叉角度。模型平均孔径0.83 mm，长度80 mm；入口为速度边界（0.1 m/s），出口为0 MPa压力边界，初始裂缝饱和油相，并考虑重力。数值求解基于COMSOL Multiphysics平台二次开发，采用PFM耦合Cahn-Hilliard方程与Navier-Stokes方程。模型验证中，PFM计算的驱替前缘位置和突破时水饱和度与Chen等的实验及VOF模拟结果对比，在0.1 m/s下相对偏差约4.84%。网格敏感性分析选用细化网格（最大单元尺寸0.1 mm），最大时间步0.005 s。

三、研究结果
3.1 “X”形交叉裂缝的两相流动特征
3.1.1 水体积分数
在X形裂缝中，水相通过交叉点后发生分流，不再沿单一方向推进。交叉角度越小，水相越容易均匀占据裂缝空间；随着角度增大，近交叉区域油相滞留显著增加。30°时全局驱替效率最高（约73.9%），150°时最低（约68.69%）。小角度裂缝的局部驱替效率在早期增长较快并趋于稳定，而120°和150°大角度裂缝的局部驱替效率较低。
3.1.2 流线分布
30°裂缝中流线平滑、分布均匀，高流速区主要集中于水平裂缝。60°时流速变化明显，交叉点后高流速区扩展。90°时流速梯度最大，高流速区主要集中于垂直裂缝，水平裂缝流速较低，流体在交叉点处发生显著能量损失和分流。
3.1.3 压力分布
30°裂缝压力分布均匀，范围为0-2.5 kPa；60°时交叉区域出现明显压力梯度；90°时压力升至3.5 kPa，交叉点下游压力不连续，低压区范围增大约40%。交叉区域几何形态分析表明，Frc-3的最小局部通道宽度仅0.42 mm，导致显著能量耗散。

3.2 “Y”形交叉裂缝的两相流动特征
3.2.1 水体积分数
Y形裂缝中，120°角的水体积分数最低，水相分流加剧，形成复杂手指状结构，油相滞留区扩大。30°时水相推进平稳，油相主要分布于裂缝边缘；90°时交叉区域油水界面失稳，黏性指进增强。Y形裂缝角度效应呈非单调性，原因在于分支尺度上的流量分配、压力连通和毛细-黏性竞争共同控制。
3.2.2 流线分布
30°裂缝流线平直均匀；90°时流线弯曲加剧，高速区与低速区共存。重力使竖直方向（出口2）流速降低，水平方向（出口1）成为主要流动路径；120°时交叉点对流动干扰最强，能量损失显著增加。小角度交叉区域内油水两相形成滞流区，流速在0.02-0.06 m/s之间；大角度裂缝中水流呈多路径渗流特征，最大流速0.12 m/s，比小角度最小流速高287.1%。
3.2.3 压力分布
30°裂缝压力范围0.2-1.8 kPa，梯度分布均匀；90°时交叉点上游高压区扩大，压力约1.6 kPa，下游压力快速下降；120°时整体压力范围增大（0.25-2 kPa），高压区集中于交叉点。边界面积和总体积随角度增大而增加，小角度裂缝中流动通道宽、阻力小，能量损失低。

3.3 “V”形交叉裂缝的两相流动特征
3.3.1 水体积分数
30°裂缝中水相难以进入交叉区域，交叉区油相滞留，突破时全局驱替效率仅66.038%，比单一直裂缝（77.846%）低11.808%。90°时流体在交叉后分流，手指状延伸增长，水相趋向裂缝中心。120°裂缝中产生大量指进，新指进前缘不断出现。小角度裂缝的局部驱替效率比大角度低约40%-50%，但大角度裂缝动态驱替效率波动较大。小角度形成的狭窄通道限制横向扩展，导致主通道过早突破；大角度裂缝中涡旋回流和局部旁路流动导致“岛状”残余油带形成