多相渗流是岩石圈最广泛、最重要的流体运动过程之一，涉及地下安全、环境与能源等多个领域。多相渗流的宏观特性取决于介质特性（孔隙？裂隙？）以及流动状态（模式），而后者往往受流体界面稳定性控制。因此微观尺度上的流体界面不稳定性及相应的驱替模式是关键核心问题，研究成果对于不混溶流体对地下水的污染及其修复、地下深处的核废物储存、二氧化碳的地质储存、石油/天然气开采和地热开采等具有重要的理论和指导意义。
相对于孔隙介质，裂隙介质的强非均质性对流体-流体界面稳定性的复杂影响使得准确预测或描述多相流驱替过程十分困难。已有大量研究对多孔介质中流体-流体界面稳定性的影响因素进行了探究，例如流速，黏度比，粒径分布和润湿性等。而裂隙介质中流体-流体界面稳定性的影响因素的相关研究不足。其中作为裂隙介质区别于其他介质的重要特征，开度场异质性会显著影响界面曲率和毛管力，进而影响流体界面稳定性和驱替模式变化。目前，已有研究对流速和黏度比影响下流体-流体界面稳定性及其相应驱替模式进行了探究，但并未考虑裂隙开度场异质性的影响。
针对此问题，太阳成官网施小清教授研究团队基于自主搭建的裂隙介质多相流可视化试验系统（图1），揭示了开度空间变异性对两相不混溶流体驱替模式的影响机制。研究发现基于横向孔隙填充事件(Transverse pore-filling event, TPFE)频率的变化，可以反映开度场各向异性对毛管力和粘性力间竞争的影响，从而精确表征裂隙介质中两相驱替模式从毛管指进(Capillary fingering, CF)到过渡区(Crossover zone, CZ)再到致密驱替模式(Compact displacement, CD)的转变，即流体界面稳定性的逐渐增强。在横向上(与流体出口方向垂直方向)增加开度相关长度会导致低流速下TPFE频率的增加，从而破坏流体-流体界面的稳定性。而纵向上(与流体出口方向平行方向)开度相关长度的增加抑制了TPFE频率，稳定了流体-流体界面（图2）。该现象表明标志CF-CZ转变开始的临界毛管数(critical capillary number, CaCF-CZ)，随着裂隙开度场从横向相关到纵向相关的变化而减小（图3）。在高流速下，TPFE几乎消失（图2），反映了各向异性不影响CZ-CD转变(CaCZ-CD)（图3）。此外，通过将各向异性因子(At)引入到描述两相不混溶驱替过程的Young-Laplace方程中，修正了预测粗糙裂隙中驱替模式转变的临界毛管数(CaCF-CZ和CaCZ-CD)理论模型并完善了粗糙裂隙两相驱替模式相图（图3）。此研究为精准预测裂隙介质中的多相驱替过程提供了实验和理论基础。
图1. 裂隙两相流可视化系统示意图
图2. 裂隙开度场各向异性(At)、粘度比(M)和流速(Ca)对驱替过程中横向和反向孔隙填充事件频率(n)的影响
图3. 裂隙开度场各向异性对临界毛管数(CaCF-CZ和 CaCZ-CD)的影响以及考虑裂隙开度场各向异性(At)、粘度比(M)和流速(Ca)的三维驱替模式相图
上述研究成果近期以“Aperture Field Anisotropy Control on Immiscible Displacement Patterns in Rough Fractures”为题，发表于水文水资源领域国际权威期刊Water Resources Research（10.1029/2024WR038099）。44118太阳成城集团博士研究生邢坤为论文第一作者，44118太阳成城集团施小清教授为通讯作者，44118太阳成城集团为第一署名单位。合作者包括武汉大学杨志兵教授等。该研究得到国家重点研发计划（2022YFC3703101）和国家自然科学基金（42272276, 42202267, 41977157）的联合资助。课题组前期已结合裂隙多相流可视化实验系统进行了一系列裂隙多相流驱替试验和数值模拟(如Xing et al., 2024 JoH)，本研究(Xing et al., 2024 WRR)在此基础上进一步拓展了粘度比M > 1的实验条件并阐明了空间变异性影响裂隙多相流驱替模式转变的孔隙尺度机制。
论文信息：
[1] Xing, K., Shi, X., Kang, X., Qian, J., & Wu, J. (2024). Influence of aperture field anisotropy on the immiscible displacement regime transition in rough fractures. Journal of Hydrology, 632, 130908. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2024.130908
[2] Xing, K., Shi, X., Yang, Z., Kang, X., Qiang, S., & Wu, J. (2024). Aperture field anisotropy control on immiscible displacement patterns in rough fractures. Water Resources Research,60, e2024WR038099. https://10.1029/2024WR038099
文字：邢坤
审核：唐朝生
