参照以下提纲撰写，要求内容详实、清晰，层次分明，标题突出（题目用黑体四号字，正文用宋体五号字）。
1、实际完成的研究内容概述（基于实际情况，填写项目最终完成的主要研究内容）
2、代表性结果介绍
(1) 基于项目的实际完成情况，说明研究工作的主要进展和所取得的结果，此为工作报告最核心内容。
介绍其中的代表性结果，说明其水平和影响，并简要阐述其可能的应用方向或应用前景。
对重要的研究进展或结果，尽可能“一事一议”，分段撰写。
(2) 详细说明每项结果的价值或效益（比如理论意义、推广价值、应用指导价值、经济价值、社会效益)，并解释与本项目的关系。

1. 实际完成的研究内容概述1.1 超临界压力CO2在含水多孔结构中运移规律可视化实验研究1.1.1实验系统概述与实验参数测量

如图1.1所示，该实验系统主要由六大部分组成，分别为：二氧化碳注入部分、水注入部分、系统加热部分、实验段测量部分、环压部分以及出口气液分离部分。

（1）二氧化碳注入部分：干燥的二氧化碳会使岩心中的水分蒸发而影响饱和度测量，因此在二氧化碳注入实验段前需进行加湿处理。干燥的二氧化碳流体从气瓶流出后，从底部进入气液平衡容器A（4.2L）。在容器A中有少量的水以及所需压力的二氧化碳。在实验开始前将带有少量去离子水的容器从顶部抽真空，然后充入二氧化碳。将容器在一定压力、温度下放置3-5天，使内部的二氧化碳和水充分进行两相扩散平衡。由此实验中注入的二氧化碳饱和该状态下的水蒸气，以免出现“干燥”岩心的现象。在实验时泵抽取二氧化碳的过程中，二氧化碳将会不断从底部补充进入平衡容器。由于实验所用的注入流量非常小，可以认为二氧化碳一直处于饱和水蒸汽的状态。在平衡容器后，二氧化碳将会经过高压柱塞泵（Teledyne Isco, Model A500D）达到实验工况设计压力。

（2）水注入部分：纯水会溶解二氧化碳而影响二氧化碳流量及岩心中残余二氧化碳饱和度，因此在进入水泵之前，需溶解二氧化碳。与二氧化碳注入部分类似，经真空处理过的水和二氧化碳将在平衡容器B中进行溶解平衡，使得注入系统的液体为在设计压力、温度下的二氧化碳饱和溶液。这个平衡过程一般也将进行3-5天，直至关闭容器入口阀后压力不下降，以保证二氧化碳充分溶解。然后通过高压水泵（SSI/Laballiance Series 1500）将流体增压到指定压力。

（3）系统加热部分：为了进行不同工况的实验，尤其是不同温度的实验，实验系统分别设置了二氧化碳入口加热、水入口加热以及环压氟油循环加热3种加热方式。其中二氧化碳和水混合前分别在两路设有电加热装置，可通过调节电压来改变流体温度。氟油设计有加热循环罐，以达到储存、稳压及加热的目的。

（4）实验段测量部分：实验中测量的参数主要有流量、温度、压力/压差以及岩心的饱和度、T2曲线等参数。在水路的入口以及气液分离器的气路出口分别设有质量流量计（Bronkhorst M12）以实时监测体统中流体的流量。同时由于实验均采用恒流注入，泵也会给出精确的注入流量。在实验段的进出口以及加热段前后都有测温探头（PT100四线制铂电阻）进行测温。在二氧化碳路入口、水路入口以及实验段出口分别设有高压变送器（横河川仪EJA400A）测量压力。而在实验段进出口设有压差变送器（霍尼韦尔STD924）测量实验段两端压差。岩心饱和度、孔隙分布T2图谱以及二氧化碳/水饱和度分布采用核磁共振成像设备（苏州纽迈miniMR，主磁场强度0.5T，线圈梯度0.03T/m）测量和成像仪。

（5）环压部分

环压部分是通过循环油泵以及油路背压阀在岩心周围建立起一个沿径向的环压，一般该压力会高于孔隙压力1.5-2MPa。其目的主要有两个，一是为了保证混合流体全部从岩心样品中通过，而不会在实验段和夹持器内壁的间隙流动；二是为了通过加热环压油给岩心提供相对稳定的温度。环压部分采用的是没有核磁信号的氟油，并用热缩管将岩心和氟油隔开。

（6）出口气液分离器部分

系统由出口处的电磁背压阀（Jasco BP-2080-M）控制系统压力。高压混合流体在经过背压阀后回到大气压力，通过气液分离器将液态水和气态二氧化碳分离。同时通过出口气体质量流量计和质量天平分别检测出口处的二氧化碳及水的流量。

图1.1    超临界二氧化碳和水两相实验系统

1.1.2 实验参数测量方法

实验中可以上述实验系统直接测量的主要参数有二氧化碳进口压力、温度，水进口压力、温度，混合流体进出口压力、温度，流体进出口质量流量，混合流体进出口差，实验段中的核磁信号以及核磁成像等。

核磁共振设备是实验中测量孔隙率、饱和度，观察二氧化碳分布的重要实验工具，也是本实验实现可视化基本手段。核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR)通过激发原子核，使其在磁场内共振从而对产生信号量进行。共振频率称为拉莫尔频率，其表达式为：

                                                    （1-1）

其中γ为原子核的磁旋比。在本实验中，核磁设备主要对氢原子进行激发与测量，氢原子的磁旋比为42.58(radžT-1žs-1),核磁主磁场强度为0.5T，一般设置共振频率在23MHz左右，软件将根据实际条件进行调节。实验中岩心夹持器所用的PEEK材料、环压系统中的氟油以及二氧化碳均没有核磁信号，故在核磁范围内只有水中的氢原子可以被激发并测量。通过对核磁信号量的定标便可计算得到岩心中含水量。

同时利用核磁设备还可以得到描述孔径分布的T2曲线，并通过建立三维空间梯度，进行切层定位扫描，实现可视化成像等。

（1）孔隙率及饱和度测量方法

孔隙率Ф可以分别通过称重法以及核磁测量得到，根据定义式有：

                                        （1-2）

其中Vp为岩心孔隙体积，V为岩心视体积，D为直径，L为长度。通过测量岩心基本几何参数及饱水后岩心中含水量计算得到。用称重法测量时，孔隙率为：

                                  （1-3）

其中Msat为岩心饱水后时的重量，Mdry为岩心干燥时的重量，ρw为水的密度。而用核磁测量时需要通过定标得到含水量。

而饱和度Sw根据定义如式2-4所示，可以根据核磁信号量与饱水信号量之间的关系得到。其中Vw为岩心中水占的体积，Vp为岩心孔隙体积，Iw为信号强度，Isat为饱水时的信号强度。

                                  （1-4）

（2）绝对渗透率测量方法

实验采用稳态法测定二氧化碳和水相对渗透率。其理论基础是一维Darcy渗流定律：

                                                     （1-5）

其中Q为流量（m3/s），μ为流体粘度（Pažs），L为多孔段长度（m）)，A为岩心垂直于流动方向的横截面积（m2），ΔP为多孔段进出口压差（Pa）。在岩心饱水后，将岩心放入夹持器后，并把系统压力升至9MPa。用不同的流量注入去离子水，测量实验段两端压差。得到压差与流量关系式以计算绝对渗透率。

（3）相对渗透率曲线实验方法

由于在注入前二氧化碳和水已经在平衡容器内充分溶解，故在实验中假设两相流时互不相溶，且不可压缩。在两相流动过程中，二氧化碳及水的相对渗透率可以表示为：

                                        （1-6）

其中i为水相或二氧化碳相。Kri为该相的相对渗透率，Kei为该相的有效渗透率，Qi，μi，ΔPi分别两相流动时该相的流量、粘度及实验段两端压差。实验中分别控制两相的流量、温度及系统压力，并通过压差计测得压差。通过核磁共振设备测量岩心饱和度，并且观察不同孔隙中的水量变化。由此得到不同饱和度下的相对渗透率曲线。相对渗透率实验测量的方法分为稳态法和非稳态法，本项目采用稳态法进行实验。

（4）毛细压力曲线实验方法

毛细压力是控制多孔中两相流动非常重要的参数之一。根据Young–Laplace方程，可以表示为：

                                              （1-7）

其中σ为流体的表面张力系数（mNžm-1），θ为流体与固体表面的润湿角（°），r为有效半径（m）。而该方程只适用于毛细压力平衡态，即无流动的状态。在多孔中的两相流动一般将其表示为：

                                           （1-8）

传统的毛细压力测量方法主要有半透法、压汞法、离心法等。半透法在样品出口处放置派去压力很大的半透垫片，以达到只让润湿相通过而阻止非润湿相通过的目的。实验时不断增加样品入口处非润湿相和出口处润湿相之间的压差，并记录稳态时非润湿相在样品中的饱和度。这样的测量方法耗时很长，并且测量的压差范围比较有限。压汞法以汞非润湿相，压差范围很大，并且测量较为迅速，但是它对样品具有破坏作用。离心法通过离心作用使非润湿相进入样品，但是饱和度很难准确测量。此外还有学者以水气为参考两相流，测量其毛细压力曲线，然后用Parker等人提出的的方法，通过其他相的表面张力与水气相的系数关系（式1-1）进行折算得到的。而在超临界二氧化碳和水的实验中，上述几种方法都较难很好地并且较为迅速地测量样品的毛细压力曲线。

基于上述原因，Pini等人提出了一种新的毛细压力测量方法，即“入口法”。Pini等认为，当向饱水的岩心中注入一定流量的二氧化碳并且达到稳态后，测得的进出口压力差即为岩心入口处的毛细压力。如图1.2所示，L=0处为岩心入口，而该入口压力与入口处二氧化碳相压力相等，即Pinlet=PCO2。由于水相是润湿相，所以在岩心中会有水层附着在孔隙表面从而使得水相彼此连通。稳态时整个岩心中水相不流动，故可认为整个岩心中水相压力处处相等。如果可以观察到在岩心出口处仍有水的存在，此时可以认为水相压力与出口管路中的压力相等，即Poutlet=Pwater。而在岩心某处的毛细压力Pc= PCO2- Pwater, 故有入口处的毛细压力：

                        （1-9）

Pini等人利用CT进行入口处饱和度测量，从而得到不同饱和度下的毛细压力随饱和度变化曲线。同时，他们还进行了压汞实验，将这种新的“入口法”毛细压力测量方法与传统测量方法进行比较。本项目以Pini等提出的“入口法”毛细压力曲线测量为指导方法，通过核磁共振设备和压差表进行岩心入口处切层饱和度和压差的测量。

图1.2    驱水过程中岩心中两相压力沿流动方向分布

1.1.3 误差分析

本研究所进行的实验主要对流量Q、压差、核磁信号等参数进行测量，同时在后期计算中需要用到物性（黏度μ）、几何长度L及截面积S等参数。流量最大相对误差为0.51％，压差最大相对误差为0.96％，黏度最大相对误差0.56％，几何尺寸最大相对误差为0.04％，毛细压力的误差即为压差的测量误差，最大相对误差为0.96%，绝对渗透率的最大相对误差为1.23％，核磁饱和度最大相对误差为0.23％。

1.1.4 超临界CO2和水迁移过程的分布规律研究

本项目采用均质的Berea岩心作为实验段，采用稳态法测量超临界压力CO2-水相对渗透率，其基本理论依据是一维达西渗流理论，假设两相流时互不相溶并且不可压缩。

图1.3给出了岩心饱和水时核磁成像图，可以看到大部分孔隙都被水占据。特别值得注意的是，当注入比例CO2 : H2O=3:1时，出现了明显的浮升力引起的CO2聚集到盖层下方的情况。此时水相刚达到可以与二氧化碳竞争孔隙的流量。可以发现与束缚水相比，岩心中明显增加了水含量。由于二氧化碳密度小于水，在浮升力作用下会在相对较上的位置流动。

（a）饱和水状态	（b）CO2 : H2O=3:1	（c）驱替端点状态
图1.3     稳态驱替过程岩心中水的饱和度沿流动方向核磁共振成像分布（流动从左至右）

为了更为深入和直观地分析迁移规律和分布情况，本项目采用图像学的方法综合描述空间坐标点和孔隙大小对于超临界CO2和水驱替规律的影响，将空间坐标值、T2值和饱和度描述在一张图上，如图1.4所示。该图表示随驱替过程的进行，实验段沿流动方向8 mm处水的饱和度分布图，可以看出：1）随着驱替过程的进行，各区域中水的饱和度将减少，这是由于超临界CO2将部分水驱替出实验段：2）各区域大孔中水的饱和度低于小孔中水的饱和度，固体表面的亲水性导致大孔中的水首先被驱替出来；3）具体到局部小区域，孔的大小分布差异性也比较明显，这可以从2幅图的颜色分布看出来，这种现象从整体的饱和度图无法研究，因此从孔隙尺度研究超临界CO2和水在多孔介质中的迁移和分布规律具有重要的意义。

（a）CO2:H2O=1:4	（b）CO2:H2O=1:3	（c）驱替端点

图1.4    稳态驱替过程实验段局部饱和度与孔隙大小关系分布图

1.1.5 CO2和水在驱替过程中物理俘获机理研究

图1.5表示总注入流量为2 ml/min和3 ml/min时， CO2与水以不同比例注入情况下核磁共振分析结果图。可以看出：束缚水和自由水的分界点为T2=10 ms。当混合流体中CO2比较多时，T2曲线只有左边一个峰，即自由水比较少；当慢慢增大水的比例时，右边的峰值越来越大，即自由水越来越多。当建立束缚水状态时，自由水基本被超临界CO2驱替出实验段，只剩下束缚水。

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图1.5    驱替过程俘获机理分析图

为了研究注入流量的影响，对两种流量情况下超临界CO2和水在岩芯中的流动进行了研究，并对不同流量的核磁共振分析结果进行了比较。选取了三种注入比例进行研究(19-1、1-1和1-19)，如图1.6所示。随着注入流量的增大T2峰点将左移，由于随着流量的增大，水更容易侵入小孔隙。