📝 摘要
通过数值和实验研究，对裂缝性多孔介质中的基质-裂缝传质传热进行了深入分析。在四个不同的人工裂缝岩心中安装了薄膜式热通量传感器，用于测量冷水注入过程中裂缝内的温度和热通量。利用实验测得的热通量值计算了对流换热系数。同时，利用裂缝温度数据对基于CMG-STARS模拟器建立的数值模型进行了校准，以评估基质的热物性参数。结果表明，当岩石基质具有更高的热物性（体积热容和热导率）时，裂缝内的温度下降幅度更小。基质-裂缝界面上热通量和温差随时间的变化表明，采用变化的对流换热系数才能更准确地分析基质-裂缝间的热传递。
此外，通过以1 cc/min的流速注入罗丹明B示踪剂溶液（外温70°C），并结合上述数值模型确定了弥散系数。数值模型的敏感性分析表明，与注入速率类似，基质的热物性对基质-裂缝的传质过程也有显著影响。例如，具有较高热物性的岩心，其基质-裂缝界面的温度梯度更大，导致溶质穿透深度更深。这种现象可以用非等温条件下的一种热-质耦合效应——Soret效应来解释。
🖥️ CMG软件应用情况总结
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 所用软件 | CMG-STARS（高级过程与热采油藏模拟器） |
| 模型类型 | 三维笛卡尔网格，双重介质（基质-裂缝）模型，三相多组分热采模拟器，全隐式有限差分数值模拟。 |
| 模拟对象 | 单裂缝-基质系统（人造裂缝岩心）中的热传递（冷水注入）和溶质运移（示踪剂注入）。 |
| 应用方式 | 数值模拟与历史拟合：使用CMG-STARS建立实验室尺度的裂缝岩心模型（尺寸：15×120×26网格，共46,800个网格）。通过历史拟合（History Matching）过程，将模拟输出的裂缝温度与实验测量值进行匹配，从而确定基质的热物性参数（体积热容、热导率）和各向异性弥散系数（Dx, Dy, Dz）。随后利用校准后的模型进行敏感性分析。 |
| 核心模型/方程 | 非等温条件下的热传递模型（能量守恒方程，第5章）和溶质运移模型（对流-弥散方程，第6章），均考虑局部热非平衡（LTNE）假设。 |
| 网格系统 | • 尺寸：15（x方向）× 120（y方向，沿裂缝方向）× 26（z方向，垂直裂缝方向） • 网格细化：基质-裂缝界面附近的网格被细化以精确捕捉传递过程 • 分区：模型分为三个区域——基质（蓝色）、裂缝（红色）和传感器区域（黄色），分别赋予不同的孔隙度和渗透率。 |
| 流体与岩心参数 | 实验岩心为低渗石灰岩（岩心#1, #3, #8, #10），孔隙度、渗透率等基础物性通过实验测量（第3章，表3.1） • 基质渗透率范围：3.79 – 8.83 mD • 注入流体：冷水、罗丹明B示踪剂溶液、微颗粒悬浮液 |
| 井与边界条件 | • 在裂缝的入口和出口处设置注采井，并射孔以强制流体仅通过裂缝流动 • 岩心外表面由水浴加热，设置为恒温边界条件（70°C或90°C） • 径向边界为无流动边界（环氧树脂密封） |
| 模拟时长 | • 冷水注入：30分钟 • 示踪剂注入：300分钟（5小时） |
| 研究参数 | 热传递：注入速率（1-15 cc/min）、外温（70°C, 90°C）、基质热导率、基质体积热容 溶质运移：注入速率（0.25-5 cc/min）、外温（70°C, 90°C）、基质渗透率、各向异性弥散系数、Soret效应 |
| 评价指标 | 裂缝温度、基质-裂缝界面热通量、对流换热系数（局部/瞬时）、示踪剂突破曲线、基质-裂缝界面浓度差、裂缝内浓度分布、基质中残留的示踪剂质量 |
文中明确指出：使用CMG-STARS模拟器构建单裂缝-基质系统的热传递和溶质运移数值模型，并进行历史拟合（第4章，第5.3.2节，第6.3.2.2节）。
🧪 实验与模拟结果
本研究系统地进行了三类流动实验，并结合CMG-STARS模拟进行分析：
1. 热传递（冷水注入，第5章）
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关键发现：基质的热物性（热导率、体积热容）对裂缝内的温度变化有决定性影响。热物性更高的岩心（如#1），其裂缝温度下降更少，意味着对热传递的贡献更大。
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对流换热系数：传统的常系数计算（能量平衡法、解析法）无法准确反映实际情况。本研究基于实验热通量和模拟的界面温差，提出了随空间变化的局部对流换热系数和随时间变化的瞬时对流换热系数，能更好地表征热交换过程。
2. 溶质运移（罗丹明B示踪剂注入，第6章）
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关键发现：溶质从裂缝向基质的穿透深度（与突破曲线形状相关）不仅受基质物理性质（渗透率、弥散系数）和注入速率控制，还受基质热物性影响。
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Soret效应（热扩散）：在非等温条件下，基质-裂缝界面存在温度梯度。该梯度驱动溶质粒子向低温或高温区域迁移。本研究发现，热物性高的岩心（如#1、#8）在较高外温下产生更大的温度梯度，增强了Soret效应，导致更多溶质进入基质，从而降低了出口浓度。
3. 颗粒运移（微颗粒示踪剂注入，第7章）
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结果：微颗粒（1 μm）的穿透速度远快于溶质，突破曲线接近“活塞流”形态。但实验中发现颗粒存在聚集、吸附/粘附在裂缝壁面和传感器上，以及重力沉降等问题，导致无法建立可靠的数值模型进行敏感性分析。
✅ 主要结论
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基质热物性是关键：在非等温的基质-裂缝系统中，基质的体积热容和热导率是控制热传递和溶质运移的关键参数。
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变化的换热系数：基质-裂缝界面的热通量和温差随空间和时间变化，使用单一的对流换热系数是不够的，应考虑局部和瞬时换热系数。
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Soret效应不可忽视：在非等温条件下，温度梯度驱动的Soret效应对溶质运移有显著影响，尤其是在低流速条件下。基质热物性通过影响温度梯度，间接控制了溶质的穿透深度。
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数值模拟的有效性：CMG-STARS能够成功模拟并匹配实验室尺度的裂缝岩心非等温流动实验，为理解和量化基质-裂缝间的热-质耦合传递提供了有效工具。
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微颗粒示踪的挑战：尽管微颗粒示踪在理论上具有优势，但其在实际应用中存在稳定性、吸附