近日，胡冉教授和陈益峰教授提出多相渗流流动效率的快速预测方法，论文发表于Water Resources Research，题目为“Direct prediction of fluid-fluid displacement efficiency in ordered porous media using the pore structure”。兰天博士后为第一作者，胡冉教授和陈益峰教授为通讯作者。
流动效率，也称驱替效率，是多相渗流的一个关键量化指标。从小到微流控芯片中入侵相流体驱替能力的预测，大到石油/天然气开采及二氧化碳地质封存的评估。如何实现流动效率的预测，是水利、能源、地学和环境等方向普遍关注的关键问题。本质上，多相渗流流动效率受到流体-流体界面稳定性的控制，受到介质的几何结构、流体性质和流动条件等因素的影响。
传统预测流动效率的方法，往往存在计算效率低的问题。例如，计算流体动力学方法(CFD)，需要求解纳维-斯托克斯方程来捕捉流体-流体界面的运动，花费十天左右；LBM方法也需要求解纳维-斯托克斯方程来模拟多相渗流过程，由于并行的加速，花费数十小时；孔隙网络方法以孔隙作为单元，对多相渗流过程进行了极大的简化，通过求解哈根-泊肃叶方程模拟多相流体在孔隙网络间的流动过程，花费数分钟。如何实现复杂条件下多相渗流流动效率的快速预测，目前研究还不够深入。
为此，研究团队通过深入理解多相渗流的细观流动机理，发现了流动效率受控于两个方向上的流动行为。他们得出，在径向流动中，流动过程主要受到“跳跃”模式的控制，形成一条狭窄的流动通道；在侧向流动中，渗流过程可以量化为三种模式，即“稳定”模式、“锥形”模式和“筝形”模式。通过定量分析每种模式的形成条件以及对通道宽度的影响，他们提出了一种对流动效率的直接预测方法。
该方法的最大优点在于，规避了传统方法求解纳维-斯托克斯方程和哈根-泊肃叶方程的计算复杂度，而又保留了多相渗流流动机理的本质，进而在保证预测精度的前提下，显著提高了多相渗流的预测效率。通过微流控实验和数值模拟的验证和对比分析，新方法的计算效率由CFD方法的十天、LBM方法的数十小时，孔隙网络方法的数分钟，提高至不到0.01秒。
由于预测多相渗流流动效率的时间复杂度高，目前流动效率的输入-输出样本难以获得。本研究能够低成本、快速地获取多相渗流流动效率的大量样本（108级），进而为基于深度学习的多相渗流预测方法，提供样本支持。本研究还将为区域尺度多相渗流的预测奠定理论基础。
图1. 基于细观机理和流动模式的宏观流动效率快速预测方法
论文链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2021WR031875
