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多孔介质渗透率的确定方法 天大热能 李扬 一、前言 1.什么是多孔介质？ 指多孔固体骨架构成的孔隙空间中充满单相或多相介质。 典型的多孔介质有土壤、海绵、面包、砂岩等。 2.多孔介质都有哪些基本参数？ a.结构参数： 孔隙率、比面、迂曲度等 b.特性参数： 渗透率、水力传导系数、饱和度等 二、渗透率相关概念 1.渗透率定义 表述了在一定流动驱动力推动下，流体通过多孔介质材料的难易程度。 2.渗透率的提出 2.渗透率的提出 2.渗透率的提出 2.渗透率的提出 2.渗透率的提出 渗透率代表了孔隙通道面积的大小和孔隙弯曲程度。 量纲： 渗透系数K：L/T 渗透率k：L2 3.渗透率单位 c-g-s制下，渗透率单位为cm2，工程上常用达西d和千分达西‰d表示，1d≈1μm2。 4.渗透率分类 a.绝对渗透率 b.有效/相渗透率 c.相对渗透率 2.仪器分类 a.定水头渗透仪 b.变水头渗透仪 3.偏离达西定律的情形 a.流速过高时 由于惯性力的大小与速度平方成正比，当流速过高时惯性力对流动的影响将不容忽视，流量Q与水利梯度I间将不再满足达西定律的线性关系。 3.偏离达西定律的情形 b.流速过低时 当流速过低时，将产生一个启动水力梯度，超过这个梯度后才能流动。 3.偏离达西定律的情形 c.滑流现象 达西定律的前提之一是壁面上流体速度为0，但当密度过低时分子自由程与孔隙尺寸相近，每个分子都处于运动状态，称之为滑流现象。 d.离子效应 由于溶液与多孔介质间产生电化学反应致使渗透率发生变化。 2.典型相对渗透率曲线 右图是表示湿润流体和非湿润流体相对渗透率的典型曲线，由图可知只有当湿润流体的饱和度Sw高于其束缚饱和度Sw0并低于非湿润流体的残余饱和度1-Snw0时两种流体才能同时流动。 3.相对渗透率测量装置 右图的相对渗透率测量设备称作Hassler装置，其中在岩样两侧各有一个只允许湿润流体通过的多孔板，测量时在保持压降的基础上通过调整两者的流速等参数绘制出相对渗透率曲线。 四、模拟或间接测定渗透率 前文所述的各种实验方法往往具有周期长、成本高和数据离散等缺点，且实验室环境与样本环境的差别也会造成一定误差，因而发展出许多通过少量参数对渗透率进行模拟预测或间接测定的方法。 1.分形法 已有文献已证明多孔介质的微观孔隙结构具有分形特征，通过理论计算可以得到渗透率与分形维数等参数之间的数学模型。 3.反演法 根据少量已知参数通过各种最优化方法对渗透率进行反演，通常按照模拟地下水位与实测地下水位最为接近的原则来决定各岩体分区的渗透参数。 a.遗传算法 模仿生物进化的机理，通过选择、交叉、变异等操作得出与实际情况最符合的渗透率计算公式。 b.神经网络算法 模仿大脑思维方式，通过分布式信息存储和并行计算不断优化渗透率的计算公式。 4.间接测定渗透率的方法 根据少量已知参数根据经验公式或已有研究结果间接测定渗透率，多用于石油、地质行业。常用的确定方法包括： a.利用渗透率与岩层电阻率的关系 b.利用地震属性 c.核磁共振法 d.利用渗透率与孔隙率等参数的函数关系 参考文献 [1]贝尔．多孔介质流体动力学[M]．北京：中国建筑工业出版社，1983，8． [2]孔祥言．高等渗流力学[M]．合肥：中国科学技术大学出版社，1999． [3]A.E.Scheidegger．The Physics of Flow through Porous Media[M]．New York: Macmillan Co., 1957． [4]Manwart, U.Aaltosalmi．Lattice-Boltzmann and finite-difference simulations for the permeability for three-dimensional porous media[J]．PHYSICAL REVIEW E, 2001． [5]N.D.Ngo, K.K.Tamma．Microscale permeability predictions of porous fibrous media[J]．Heat and Mass Transfer, 2001． [6]罗万静，王晓冬，李义娟．渗透率的常用确定方法及其相互关系[J]．西部探矿工程，2006． [7]丁述基．达西及达西定律[J]．水文地质工程地质，1986． [8]刘晓丽，梁冰，薛强．多孔介质渗透率的分形描述[J]．水科学进展，2003． [9]贝尔．多孔介质流体动力学[M]．北京：中国建筑工业出版