第9讲多相流摘要.pptxVIP

第五章 多 相 流 5.1 引言 液体运动不与包气带及水表面以下的水发生混合，是污染水文学一个很重要的方面。这种液体通常称为非水相液体。它们的密度可能比水大（重非水相液体，或DNAPLs）也可能密度比水小(轻的非水相液体，或LNAPLs)。它们可能部分溶于水，因此溶解相和非水相可能同时存在（Schwille 1981,1984,1988）。二相流由水相和DNAPL组成，发生下水面以下（McWhorter和Sunada 1990）。三相流由气相、水以及NAPL组成，一般发生在包气带(Abriola和Pinder 1985a, 1985b) 。 非水相液体运移的基本理论是由研究石油包括水在油藏中的运动的油贮工程师得出的（例，Buckley和Leverett 1942）。这个理论被扩大到包气带，因为大多数非水相液体问题都是由于渗漏和泄露释放到水表面造成的。而且，包气带中的土壤水流可以看作混合相流的一种。 通常LNAPLs包括汽油和柴油。DNAPLs包括氯代烃，如全氯乙烯、三氯乙烯、1,1,1-三气乙烯、煤焦油和木馏油。一些工业应用涉及到矿油中DNAPLs的溶解；合成溶液为LNAPLs，虽然仅从化合物的分子式来考虑，密度就可能比水大。 5.2 基本概念 ★ 饱和度 ★ 表面张力和湿润性 饱和度是指液体所占总孔隙的比例。所有液体（包括空气）的饱和度总和为1。饱和度也可以用百分饱和度来表示。 液体与其他物质接触，如固体、不相混合的液体、气体，将会产生界面能。这种能量是由于液体表面与内部分子吸引力不同而引起的。这种现象称为表面张力。它被定义为分子离开单位面积界面所需要作出的功。 固体表面湿润液体L和非湿润气体或液体G之间的表面张力 三个界面：液体G/固体、液体L/固体和液体G/液体L之间角度和表面张力的关系如下： 和表面张力的关系。 自然界中，饱和带含水层为水-湿，因为含水层是先含有水然后才有NAPLs释放进来。包气带可以为水-湿，也可以为油-湿，在于当油被排出时土壤是湿润的还是干燥的。然而，即使包气带的土壤看起来很干，由于毛细压力土壤中仍然有水。当含水量很低时，水将在接触到的颗粒周围形成摆振环，在其余的颗粒上有薄膜状的水覆盖。这些水尽管不能流动，但它仍然能覆盖着矿物颗粒，使得包气带为水-湿。 ★ 毛细压力 当两种不相混合的流体接触时，接触面将发生弯曲。通过测量每相靠近界面的孔隙压力，发现压力不一样。产生的压力差，就称为毛细压力。毛管压力在包气带为负值。当我们把它视为张力时，则为正值。 计算式为： 毛细压力 湿润相中的压力 非湿润相中的压力 球形毛细面的曲率半径 毛细压力、表面张力和曲率半径有如下直接关系： 毛细压力是多孔介质中空隙空间几何形状的属性，但是不容易用数学来描述。如果我们想知道一个真实多孔介质中的毛细压力，我们必须考虑一个几何已知的类似介质。例如，我们考虑将一个真实多孔介质近似成半径为r的薄玻璃管束。管中毛细压力由下式定义： 在已知的多孔介质中，毛细压力和饱和度之间的关系可在实验室中试验性地得出。右图显示了毛细压力曲线。如果多孔介质开始由湿润液体浸润，湿润液体慢慢取代非湿润液体，导致湿润液体的饱和度下降，结果为排水疏干曲线。随着湿润液体饱和度的下降，毛细压力会负得越多。最后没有湿润液体可以取代非湿润液体了，毛细压力进一步减少。这时饱和值为束缚饱和度也叫做残余饱和度。接下来，我们将强制把湿润液体注入样本中来取代非湿润流。结果为吸水曲线。 二相流毛细压力湿润液体饱和曲线 试验推导的毛细压力湿润液体饱和曲线 （a）中砂含空气和水 （b）中砂含空气和三氯乙烯 （c）细砂含空气和水 （d）细砂含三氯乙烯和水 ★ 相对渗透系数 含水和油的多孔介质中不同的流体饱和度 由于两种流体必须竞争孔隙空间，所以孔隙的有效横截面积比总的面积要小。这导致了相对渗透率概念的出现。相对渗透率在给定饱和度的情况下，流体的固有渗透率与岩石总的固有渗透率之比。相对渗透率在湿润和非湿润相中都存在。 两相系统的典型相对渗透率曲线 如左图所示，在两相油-水系统中，如果含水率小于束缚水饱和度，油能够流动，而水被毛细压力控制住。同样地，当含油率小于束缚饱和度时，水能够流动，而油不能，至少作为一个独立项来说。油滴在水中扩散时仍然能够迁移。 相对渗透率通常由岩心样本的实验室测试所决定的。相对渗透率可能存在滞后效应。这并不奇怪，因为这种效应在毛细压力中也存在。下图显示了实验推