低渗透非达西流的进展.doc

一低渗透非达西流的进展
无论在地下水领域还是石油工程领域以及核废液处理工程中，由于不同原因都存在对地下水污染问题，而研究地下水的污染，需要从渗流方程和溶质运移方程耦合角度出发，才能得到比较理想结果
Hansbo 、Mitchell、Miller 都曾发现低渗透介质中的非达西现象,这些现象包括随着水力梯度的变化渗透率发生明显的变化(即流速与水力梯度呈非线性比例关系) 和所谓的“启动压力梯度”(低于启动压力梯度渗流不会发生) 。“八五”研究表明,低渗透多孔介质渗流曲线表现出非达西渗流特征。吴景春、闫庆来等通过室内实验证明流体在低渗透储层内渗流时,存在非线性段和启动压力梯度。陈永敏通过实验,针对低速非达西渗流曲线普遍近似于线性通过坐标原点的表观现象,用实验数据特征分析的方法,论证了存在渗流启动压力和低速渗流时出现非线性的规律。低渗透介质上界限因工程需要不同而划分不同,即使在同一工程界学者划分的依据也不一样。尽管低渗透介质上界限因不同行业而要求不同,但是资料表明,渗透率越小,非线性特征越明显。
虽然背离达西定律的低渗渗流有很多,但是有一部分是由实验误差或错误造成的。这些实验误差和错误主要包括:测量水力梯度上的错误、细菌和微粒阻塞、泄漏、骨架的变化以及气体的产生和溶解等。当前还有部分学者对低渗非达西渗流的存在还存在异议,认为低渗非达西渗流是由实验误差和错误产生的。他们否认低渗非达西渗流存在的证据有:1) 一些精心进行的试验是达西流[16 ,17 ] ; 2) 所发现的所谓非达西流在类型和量级上都不一致。例如通常认为粘土中的渗流是低渗非达西渗流,存在启动压力梯度(有的高达30) 。但是王秀艳[18 ] 通过实验发现,粘土中的水渗流不存在启动压力梯度和临界压力梯度。王慧明[19 ] 分析了产生这种现象的原因:1) 实验中非达西现象不明显,实验失真;2) 实验者按常规思维把异常现象当误差处理。他提出了两种改善方法:1) 设计能够测量试样中微小流速的方法;2) 在非稳定流试验中开发监测非稳定流压力的新技术。
随着社会的发展,工业、农业和人类生活的中的废弃物逐渐增多。人们已对中高渗透岩石的渗流及裂隙岩体的渗流进行了广泛的研究，而对于低渗透岩体的研究相对较少，随着地下水的不断开采，以往水文地质和地下水领域并不被人注意的低渗透介质逐渐引起人们的重视。研究低渗透介质中地下水及其溶质的输运机理，对于合理开发、保护和利用低渗介质中的水资源，保护生态环境，以及了解多孔介质中物质和能量输运规律有一定的意义。相比一些开采殆尽的高渗透油田，低渗透油田已逐步成为国内投入开发的主力战场。
有效的开发好低渗、特低渗透油田的储量是我国及世界的石油工业长期稳定发展的关键。但是低渗透油气田的开发具有其特殊性，最典型的特点就是其渗流规律不遵循达西定律，具有启动压力梯度，黄延章等学者通过实验分析认为，紧靠在孔道壁的边界层流体，是导致低渗透油藏非线性渗流特性和存在启动压力梯度的主要原因之一。很多学者对低渗透油气田的非达西渗流方程做过大量的研究，也得到了各种非达西渗流方程，但都是将渗流曲线分段或者用近似的线性流来代替，存在许多缺陷。本文在室内单相渗流实验的基础上得出一个比较合理的新的非达西渗流方程，并在该方程的基础上，提出了启动压力梯度存在的判据。

西安石油学院用渗透率为16.2*10-3μm2的人造岩心作单相水渗流实验, 结果如图所示。
低由图看出, 在低渗流速度下, 曲线呈非线性关系, 随着流速的提高, 过渡为线性关系, 流速继续提高, 则转变为紊流非线性关系。该曲线的主要特点是, 直线段延伸不通过坐标原点, 与压力轴相交,而达西型的渗流规律是, 直线渗流段延伸与坐标原点相交。这就是通常所称的,渗透储层具有非达西渗流特征。直线延伸与横坐标交点的压力梯度, 称作“ 拟初始压力梯度”,一般简称为“ 启动压差” 。低渗透层所表现的非达西渗流特征, 初步分析主要是因为孔喉细小孔喉半径一般小于川比面增大, 微观孔隙结构影响增强, 当液体渗流时, 固液界面上的表面分子力和微毛细管力作用强烈。
定不同驱替压差下流体通过低渗透砂岩岩心的渗流速度, 以此来求得流量与压力梯度的关系, 再利用非达西线性渗流曲线反向延长线来求得拟启动压力梯度值(图1)。而非稳态测量法反过来以流体从流动到不流动的压力梯度临界值作为其拟启动压力梯度。

二、低渗非达西渗流模型

由于达西定律表示压力损失完全由粘滞力决定, 而流体在低渗透介质中渗流时的压力损失不完全表现为粘滞阻力, 因此不服从达西定律。同时,由于在渗流开始时, 有效过水断面在不断变化, 而不符合达西线性阻力定律。低渗透介质中不符合达西定律的流体流动称为低渗非达西渗流。低渗非达西渗流的模型与运动方程,不同的研究者通过实验和理论分析,得出了不同的表达。比较有代表性的有如下几种:
1程时清给出了忽略非线性段的存在启动压力
的模型：

2Halex根据启动压力梯度J0 给出如下的表达式：

式中Kn 为低于达西定律下限时介质的渗透系数

3《低渗透多孔介质中新型渗流模型》一文中给出了：

式中a1 、a2 、a3 为参数,s/m.

4阮敏给出了用分段函数表示的运动方程:

式中a1 、n ( n < 1) 是与岩体性质及流体性质相关的
常数; J0 为启动压力梯度; Jb 为拟启动压力梯度; Jc
为临界压力梯度

5姚约东 认为低渗非达西渗流分为三段,并用
同一个式子来表达。

式中渗流指数n 介于0 到2 之间,与流态有关, n =
f ( Re) ; c 是与渗流指数有关的常数,取决于流体及
岩石性质。n = 0 (超低速) ; n = 1/3 (低速) ; n = 1 (线
性段) ,如图1 ( Ⅴ) 所示。

6吴景春认为,所有低渗非达西渗流曲线由三
种基本曲线组成。组合形式有两种。三种基本曲线
为:

式中v 为渗流速度; K 为渗透系数; J 为压力梯度;
a , b 为待定系数,与岩石及流体性质有关; J0 为拟
启动压力梯度; Jc 为临界压力梯度
从上面六种模型可以发现: ( Ⅰ) 是最简易模型,只考虑启动压力梯度,忽略了非线性段的影响,使用起来非常方便; ( Ⅱ) 、( Ⅲ) 模型都只有非线性段,没有线性段,使用起来不大方便; ( Ⅳ) 、( Ⅴ) 、( Ⅵ) 模型既考虑了非线性段,又考虑了线性段,相对于前面三种则要全面一些,后面三种模型又都有各自的特征。

三 一维弥散实验介绍
1、实验目的
加深对弥散现象的理解；熟悉室内一维水动力弥散实验的一般步骤；掌握一维条件下纵向弥散系数的求解方法。（通过电导率沿垂向的大小变化规律，明了示踪剂在纵向的迁移、富集规律）
2、试验内容
熟悉实验装置；绘制C-t曲线；测定弥散系数。（电导稳定后，绘制C-Y曲线）
3、实验装置与用品
（1）实验装置主要组成部分及功能
主体装置见图附1，该装置主要组成部分及功能如下：

A砂柱体长200cm，内径15cm，内盛白色均质石英砂（粘性土？褐土？），模拟含水层（弱透水层）。
B上下游定水头装置，用于控制砂柱（粘性土柱）内渗透流速。
C测压点与测压管读书板 砂柱上每个一定距离设有测压点，它与测压管读数板相接可直接读出测压点的水头（非达西流是否需要测）。
D电极点 每隔10cm有一电极，与电导率仪相通，用于测量电极点处浓度。
E示踪剂注入箱 为一马氏瓶。
（2）浓度检测装置
由电导率仪读出测点浓度。
（3）示踪剂溶液
一般采用NaCl溶液，浓度以实验需要为标准。
（4）量筒、秒表、温度计、坐标纸等。
（5）实验所需记录数据
初始记录：电极号、初始浓度、电极常数、室温、水温、开始时间、结束时间、实验日期。
实验过程记录：时刻、累计时间、电导率、浓度（通过电导率换算）
4．实验步骤
（1）先配置NaCl示踪剂，测出示踪剂浓度与电导率关系曲线；
（2）熟悉一维水动力弥散实验装置及功能，量取有关几何数据；
（3）由下向上逐渐饱和砂柱至稳定；（因为电导率反应NaCl浓度，所以应该先洗涤粘性土柱，防止其余离子对电导率的干扰）
（4）读取测压管读数、流量等，求出渗透系数与实际流速（非达西流没必要？）；
（5）接通电极，校正电导率仪；
（6）测定电极初始电导率、示踪剂及自来水的电导率，记下电极常数；
（7）迅速切断自来水，并供给示踪剂，并记录初始时间，然后由上至下逐个测得电导率值，直到底部电导达到稳定为止;
（8）实验过程中，多次测流量、测压水头及温度。
5.实验资料整理
整理实验数据，作出各电极C-t曲线，抽象出装置所模拟的定解问题，选择适当的方法计算弥散系数。最后提交实验报告。（得出C-Y曲线）