多孔介质渗流力学理论研究现状及发展趋势

多孔介质广泛存在于地下岩土结构、工程材料、生物体中,由于多孔介质微结构的复杂性,多孔介质渗流问题受到广泛关注。总结介绍了多孔介质渗流理论在国内外的研究现状,对多孔介质的描述、渗流问题的研究方法以及多孔介质中溶质运移、热量运移以及数值模型等方面的研究进展作了评述,并就多孔介质渗流理论在环境、农业、生态等领域的应用与发展方向提出看法。     

介质润湿性和非均质性对重非水相运移影响孔隙尺度机制研究

重非水相(DNAPLs)是地下水常见的有机污染物,理解其运移机制对于污染物修复具有重要意义.为解释实验中多孔介质润湿性对DNAPL的流动速度及残余饱和度的影响,使用多相流相场法,在构造的二维孔隙中模拟DNAPL液滴的下落过程.结果表明:模拟能准确刻画多相流界面的不稳定性,重现与实验室尺度相似的现象.文章提出的双界面模型...     

断裂多孔岩石中的复杂反应流体动力学

:断裂多孔介质中的流体流动和组分输运过程对于理解金属成矿过程、油气运移、污染物质的输运和分布十分重要 ,近 2 0年来得到了广泛的研究。文中综述了这一领域的进展 ,涉及断裂多孔介质中的流体流动和组分输运的连续介质模型、多孔介质和断裂多孔介质的渗透率关系 ,特别是重点介绍了渗滤理论及其在断裂多孔介质中的流体流动和组分输运中的应用     

多孔介质油水两相k~s~p关系数学模型的实验研究

数学模型是研究相对渗透率与饱和度关系曲线的重要方法。采用自行开发设计的人工平面多孔介质模型,测定了相对渗透率与饱和度的关系曲线。多孔介质选择粒径为0.5~1mm、1~2mm的标准砂,纯净的水为湿润相,用3号苏丹红染色的93#汽油为非湿润相,组成多孔介质油水两相流动系统。采用Van Genuchten and Mualeum(VGM)和Brooks-Corey-Burdine(BCB)两种数学模型计算相对渗透率与饱和度的关系曲线,通过比较两种数学模型计算结果之间和模型计算结果与实测结果的差异以及模型的应用、多相渗流系统自身特征,得出VGM、BCB两种数学模型计算结果符合实际情况,VGM模型应用过程更为简便,但VGM模型具有一定适用条件;在砂性多孔介质中,BCB模型计算相对渗透率与饱和度关系曲线更准确。     

多孔介质两相系统毛细压力与饱和度关系试验研究

两相系统毛细压力-饱和度(h~S)关系曲线的确定是多孔介质多相流动研究的基础。采用简易试验装置对理想和实际介质中水-气和油-水两相系统中的h~S关系曲线进行了测定。试验结果表明,对于相同两相系统,多孔介质孔隙度愈小,同一毛细压力对应的饱和度相应愈大;对于不同两相系统,理想介质的关系曲线在一定毛细压力以下平缓,较大毛细压力时陡直,实际介质关系曲线走势相对较陡。分析结果表明,水-气和油-水两相系统的实测数据符合Parker等提出的基于van Genuchten(1980)关系式的折算理论;应用折算理论,可以在同一多孔介质某一两相系统h~S关系已知的情况下较好地估计同一孔隙度条件下其它两相系统的h~S关系曲线。     

多孔介质微观孔隙结构三维成像技术

详细介绍目前国际上最先进的多孔介质微观结构三维成像技术,包括系列切片技术、聚焦离子束技术(FIB)、激光共聚焦扫描显微镜、Micro-CT技术,分析了各自的优越性及局限性,探讨了Micro-CT技术的应用现状及其在地质学领域的应用前景.分析结果表明,Micro-CT及今后的Nano-CT技术是一种无损伤的3D成像技术,不但可获得足够分辨率的多孔介质微观孔隙结构3D图像,而且还可以现场实时检测孔隙中流体的渗流状态,在多孔介质孔隙结构及渗流机理研究中具有重要的应用价值.该技术必定成为今后的主流技术,不仅将在石油工程、水文工程等领域发挥重要的作用,而且还将广泛应用于岩石学、矿物学、古生物学、材料学、资源科学及环境科学等领域.该技术的研究和应用在我国还处在起步阶段,应加大设备引进和研究力度.     

基于分形理论的赫巴流体在多孔介质中的渗流模型

泥浆是一种用途广泛的工程浆液，在工程施工过程中会渗流进入地层，给工程带来一定的影响。为深入研究泥浆的渗流机理，把地层模拟为多孔介质，泥浆模拟为能更全面地反映其流变性能的赫巴流体，基于分形理论，建立赫巴流体在多孔介质中的渗流模型。基于渗流模型计算结果，详细分析压力梯度、流性指数、稠度系数及孔隙率等参数对多孔介质中赫巴流体瞬时平均流速的影响，指出流速变化与压力梯度、流性指数及稠度系数的变化均呈幂指数关系，与孔隙率变化呈二项式关系，且流性指数是一个影响赫巴流体渗流速度的极敏感因素。渗流模型计算结果为相关工程中泥浆方案的设计与施工奠定了一定的理论基础。      

多孔介质中毛细压力、饱和度和相对渗透率的确定方法

目前石油溢出或者地下储油罐泄漏等原因引起的土壤和地下水非水相流体（NAPLs）污染问题越来越引起人们的关注，由NAPLs、水和气所组成的两相或三相系统中的多相流问题亦是当前的研究热点。其中毛细压力（h），饱和度（S）和相对渗透率（k）是多孔介质多相流研究中的三个重要参数，在多相流室内试验研究中是主要的物理监测量，而且三者之间基本关系式的确定是多相流模拟时进行流动控制方程求解的前提条件。本文从室内试验和模型关系两个方面综述了土壤中NAPLs、水和气所组成的多相流系统中毛细压力、饱和度和相对渗透率以及它们之间相关关系的确定方法。     

多孔介质中水气交替注入微观渗流模拟

针对水气交替注入(water-alternating-gas,WAG)过程中,油气水三相渗流的微观机理认识不足和油气水三相流体在多孔介质中分布规律认识不准确等问题,基于三维孔隙网络模型,应用孔隙级模拟方法,从微观角度模拟了不同润湿性多孔介质中的WAG驱替过程.结果表明:连通性较好的多孔介质中,原油主要在前两轮的WAG循环中被驱替出来;在前两轮WAG驱替之后,流体饱和度和分布规律达到比较稳定的状态,但在完全水湿模型中油相仍然在多孔介质中流动.得出的WAG驱替过程中各相流体饱和度的变化规律、各相流体分布规律和驱替类型,较好地阐述和解释了多孔介质中的微观驱替机理.     

当代地下水科学面临的新问题(下)

4．等价的多孔介质性质裂隙网络中溶质机械弥散研究的基本问题之一,是要确定一个把给定的裂隙系统处理为一个等价的均质的多孔介质连续体的方法。在多孔介质中,达西定律通过处理多孔介质为等价的连续体介质而使得计算介质中的宏观流量成为可能。等价多孔介质的流体运动特点可以用两种方式来分析。首先根据图12上的边界条件所构成的流场为等价的多孔介质性质进行单独的计算。然后,方向流动由在不同方向上的综合流动结果来分析。在多孔介质中,各向异性的特点可以根据唯一的渗透系数向量来计算。     

多孔介质粒径变异系数对污染物运移的影响

多孔介质污染物运移对于明晰地下水污染很重要,但在多孔介质中粒径变异系数(coefficientofvariation,COV)对内部微观孔隙结构中污染物运移过程影响的研究还存在不足.为此,基于随机算法,提出了一种不同COV且孔隙度一致的多孔介质几何模型构建方法,通过对Navier-Stokes(N-S)方程和对流-扩散方程(advection-diffusion equation,简称ADE)进行耦合求解得到多孔介质地下水流场及污染物浓度场,引入克里斯琴森均匀系数,定量评价流场流速分布的均匀性,基于MIM(mobile and immobile)模型和ADE模型分析耦合求解得到的穿透曲线特征.结果表明：随着粒径COV的增大,流场流速分布的不均性增强,MIM模型中的溶质流动区域占比β、无量纲传质率α^*均增大;MIM模型拟合优度高于ADE模型,且随COV增大,ADE模型的拟合全局误差Ei逐步增大.总体上,粒径COV控制了溶质流动区域和非流动区域的大小及其之间的溶质交换强度,造成了多孔介质内部溶质运移的“非费克”行为,使得ADE模型的误差逐步增大,对于较大COV的多孔介...     

水下砂土层非线性动力反应的直接差分法

应用多孔介质动力学进行了水下的砂土地层的动力反应分析,水下砂层可以看作是多相介质,孔隙水是可压缩的,土壤采用了非线性本构,考虑了砂土的刚度退化和剪胀性及土水相对运动等因素,并研究了多孔介质波动模拟的边界条件,建立了水体下地层平面动力非线性动力反应的直接差分法,直接求解水体的压力和饱和土层的动孔隙压力,可以进一步分析水下砂土地震液化问题。     

非饱和土热湿耦合传输问题的数值解——理论及一维问题的解

本文介绍了求解非饱和土壤中热量和水分耦合传输问题的一种数值方法——积分有限差分方法(IFDM)。基于菲利普-迪弗瑞斯(Philip-De Vries)多孔介质热湿耦合流动模型,采用积分有限差分方法,编制了求解热湿传输问题的计算程序 HM1,该程序可用于求解各类工程中遇到的多孔介质一维传热传湿问题。文中还给出了计算结果与实测结果相比较的实例。     

冰点下多孔介质中甲烷水合物的生成特性

冰点下水合物在多孔介质的生成是一个复杂的多相转化过程,为了研究冰点下多孔介质中水合物生成过程的水相转化率、气体消耗量与稳定压力等生成特性,在定容条件下,进行不同孔径与粒径的多孔介质中甲烷水合物在冰点下的生成实验。所使用的多孔介质平均孔径为1295 nm、1796 nm和3320 nm。研究结果表明：水合物生成结束时水的转化率随着初始生成压力的增大而增大,随着温度的升高而降低,随着孔径的增大而增大;在相同的孔径下,多孔介质粒径的增大降低了水合物的生成速率但对最终气体消耗量没有影响;在相同的温度下,随着初始生成压力的增大,实验最终压力、气体消耗量与最终水的转化率均随之升高;温度越高,不同的生成初始生成压力下体系的最终稳定压力与水的转化率相差越大;在多孔介质的毛细管作用力与结合水的共同作用下,冰点下水合物生成的水的转化率会大大地降低。在本实验条件下,水相转化为水合物的比例最高为32.39%。     

毛细管渗流模型在黄土渗透性中的应用探讨

黄土作为一种典型的多孔介质,多孔性是其重要特性之一。多孔性不仅影响着黄土的物理力学及化学特征,也严重影响着黄土的水理性质,特别是黄土的渗透特性。然而,作为多孔介质渗流理论的经典模型——毛细管模型,已经广泛应用于油气田开采、煤成气开采以及岩土工程等领域,但将多孔介质渗流理论模型引入表征黄土的多孔构造,这方面的资料尚欠缺。因此,本文以黄土的渗透性作为研究示例,在总结分析目前相对较为成功的多孔介质毛细管渗流模型的基础上,选取适于定量表征黄土渗透性的渗流模型,结合计算结果和渗透试验结果的对比,探讨将多孔介质毛细管渗流模型引入描述黄土渗透性这一方法的适用性。并提出孔隙的“香肠”构造（或称为“莲藕”构造）,为黄土的渗透性研究提供可借鉴的理论依据。     

多孔介质中含均相/非均相反应传质过程数值模拟

结合化学反应方程式,并应用多孔多相介质溶混污染物输运过程的数值模型,对多孔多相介质中含均相/非均相化学反应传质过程进行了数值模拟。化学反应主要包含均相快速/慢速和非均相快速/慢速等5种化学反应过程,溶质输运行为的控制机制主要考虑对流、扩散及降解、吸附等。基于原有的隐式特征线Galerkin离散化的有限元方法,求解模型控制方程的边值初值问题,求解过程中把均相化学反应物质中按照反应物和生成物分开,非均相反应物质按照固相和液相分开,对均相反应物及非均相液相物质浓度耦合求解,而均相生成物和非均相固相物质独立求解。使方程组按照其不同类型进行分类,同时可减少未知数的个数。对于含有非线性内状态变量的右端项进行迭代求解。数值例题结果验证了所提出的数值方法的有效性、计算精度和稳定性。     

轻非水相液体在地下环境中的运移特征与模拟预测研究

通过自行设计制备的二维砂箱模拟轻非水相液体(LNAPL)在湿润多孔介质中的渗漏,得出LNAPL在地下环境中的入渗、迁移及分布规律,并利用多相流体理论对其污染机理进行分析.在实验基础上建立模型来预测渗漏的基本特征,即渗流带中污染锋面扩展速度和透镜体的最终形状,预测结果与实测结果较为接近.这种预测模型对控制和治理地下水中LNAPL污染是至关重要的.     

多孔介质中悬浮质的淤塞作用对悬浮液渗流动态的影响

定量地预测悬浮质在导水介质里流动过程中的淤塞作用及其对浆液流动动态的影响有助于合理地设计注浆工艺和控制注浆过程。表述悬浮质在多孔介质中的淤塞作用及其对流动状态的影响的数学模型由三个微分方程组成,即:悬浮质运移方程、悬浮质沉淀动态方程和悬浮液流动方程。用有限差分法对定流量和定边界水位差二种条件下多孔介质中一维流悬浮质淤塞问题的求解结果证明:由于淤塞作用,悬浮液在多孔介质中的流动总是呈非稳定流,并且随着时间的变化,在定流量条件下,流场中水力梯度逐渐增大;在定边界水位差条件下,流场中的流量则逐渐减小。      

混合润湿孔隙介质中油自吸实验研究

混合润湿孔隙介质普遍存在, 使得多相流体渗流过程十分复杂, 但对其研究和认识至今仍很肤浅, 是油气运移成藏、剩余油气分布等方面研究中必须解决的关键难题。本文通过对饱和水的混合润湿模型进行油自吸实验, 观察不同混合润湿程度条件下油自吸运移过程, 分析认识混合润湿孔隙介质中多相渗流的机理。实验结果表明, 在混合润湿孔隙介质中油是否能够自发地运移与介质中亲油颗粒的比例关系密切, 但并非简单的单调变化关系。研究认为, 亲油颗粒与亲水颗粒随机分布, 导致多种与喉道配位颗粒的亲油-亲水关系, 当亲油颗粒比例占优才表现为亲油喉道。机理上, 混合润湿孔隙介质中油自吸运移的发生与否及程度取决于亲油喉道在空间上的连通程度, 后者与孔隙介质中亲油颗粒比例相当。仅有当孔隙介质中亲油颗粒足够多, 且组成的亲油喉道能够相互接触形成连续亲油通道时, 油才能够通过自吸运移进入多孔介质。     

储层流固耦合的数学模型和非线性有限元方程

根据饱和多孔介质固体骨架的平衡方程和多孔介质中流体的连续性方程,建立了储层流固耦合数学模型。模型中引入了Jaumann应力速率公式描述多孔介质固体骨架的大变形效应,并考虑了地应力、初始孔隙压力、初始流体密度和初始孔隙度对耦合模型的影响。基于与微分方程等价的加权余量公式,在空间域采用有限元离散,对时间域进行隐式差分格式离散,导出了以单元节点位移和单元节点孔隙压力为未知量的储层流固耦合的非线性有限元增量方程。该模型在石油工程中有广泛的应用,为储层流固耦合的数值模拟奠定了理论基础。