低渗透性多孔介质渗透性能测定评述

本文简要回顾了用于测定低渗透性多孔介质渗透性能的若干方法，着重对影响低渗透性介质渗透性能测定的有关因素进行了分析，指出对于低渗透性介质，目前还未有标准公认的渗透性能测定方法，尚需做大量的实验与理论研究工作。     

多孔介质水油两相系统相对渗透率与饱和度关系试验研究

相对渗透率和饱和度定量关系是多孔介质多相流动系统中重要的动力学参数关系。使用设计的试验装置及试验方法测定了一维砂柱中油水两相动态流动系统的相对渗透率及饱和度数据,由试验结果分析表明:所测得的相对渗透率与实际情况吻合较好;细砂的强亲水性对不同先湿条件下的油、水相相对渗透率及饱和度有较大影响,并造成了不同先湿条件下流体间驱替机制的差异;相饱和度是影响相对渗透率的主要因素,孔隙空间中两种流体的分布方式和流体的饱和历史也影响各相相对渗透率。对试验结果用VGM模型(Parker-Lenhard模型)进行拟合所得结果较好;在水先湿条件下,将van公式拟合毛细压力-饱和度数据所得拟合参数用于VGM模型预测相对渗透率-饱和度曲线,所得结果与VGM模型直接拟合所得结果有差异,但两者所得结果均较好。     

有效压力对低渗透多孔介质孔隙度、渗透率的影响

以低渗透多孔介质为研究对象,通过实验得出孔隙度、渗透率随有效压力变化曲线。研究表明,流体在低渗透多孔介质中渗流时,流固耦合效应十分显著。这是因为低渗透多孔介质的孔隙很小,而孔隙度的微小变化,都会对渗透率产生大的影响,因此低渗透介质随有效应力的变化十分明显。由于流固耦合效应的存在,在低渗透油气藏的开发中,不宜采用降压开采,进行油藏数值模拟时,也应进行油藏流固耦合数值模拟。      

渗透作用下多孔介质中循环浓度污染物的迁移过程研究

根据饱和多孔介质中考虑释放效应的一维渗透作用的可溶性污染物的迁移控制方程,通过Laplace变换和Fourier变换及其逆变换求得相应的通解形式。根据半无限体表面可溶性污染物点源注入情形下的基本解,通过积分方法得到半无限体表面圆形区域上作用循环浓度污染物后,在多孔介质内部污染物迁移过程的求解方法。作为一个典型算例,对渗透作用下循环浓度污染源引起的多孔介质中的迁移过程进行分析。算例表明,当污染源浓度为周期变化时,多孔介质内部污染物的浓度随时间增长由不稳定的周期变化过程逐渐过渡到稳定的循环过程,而某一深度处污染物浓度的相位则相应滞后。此时,稳定后的污染物浓度周期与污染源浓度周期相同。实际上,随多孔介质表面污染源浓度的周期变化,在靠近多孔介质表面一定深度范围内的污染物浓度在深度方向也呈增大或减小的交替变化过程。另一方面,在污染源循环变化过程中污染物不断向深处推进,而最终其影响范围限定在某一深度内。     

渗透变形过程中临空面表层土体渗透特性变化试验研究

在堤基管涌发展机制的研究中,需考虑管涌通道四周破坏扰动松散层的影响。目前针对松散层渗透特性变化的定量试验数据较少。基于此,通过一维垂直向上渗流作用下均匀砂的渗透试验来研究临空面表层土体的松散过程和渗透特性变化情况。砂样垂向渗透变形发展过程中伴随着临空面表层土体松散破坏和松散层逐渐向深部扩展的过程。通过分析砂样沿程水头分布的调整变化情况得知,松散表层土体的渗透系数分布呈突变形式,即临空面松散薄层的渗透系数远大于其下松散砂层的渗透系数。由此类推,管涌通道边壁四周松散薄层的渗透系数远大于砂样整体渗透系数,松散层的存在使得管涌通道尖端坡降并不会达到很大值。这一点认识对管涌发展机制的研究至关重要。     

地下结构混凝土渗透特性试验研究

根据地下结构承受水压及构件存在裂缝的情况,采用自制混凝土试块模具、自制可控开裂混凝土装置、自制可控压力水头装置、裂缝测宽仪组成的试验系统,在不同水压、氯离子浓度、裂缝宽度以及浸泡时间等工况下进行了开裂混凝土渗透特性试验。试验结果表明：当其他试验条件相同时,压力水头下与自然浸泡状态下的氯离子运移规律有明显的差异,压力水头作用下混凝土各层自由氯离子含量均有明显的提高;存在控制氯离子浸泡溶液运移的裂缝宽度阈值,且该阈值不受水头压力大小的影响。该试验方法可作为同类研究的借鉴和参考。     

砂土介质注浆渗透扩散试验与加固机制研究

设计了一套可视化砂土介质恒压注浆渗透扩散与加固模拟试验装置。选用普通硅酸盐42.5水泥（OPC）、超细硅酸盐水泥（MC）、超细硫铝水泥（MSAC）及自主研发材料（EMCG）,对砂土多孔介质进行了注浆渗透扩散与加固试验。研究了细砂土体不同浆液、注浆压力工况下扩散距离、注浆量随时间变化规律,以及不同浆液、砂样级配及注浆压力对加固效果影响。采用极差分析法确定了加固效果主控因素,获得了加固体宏观破坏模式,通过SEM分析了岩-浆界面微观加固模型,揭示了不同材料加固效果差异的本质原因。研究结果表明：注浆材料与颗粒质量分数主导着细砂土体可注性,注浆压力对可注性提高程度不大,EMCG可注性最强,MC、MSAC次之,OPC最差;在完全可注情况下,砂样级配越细,加固体强度改善效果越明显;EMCG材料加固体7、28 d强度明显高于MSAC、MC、OPC加固体;EMCG的7 d加固体强度达到28 d参数70%以上;注浆材料主导着注浆加固效果,EMCG对不同级配砂土体注浆加固效果显著优于其他水泥类材料,OPC最差;注浆后EMCG浆-岩界面生成的致密C-S-H凝胶体能够有效提高胶结强度。最后从注浆材料选型、注浆过程控制、钻孔布置方面对砂土层渗透注浆设计方法提出了工程治理改进建议。     

破碎煤体渗透特性的试验研究

破碎煤体的渗透特性是影响煤矿瓦斯抽放和地下采空区突水灾害预防的重要因素之一。利用一种专用的破碎岩体压实渗透试验装置,在MTS815.02岩石力学伺服试验系统上完成了破碎煤体压实过程中的渗透特性测定,得到了破碎煤体轴向应力、渗透压差、水头梯度与渗流速度的关系,并分析了各种粒径破碎煤体在不同渗透速度下轴向应力对渗透系数的影响。研究表明,(1) 不同粒径破碎煤体的渗透特性与其压实状态密切相关,轴压从5～15 MPa变化时,渗透压差的最大值增加了3.28～166.47倍,渗透系数都相应降低了1个量级以上;(2) 在恒定的渗流速度下渗透压差随轴压变化的规律近似呈指数函数关系;(3) 渗透系数随轴压变化的规律近似呈对数函数关系;(4) 恒定的轴压下水头梯度随渗流速度变化的规律近似呈指数函数关系。     

论岩体的渗透特性

从岩体结构的控渗作用出发, 可将岩体的渗流介质划分为多孔介质、准多孔介质、面状流不连续介质及脉状流不连续介质四类;论述了岩体复杂的渗透特性, 包括渗流的不均匀性、各向异性、非饱和性及渗流与变形的耦合等问题。文中还对岩体渗流分析的技术思路进行了讨论。     

多孔介质中非均匀流动特性的染色示踪试验研究

通过土壤染色剂进行的4组试验,对不同介质结构条件下的水流和溶质非均匀运动规律,非均匀流动变异信息分布特征关系以及全局性非均匀流动示踪方法进行了研究。结果表明,即使在相对比较均匀的介质条件下,流动也表现出明显的非均匀特性;对数正态分布能够较好的反映水流的运动分布模式,相比水流运动,溶质的运动和分布规律明显不同,表现出更多的不确定性和变异性。     

多孔介质中水泥浆三维锋面特征研究

深层渗滤效应普遍存在于多孔介质的渗透注浆过程中,并起着非常重要的作用。基于质量守恒方程、线性滤过定律、渗流连续性方程及Darcy定律,建立了水泥浆三维锋面的理论模型;通过现场试验,研究了水泥浆三维锋面扩散运移及沉积层渗透系数的变化规律,并将试验值与模型理论值进行了对比分析。结果表明,沉积层渗透系数随水泥浆锋面的扩散运移动态变化;当注浆压力恒定时,水灰比越小,深层渗滤效应越显著,浆液扩散距离相应越短;相同扩散距离时,受重力效应的影响,注浆点源之上的沉积层渗透系数大于注浆点源之下的沉积层渗透系数;浆液扩散距离及固定位置处的沉积层渗透系数均与水灰比呈正相关。研究成果可指导工程设计,具有一定的实际应用价值。     

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。     

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%。     

多孔介质中非均匀流动模式信息特性聚类分析

研究了多孔介质中非均匀流动描述方法和流动模式信息特性。依据流道宽度分布信息,对4组染色示踪试验的垂直剖面流动区域进行水平分层,将流道统计信息作为变量,对水平层进行系统聚类分析。结果表明,染色比例和染色区域内流动通道宽度分布是流动聚类分区的主要影响因素。聚类数目为3和8情况下,能够最为有效地表征非均匀流动模式。以垂直方向流动为主,且流动通道连续的情况下,流动分区主要包括全局性均匀流、局部均匀流、均匀流向非均匀流过渡区,以及优先流区。水平方向流动特性较为显著的情况下,则存在多个均匀流向非均匀流动的过渡区。     

应力-渗流耦合三轴渗透试验系统研制及其在充填介质渗透特性试验中的应用

为研究充填介质在赋存条件下的渗透、力学特性及其破坏机制,改进研制了大比尺三轴应力-渗流耦合试验系统,开发了三维应力-渗流耦合压力室,进行了完善的密封和加载系统设计。系统具备自动化轴压加载、围压渗压加载、涌水涌砂量采集和多元信息并行监测等功能,该套装置可针对大尺寸、不同规格岩溶管道和裂隙还原其在原始地应力状态下进行渗透性及相关力学试验研究。围压、渗压值可分别加到2 MPa和5 MPa,轴向荷载最大可加到300 kN。光纤技术、电阻元件柔性防水技术和自动化数据采集分析系统的应用,实现了水环境下试件内部渗压、应变的精确采集和分析。在试验系统的基础上,开展了赋存环境下充填介质渗透特性试验研究,分析了充填介质类型、渗流路径、管道断面形状及应力条件4种因素对渗透特性的影响及充填介质的响应特征,揭示了充填体稳定性和渗透性的变化规律。该装置解决了小水力梯度及赋存条件下的充填介质渗透特性和力学性质试验研究技术难题,具有重要意义。     

应用主成分分析法研究渗透介质的渗透稳定问题

结合国内多个水电工程的大量渗透试验数据,在多维系统中选择了5项指标:干密度、孔隙比、不均匀系数、渗透系数和临界坡降,采用多元统计中的主成分分析法进行聚类, 运用回归分析建立了砂性土、砂卵石土、断层带物质三类渗透介质的渗透模型.将所建立的断层带物质渗透模型应用到单薄山梁断层带的渗透稳定分析预测上,得到了模型计算结果与渗透试验所得结果相一致的结论,说明主成分分析法在渗透稳定分析中具有一定的适用性.     

开展对低渗透介质的水文地质学研究

低渗透介质水文地质学研究还处于萌芽状态,本文就其研究的主要内容提出了建议并进行了讨论     

关中平原湿陷性黄土渗透特性试验研究

黄土的湿陷性和渗透性相互影响,黄土的湿陷是由水的渗透浸润引起的,而渗透特性又直接决定着湿陷的发生和发展。本研究采用现场双环渗透试验以及原状样室内变水头渗透试验,对关中平原湿陷性黄土渗透特性进行了研究。研究发现黄土的结构、构造以及土体成分是影响黄土渗透性的重要因素,黄土的干密度和孔隙比对其渗透系数影响较大,黄土湿陷后,渗透系数明显变小。现场渗透试验测得的非饱和渗透系数大于室内试验测得的饱和渗透系数,现场渗透试验更贴近于工程实际。     

深部岩体多孔介质流变模型的研究

考虑到传统流变模型在反映载荷水平影响和描述加速蠕变阶段方面的缺陷,在改进传统流变元件模型的基础上,引入非理想黏性元件,建立了在数学上能体现载荷水平影响并能描述加速蠕变的新的改进流变模型;同时从定义出发,考虑到孔隙度的动态性,对孔隙度和通用有效应力公式进行修正;鉴于岩体的孔隙性和不均匀性,把岩体看作多孔介质,应用多孔介质理论中的有效应力代替改进岩土流变模型中的恒应力,计入温度和孔隙压的影响,最终建立了深部（高温度、高地压和高孔隙压）岩体多孔介质流变模型。     

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。