多孔介质多相渗流的基本概念
渗流的基本原理和规律
渗流的基本原理和规律
四、渗流力学课的特点
• 渗流力学是研究油、气、水在油层中的运动形态和运动规律的 科学。
• 由于油层深埋在地下几千米处，看不见，摸不着，形式多样， 结构复杂，故渗流力学的研究以实验为基础，数学为手段。
渗流的基本原理和规律
一、力学分析
• 油、气、水在岩石中流动，必须要有力的作用
1.流体的重力和重力势能
流体由地球吸引受重力，和其相对位置联系起来，则表现
为重力势能，用压力表示：
Pz—表示重力势能的压力，Pa；
Pz gz
ρ—流体密度，g/cm3； z—相对位置高差，m；
g—重力加速度，m/s2。
渗流的基本原理和规律
• 油气层的概念 • 油藏类型 • 多孔介质
渗流的基本原理和规律
一、油气层的概念
• 油气层是油气储集的场所和流动空间，在其中油气水构成 一个统一的水动力学系统，包括含油区、含水区、含气区 及它们的过渡带。
• 在一个地质构造中流体是相互制约、相互作用的，每一局 部地区的变化都会影响到整体。
渗流的基本原理和规律
三、驱动类型
驱动类型不同油藏的开采特征就不同，故鉴别油藏 的驱动类型对油气田开发有重要意义。几个重要的开发指 标：
地层压力：油藏地层孔隙中流体的压力，也称油藏 压力，记为Pe；
井底压力：油井正常生产时在生产井底测得的压力， 也称流压，记为Pwf；
渗流的基本原理和规律
五、本课层物理
渗流力学
油藏工程 采油工程 数值模拟 试井分析 提高采收率原理 油藏保护
渗流的基本原理和规律
六、主要参考书
第七章 多孔介质的渗流
裂缝系统
v1
K1
P1
岩块系统
v2
K2
P2
裂缝和孔隙之间的流体交换主要是在比较平缓的压力变 化下发生的，因此在这个过程中，可以认为窜流和时间无 关系。
窜流的流量主要取决于：
（1）流体的粘度；
（2）孔隙和裂缝之间的压差 P2 P1
（3）岩石的某些特征量，如长度、面积、
体积单位等等。
1）气体是单相渗流的； 2）符合线性渗流运动方程； 3）气体为可压缩的理想气体； 4）岩石的压缩性忽略不计，孔隙度视为常数； 5）渗流过程是等温的。
当 P 2 0 时，上式即变为气体稳定渗流的数学模型： t
2P2 0
3 气体的不稳定渗流
在气体渗流中，压力梯度与渗流速度往往不是线 性关系，即出现非达西渗流。这里仅取由量纲分析 导出的二项式达西渗流，表达式为：
DtDt
为可地以层略去
孔隙度
对于稳定渗流
若流体是不可压缩的
divv 0
ivi 0
vx vy vz 0 x y z
5.3 两相渗流问题
建立数学模型
设油水两种流体同时在多孔介质中流动，且流动服从达西定律。
对于油相的连续性方程为：
D(oS0 )
Dt
odivvo
为两相界面
引入拉普拉斯方程把油相和水相压力联系起来：上的界面张力
Pw
Po
( 1
R1
1 R2
)
R1 , R2为毛细管液
面的主半径
小结：
D(oS0 )
Dt
odivvo
0
D( wSw )
渗流力学知识点总结
渗流力学知识点总结一、渗流基本理论1.渗流的基本概念渗流是指流体在多孔介质中的流动现象。
多孔介质是由孔隙和固体颗粒组成的介质，流体可以通过孔隙和固体颗粒之间的空隙进行流动。
渗流现象在自然界和工程领域都有着广泛的应用，如地下水的运移、石油的开采、地下储层的注水等。
2.渗透性与渗透率渗透性是指单位压力下单位面积介质对流体的渗透能力，通常用渗透率来描述。
渗透率是介质内渗流速度与流体粘滞力之比。
一般来说，渗透性越大，渗透率越高，介质对流体的渗透能力越强。
3.渗透压力与渗透率渗透压力是指多孔介质内部由于孔隙中流体分布不均匀而产生的压力。
渗透压力的大小与介质的孔隙结构、流体的性质、地下水位等因素有关，它是影响渗流速度和方向的重要因素。
4.达西定律达西定律是描述渗透性与渗流速度之间关系的定律，它指出在流体粘滞力不考虑的条件下，渗透速度与渗透压力成正比，与渗透率成反比。
达西定律为渗流理论研究提供了重要的基础。
二、多孔介质渗流规律1.多孔介质的渗流特性多孔介质是由孔隙和固体颗粒组成的介质，它具有复杂的微观结构和介质性质。
渗流在多孔介质中受到许多因素的影响，如介质的孔隙度、渗透率、渗透性等，这些因素决定了渗流规律的复杂性和多样性。
2.渗流方程渗流方程是描述多孔介质中流体运移规律的方程，它通常由渗流方程和质量守恒方程两部分组成。
渗流方程描述了流体在多孔介质中的流动规律，它是渗流力学研究的核心内容。
3.多孔介质的稳定性多孔介质中的渗流现象可能受到介质本身的稳定性限制。
孔隙结构、流体的性质以及渗透压力等因素都会影响介质的稳定性，这对渗流速度和方向产生重要影响。
4.非均质多孔介质中的渗流非均质多孔介质中的渗流现象通常较为复杂，其渗透率、孔隙度、渗透性等参数都可能在空间上呈现非均匀性。
对非均质多孔介质中渗流规律的研究对于实际工程应用具有重要意义。
三、非线性渗流1.非线性渗流模型非线性渗流模型是描述介质非线性渗流现象的数学模型。
1地下水渗流基本概念与基本定律
（4）实际平均流速（Mean actual velocity）是多孔介质中地下水通过空隙面积 的平均速度；地下水流通过含水层过水断面的平均流速，其值等于流量除以过水断 面上的空隙面积，量纲为L/T。记为。它描述地下水锋面在单位时间内运移的距离
，是渗流场空间坐标的离散函数。表示为：
渗流速度 = n 实际平均流速
包括两大类，运动特点各不相同，分别满足于孔隙水和裂隙 岩溶水的特点。 (1) 第一类为地下水在多孔介质的孔隙或遍布于介质中的裂 隙运动，具有统一的流场，运动方向基本一致； (2) 另一类为地下水沿大裂隙和管道的运动，方向没有规律 ，分属不同的地下水流动系统。
地下水动力学
安徽理工大学 地球与环境学院 水资源与规划系
Ch1 地下水渗流基本概念与基本定律
(2) 连通性：封闭和畅通，有效和无效。
(3) 压缩性：固体颗粒和孔隙的骨架具有压缩性。 (4) 多相性：固、液、气三相可共存。其中固相的成为骨架，气相主要分
布在非饱和带中，地下水可以吸着水、薄膜水、毛管水和重力水等形式
存在。 固相—骨架 matrix
气相—空气，非饱和带中
地下水动力学
安徽理工大学 地球与环境学院 水资源与规划系
Ch1 地下水渗流基本概念与基本定律
2、水力坡度[水力梯度]（hydraulic gradient）：在渗流场中大小等于梯 度值，方向沿等水头面的法线并指向水头下降方向的矢量，用J表示。
式中 分别为：
——法线方向单位矢量。在空间直角坐标系中，其三个分量
2、层流与紊流 层流（laminar flow）：水流流束彼此不相混杂、运动迹线呈近似 平行的流动。 紊流（turbulent flow）：水流流束相互混杂、运动迹线呈不规则 的流动。
渗流力学要点整理
过程状况：是等温过程还是非等温过程；
系统状况：是单组分系统还是多组分系统，甚至是凝析系统；
相态状况：是单相还是多相甚至是混相；
流态状况：是服从线性渗流规律还是服从非线性渗流规律，是否物理化学渗流或非牛顿液体渗流。
3.确定未知数和其它物理量之间的关系
运动方程：速度和压力梯度的关系
岩石的状态方程
质量守恒方程（单相渗流的连续性方程、两相渗流的连续性方程）
单相渗流
=
div F=▽·F在矢量场F中的任一点M处作一个包围该点的任意闭合曲面S，当S所限定的区域直径趋近于0时，比值∮F·dS/ΔV的极限称为矢量场F在点M处的散度，并记作div F
两相渗流
油相
=
水相
油、气两相渗流
油相
=
油相
状态方程：物理参数和压力的关系
连续性方程：渗流速度v和坐标及时间的关系或饱和度与坐标和时间的关系：
确定伴随渗流过程发生的其它物理化学作用的函数关系（如能量转换方程、扩散方程等等）
4.写出数学模型所需的综合微分方程(组)
用连续性方程做为综合方程，把其它方程都代入连续性方程中，最后得到描述渗流过程全部物理现象的统一微分方程或微分方程组。
建立数学模型的步骤
1.确定建立模型的目的和要求
解决的问题:①压力P的分布②速度v的分布（包括求流量）③饱和度S的分布④分界面移动规律。
自变量：空间和时间，(x,y,z)或(r,θ,z)和时间t
因变量：压力P和速度v；两相或多相流S分布
其它参数：地层物性参数(如渗透率K、孔隙度ф、弹性压缩系数C、导压系数æ等)和流体的物理参数（如粘度μ、密度ρ、体积系数Bபைடு நூலகம்)
多孔介质中的渗流物理
多孔介质中的渗流物理
多孔介质是指由许多小孔或细微孔道组成的介质。
这些孔道可以是连通的或不连通的。
多孔介质中的渗流物理是指介质内的流体在渗透和流动过程中的物理规律。
多孔介质中的渗流物理涉及到一些基本概念和原理，包括渗流、渗透率、孔隙度、渗透压和达西定律等。
渗流是指流体在多孔介质中移动的过程。
在多孔介质中，孔隙间的连通性和孔隙的大小对于流体的渗透和流动具有重要的影响。
渗透率是指介质对于流体渗透的难易程度，它可以用介质的孔隙度和渗流速度来表示。
孔隙度是指介质中空气或水分子可以自由移动的空间的比例。
渗透压是由于流体在多孔介质中的渗透而产生的压力差。
达西定律是指流体在多孔介质中流动速度与渗透压梯度成正比的规律。
多孔介质中的渗流物理对于地下水资源的开发和利用具有重要的意义。
在地质勘探中，渗透率和孔隙度是评价地下水资源量和质量的重要参数。
在地下水开采中，需要对渗透率、渗透压和达西定律进行研究，以保证水资源的合理利用和管理。
同时，在环境保护领域中，多孔介质中的污染物运移也需要考虑多孔介质中的渗流物理特性，以制定有效的治理措施。
总之，多孔介质中的渗流物理是地下水资源开发、环境保护和地质勘探等领域的重要研究方向，对于推动能源、环保、地质等领域的发展具有重要的作用。
渗流力学1
渗流力学渗流力学，也称为多孔介质流动力学，是关注多孔介质中油气水等流体的运动与物质传输的一门交叉学科。
本文将从渗流力学的基本概念、渗透性与渗流规律、渗流模型及其数学描述、渗透率测定以及渗流在工程领域的应用等方面进行综述。
一、基本概念多孔介质即为孔隙率大于零的介质，多数包括岩石、土壤等。
我们通常所知的原油、水等都是沿着孔隙流动的，因此对于研究油气水等流体在多孔介质中的运动及物质传输，渗流力学便成为了必不可少的工具。
渗流力学研究的流体如下：1.单相流体：包括气体和液体。
2.不可压缩单相流体：流体密度不随流速变化的流体。
3.不可压缩多相流体：指含空气、水和油的混合流体。
4.可压缩流体：长跑中会考虑的空气。
快速均匀地离开多孔介质的流体称之为洁净流体。
二、渗透性与渗流规律多孔介质的渗透性是流体运动过程中一个重要的参数，通常用渗透率（permeability）来表示。
渗透率取决于多孔介质的孔隙度、孔隙分布及孔隙形态。
它反映的是一个多孔介质通过润湿的介质进行渗透时，所需要克服阻力的大小。
渗透流指液体、气体或气体-液体等多相流体沿渗透介质流动，而渗透介质包括孔洞和颗粒。
颗粒通常被认为是刚性球形粒子。
渗透性是多孔介质的透水能力。
它是空隙中液体流动的干扰抵消与力的关系，并通过Darcy’s Law来描述非细长孔径多孔介质的渗透流。
Darcy's Law的一般表述为：q = -K(∆p)/μ其中，q是流体的流量，K是渗透性，∆p是流体受力的压力差，μ是流体的黏度。
此外，根据流量公式Q = S × q，可以计算出平均流速v和渗透系数K’：v = q/SK' = Kμ其中，S是截面积。
三、渗流模型及其数学描述渗流过程通常分为传导和对流两种方式。
1.传导传导表示沿着渗透介质孔隙内的流动。
其过程可以用贾格尔-盖茨方程来理解。
dP/dx = -η(k/φ) dv/dx其中，η是粘度，k是渗透系数，φ是孔隙度，v是流量。
水文地质学基础：渗流的基本概念
7 地下水运动规律地下水在岩石空隙中的运动，可以在饱水的岩层中或非饱水的岩层中进行。
实际生产中提出不少课题，都涉及地下水的运动规律。
地下水运动是发生在岩石或土体空隙中的。
它和地表水流不同，其主要区别是地下水的运动缓慢，运动空间既有水流又有岩土颗粒存在，运动的阻力很大，地下水流在岩土空隙中作弯弯曲曲的复杂运动，研究地下水每个质点的运动情况即不可能又没必要。
地表水流中水质点充满于整个流速场，水流是连续的。
7.1 渗流的基本概念地下水在岩石空隙（孔隙、裂隙及溶隙）中的运动称为渗流。
研究渗流具有以下几方面的应用：（1）在生产建设部门：如水利、化工、地质、采掘等部门。
（2）土建方面:如给水、排灌工程、水工建筑物、建筑施工。
（3）合理开发利用地下水资源（地下水回灌）防止水污染方面。
（4）保持路基处于干燥稳固状态并防止冻害—降低地下水水位。
（5）涉及地下水流动的集水或排水建筑物—单井、井群、集水廊道、基坑、机井、坎儿井。
7.1.1 水在土壤中的状态水在土壤中的状态可以分为汽态水，附着水，薄膜水，毛细水和重力水等类型，其中对渗流起主导作用的是重力水与毛细水。
（1）重力水（Gravitational water）：指在重力及液体动水压强作用下流动的水，是本章主要研究的对象。
重力水与毛细水的界面为潜水面，浸润面（Water table）。
（2）毛细水（capillarywater）：指的是地下水受土粒间孔隙的毛细作用上升的水分。
毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。
7.1.2 土的渗流特性透水性指土壤允许水透过的性能，用渗透系数k的大小表示其透水强弱。
土壤透水性能不随地点改变的土称为均质土（Homogeneous soil）；否则为非均质土（Heterogeneous soil）。
土壤在同一地点的各个方向的透水性能都相同（各个方向的渗透系数相同）的土为各问同性土（Isotropic soil），否则为各向异性土（Anisotropic soil）。
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多孔介质多相渗流的基本概念
前面几节课，我们主要讲述了单相流体渗流的问题，所谓单相流体渗流，也就是只有一相流体参与的渗流问题。
在这里我们主要介绍了，对于多孔介质，我们介绍了达西在1852～1855年通过大量实验得出达西定律。
达西定律是渗流中最基本的定律, 其形式简洁( v= kJ ), 最早是由实验
在(1.4)式中q为单裂隙流量，J为水力坡降，b为裂隙宽度，g为重力加速度，
ν为水流的运动粘滞系数。
那么，什么是多相渗流呢？实际上也就是两种或两种以上的流体在同一介质中流动。
自然界中有许多问题都涉及多相渗流问题，
比如，我们熟知的油气田，在油气田中，孔隙的一部分由油占据，而其它部分由水或气体占据，原油中通常含有大量的溶解气，当地层压力降到饱和压力以下时，溶解气就会从原油中分离出来，从而形成油气两相渗流。
再比如，我们经常遇到的非饱和带水份运移问题，什么时非饱和带，也就是说水没有占据所有空间，有一部分空间被空气所占据。
这样，水和空气就在非饱和带中形成了多相渗流。
还有就是近些年来非常热点的海水入侵问题，当海水入侵到陆地下面的淡水层中会出现咸水和淡水可混溶的两相流渗。
那么实际上，对于油气田和非饱和带这样的多相渗流问题，我们称为不可混溶多相渗流问题，英文叫immiscible.对于海水入侵这样的多相渗流问题，就immiscible.同时也叫solute transport.
下面，我们讲四个多相渗流的基本概念：
1.流体的饱和度
对于多相渗流的饱和度概念，实际上是，单相渗流饱和度概念的推广，当多孔介质的孔隙空间被两种或两种以上流体所占据时，对于一相流体而言，其饱和度为
Si=Vif/Vp
特别地，对于水和油所饱和的多孔介质而言，
随任时刻，水和油的饱和度之和均为1
目前，在实验室中，不破坏被多种流体所饱和的多孔介质条件下，直接测量各相流体饱和度的方法是目前重要的研究课题。
目前，主要有电阻法（），x射线法，数字图像处理方法。
2.湿润性
对于湿润性，我们以前学习单相渗流的时候，并没有涉及到，大家可能感到有点陌生。
实际上，湿润性是一种相对概念，是一种流体与另一种物质相接解时，在穹们之间存在一种自己界面能，这种自由界面能是由于各相内部的分子与接触面处的分子之间的自由能差亿而导致。
通常这种自由界面能是通过界面张力的形式表现出来的。
其实由于湿润性引起的现象在我们生活中无所不在。
比如，早晨残留在树叶上的露水为什么是环状的。
汽车发动机里添加的机油为什么是不能添加水？还有大家生活中，在下雨天穿的冲锋衣材料为什么是防水的？
3.毛细压力
当两种不可混溶的两相流体在毛细管中流动时，通常两相之间的分界面呈弯曲的半月状态，在分界面的两侧流体的压力并不连续。
我们称这种压力的差值叫做毛细压力。
一般用Pc表示
Pc=pnw-pw
对于实际的多孔介质而言，其毛细压力与孔隙空间的几何形状，固体与流体的性质，以及各相流体的饱和度有关。
4.相对渗透率
多相流体在多孔介质中渗流时，其中某一项流体在该饱和度下的渗透系数与该介质的饱和渗透系数的比值叫相对渗透率，是无量纲量。
v = k*i
Kw=Krw/Kw(某一饱和度下的渗透系数与该流体饱和状态下的渗透系数之比)
Knw=Krnw/Knw
对于相对渗透率的实验室测定方法主要有两种，一种是稳态测定法，一种是动态测定法。
稳态实验：将试样用水饱和，然后将油和水按一定比例分别送入试样，当进口与出口处油和水的流量分别相等时，表明试样中，在该比例注入条件下，流体流动达到稳定，此时对于两流体，分别按darcy 公式算出油和水的相对渗透率。
改变油水注入比，重复这一过程，就可获得完整的相对渗率曲线。
动态实验：将试样用某一相流体进行饱和，然后从外部注水驱赶出试样中的油，通过测得试样两端的压力差，驱替相的流量以信出口端驱替相和被驱替的分流量，经过解多相流方程即可获得各饱和度时的两相流体相对渗透率
稳态方法的优点在于各项流体参数在实验过程中测定较简单，结果误差较小，缺点是时间较长
动态测定的方法优点在于实验时间较短，但需对方程求解，实验过程中测定参数比较有难度，结果误差较大。
下一节我们将介绍两种不同的驱替过程
排水过程和自吸过程。