多孔介质多相渗流的基本概念

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