① 孔隙介質中流體滲流-組分擴散-化學反應耦合過程的動力學
岩石、土壤和疏鬆沉積物(下面統稱為固體介質)均可以視為孔隙介質或多孔介質。孔隙介質中的流體滲流-組分擴散-化學反應耦合的動力學系統是最常見,也是最重要的地球化學動力學系統。微細裂隙可視為孔隙度和滲透率較大的孔隙區帶。現在見到的較大裂隙系統,如脈型礦床系統,可能是在漫長的地質歷史中隨著礦脈的充填逐漸擴張的,可近似地處理為高孔隙度和滲透率的區帶。對於地下溶洞、地表溪流和江河內營養元素和污染元素的遷移富集的環境則不能視為多孔介質。
多孔介質中熱流體滲流、化學組分擴散和反應的動力學體系可表示為:
地球化學
上述式中v為孔隙流體的實際流速,q為滲透速率,v=q/φe,φe為有效孔隙度,即連通孔隙度;κ=κ/μ,κ為滲透率系數,μ為流體的粘度系數;g為重力加速度;ρ為流體總密度;z為垂直方向上的坐標;p為流體內壓力;t為時間;T表示流體的溫度;CE=(1-φ)cmρmφCfρ,為等效熱容,cm、cf分別為多孔介質和流體的比熱,ρm和ρ則分別為多孔介質和流體的密度,φ為介質總孔隙度;同樣,κE=(1-φ)κm+κφf為等效熱傳導系數,κm、κf則分別為多孔介質和流體的熱傳導系數;a代表熱源(或匯,即去向、聚集區、匯聚區)的強度,如放射性蛻變熱、化學反應熱等,無熱源或匯時a=0;ci、Di和Ri分別代表流體中組分i的濃度、擴散系數和單位時間單位體積內由於流體中或流體與圍岩介質反應所導致的組分i的生成(源)或損耗(匯),當主要為溶解-沉澱反應時,Ri的表達式參見式(4.127);ρ0為當流體溫度為T0、組分濃度均為零(純水)時流體的參照密度,α為熱膨脹系數,βi為組分i的溶質膨脹系數。
式(4.129a)表明體系內流體速度的散度處處為零,這是不可壓縮流體的質量守衡定理的數學表述。式(4.129b)是滲透定律的微分形式,即滲透速率q的大小與水頭梯度呈正比,但方向相反,由高水頭流向低水頭;水頭由流體內壓力p和流體的重力勢gpz構成。式(4.129c)表明流體微團內熱能隨時間的變化率,可歸結為熱對流項▽·(ρqcfT)、熱傳導▽·(κE▽T)和熱源項。熱對流項前面的負號表示速度梯度方向(由低流速指向高流速)為「流出」方向,導致熱的減少。式(4.129d)為流體內組分守恆表述式。組分濃度的變化率同樣可歸結為對流項▽·(qci)、擴散項▽·(φDi▽ci)和反應項。式(4.129e)為流體本構方程,說明流體密度隨溫度的增大而減小,隨溶解其中的組分濃度的增大而增大。
當測定了待研究系統的各種動力學參數,如孔隙度、滲透率、擴散系數等,並確定了初始條件和邊界條件後,即可應用有限元、有限差分等數學方法進行計算機編程和求解,稱為計算機模擬。
地質流體輸運-反應過程動力學是地球化學動力學的一個十分重要的方面。各種地球化學作用的動力學過程雖千差萬別,但幾乎均與流體的運動(或稱輸運)和流體與介質(土壤、岩石等)的化學反應有關。許多地質作用必須有流體參與,另一些地質作用則由於流體的參與而大大加快了。流體的作用往往既涉及流體的輸運又涉及流體與周圍介質的反應,兩者是相互耦合的。無論地幔對流、殼幔交換、岩漿房動力學、熱液成礦作用動力學,或表生及環境地球化學動力學等均歸屬為地質流體輸運-反應過程的動力學。所以,地質流體輸運-反應過程動力學具有很重要的理論意義。
簡單地說,地質流體輸運-反應過程的動力學是研究在不同溫壓條件下地質流體在土壤或圍岩介質中的流動與反應。地質流體的輸運-反應過程動力學不同於水文學研究的地下水動力學:首先地質流體不限於水,它可以是溶液、氣體、甚至粘度很大的岩漿;其次,地下水動力學較少考慮熱對流體的驅動作用,也很少涉及流體內各種組分的擴散運動,更少考慮流體與周圍介質的化學反應。地質流體的輸運-反應動力學也不同於水-岩反應動力學和地質流體力學。水-岩反應動力學相對忽略地質流體對能量和物質的輸運,而側重於流體與周圍介質的化學反應機制、反應速率測定;地質流體力學則相對忽略地質流體與周圍介質的化學反應,而著重考察流體在地質體中的運動。在許多地質過程中,例如岩漿動力學過程和熱液成礦過程中,熱(岩漿熱)對流體的驅動作用、流體的運動、流體內各種組分的擴散運動以及流體與周圍介質(圍岩)的化學反應是相互耦合、不可分割的,對這類地質過程動力學的研究屬於地質流體輸運-反應過程的動力學的范疇。因此,地質流體輸運-反應動力學是地球化學動力學和地質流體力學的綜合,是今後地學發展的前沿領域。
於崇文近年來提出了「廣義地球化學動力學」研究的對象、理論和方法論,指出地球化學系統是復雜的動力系統,地球化學的任務及最終目的是探索地球化學系統的復雜性,闡明復雜性的涌現機制與發展規律。廣義地球化學作用可理解為地球物質的運動,廣義地球化學動力學的研究涵蓋了化學運動、力學運動和磁學運動。於崇文提出了廣義地球化學動力學的三大基礎理論問題:①廣義地質過程的非線性動力學;②「廣義地質作用與時-空結構」耦合系統的復雜性;③廣義地質學系統的自組織臨界性與混沌邊緣。這里的廣義地質學系統和廣義地質過程指所有地質、地球化學、地球物理的系統和作用過程。可見,廣義地球化學動力學包含了地球物質運動的全部動力學研究內容。
② 滲流的運動要素
描寫滲流場運動特徵的各物理量（水頭、水壓、流速等）稱為運動要素。
（1）孔（空）隙平均流速（地下水實際流速）和滲透流速（Darcy流速）
地下水只能在多孔介質的空隙中流動，如果從微觀水平，即從空隙中地下水的質點流速矢量來研究地下水運動，將是十分困難的。為此，採用上述典型體元的方法，將真實的地下水質點流速矢量引入到多孔介質連續體上的流速矢量，我們可採用兩種平均的方法。
若將空隙中地下水質點流速矢量u′在整個典型體元V0（包括空隙和固體兩部分）上取平均值，即
地下水動力學（第五版）
式中：v（P）為多孔介質連續體中P點的滲流速度矢量（歐美文獻中多稱之為比流量，即單位面積的流量）或Darcy流速矢量。方程中第二個等號的成立是由於在固體部分中u′＝0。顯然，滲透流速是個假想的流速，它假定多孔介質連續體（包括空隙和固體部分）都能過水的流動速度。這種假想的流速使用起來比較方便，因為計算通過某斷面的流量Q時，只要依下式計算即可
Q＝vA
式中：A為多孔介質連續體的過水斷面（包括空隙和固體部分）的面積，這在連續體內取值是十分方便的。
若將空隙中地下水質點流速矢量u′在典型體元的空隙部分V0v中取平均值，即
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式中：u（P）為多孔介質連續體中P點的孔隙平均流動速度，前蘇聯習慣上稱之為地下水實際流速（不要和地下水的質點流速相混淆）。孔隙平均流速在研究地下水溶質運移問題中比較方便。
至此，我們定義了地下水的3種流速，即質點流速u′（圖1-1-2a）、孔隙平均流速u和滲透流速v；圖1-1-2b表示三者之間的關系。
圖1-1-2a 質點流速分圖
圖1-1-2b 地下水各種流速關系概念圖（據陳崇希，1966）
由（1-1-5）式和（1-1-6）式可以看出孔隙平均流速u與滲透流速v之間存在下列關系
地下水動力學（第五版）
我們注意到，多孔介質中互不連通的孤立孔隙對地下水的儲存與運動都是沒有意義的；盲孔隙只有一個小口與空隙系統相聯系，對於地下水的運動幾乎沒有意義（僅在地下水溶質運移上有意義）。另外，研究地下水的運動時，一般情況下可以忽略結合水的運動，從而可略去結合水所佔據的空隙空間。我們僅將那些對地下水儲存和運動有意義的空隙體積與相應典型體元的體積之比稱有效空隙率ne（嚴格地講，關於運動的有效空隙率與關於儲存的有效空隙率是有差別的）。因此，地下水滲透流速與孔隙平均流速之間的關系可改為
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為方便起見，在不致引起誤會的情況下，本教材後文所說的空隙率n，均指有效空隙率。
引進滲透流速的概念之後，滲流場內地下水流的實際流線（圖1-1-3a）則可以用滲流速度為基礎的虛構流線來表示（圖1-1-3b）。垂直於所有流線的斷面AB稱為滲流斷面（過水斷面），它可以是平面也可以是曲面。單位時間內通過滲流斷面的地下水體積稱為滲透流量。
滲透流速是個矢量，因而根據滲透流速方向與空間坐標軸的關系把地下水流分為：只沿一個坐標方向運動的稱為一維流動；沿兩個坐標方向有分流速的稱為二維流動；而沿三個坐標方向都有分流速的則稱為三維流動。
圖1-1-3a 地下水實際流線
圖1-1-3b 基於滲透流速的流線
（2）壓強、水頭和水力坡度
宏觀水平的地下水壓強p（也稱水壓）定義為
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由於自然界中的地下水都承受大氣壓力，所以習慣上地下水壓強一般不考慮（不計算）大氣壓強。與水力學一樣，地下水壓強的大小也可用水柱高度表示為
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式中：hp稱為測壓高度；p為地下水壓強（不計大氣壓強）；γ為地下水的容重。
圖1-1-4a和圖1-1-4b分別表示潛水含水層和承壓含水層孔底進水條件下，孔底點的測壓高度hp。
圖1-1-4a 潛水含水層中A和B點的測壓高度及水頭
圖1-1-4b 承壓含水層中A和B點的測壓高度及水頭
宏觀水平的水頭H定義為
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水力學中已學過，總水頭應表徵流場中任意點具有的位置勢能、壓力勢能、動能三者總和，即
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式中：z為位置高度；α為動能修正系數；u是過水斷面平均流速，對應地下水流則是孔隙平均流速；g是重力加速度。
由於地下水的孔隙平均流速通常很小（岩溶管道流除外），即上式右端第三項比第一、二項之和小得多，一般情況可以忽略不計。因此，地下水動力學中通常近似表示為
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實用上一般不去嚴格區分總水頭或測壓水頭，而通稱為水頭，以H表示。
水頭H隨著位置高度z而變，位置高度又取決於基準面的選取。基準面的選取主要考慮使用方便。一般地說，隔水底板水平的潛水含水層，其基準面取在隔水底板處，其他情況，通常以海平面為基準面。
水頭（H）值的大小可用水柱高度表示，量綱為［L］。因而，滲流場內任意點水頭值的大小可以用從基準面到揭穿該點的井孔的水位處的垂直距離來表示（圖1-1-4a和圖1-1-4b）。研究地下水水頭的時空分布規律是地下水動力學的重要研究內容之一。
地下水在空隙介質中流動會引起水頭損失（機械能轉為熱能）。滲流場內，沿著流線各點的水頭值不等，若用鉛直線段表示各點的水頭值並將線段頂端連成線，則此線稱為該流線的水頭線。它沿著流向傾斜（降落），說明地下水是由水頭高處向低處運動的。但水頭線形狀可能是下降的直線，也可能是下降的曲線（包括上凸型或下凹型）。
滲流場內水頭值相等的點連成的面（線）稱為等水頭面（線），即H1、H2、H3。沿等水頭面（線）的法線方向n水頭的變化率最大。沿法線方向的水頭變化率稱為水力坡度（圖1-1-5），即
圖1-1-5 水力坡度概念圖
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式中：H為水頭；n為等水頭面的法線，並指向水頭減小的方向。此式的負號表示沿n方向水頭值減小。
在各向同性岩層中，流線垂直穿越等水頭面，與等水頭面的法線n相重合，因而水力坡度可以表示為
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式中：s是指流線方向（也即等水頭面的法線方向）。在此條件下，水力坡度J表示水頭H沿流線方向的變化率（最大變化率）。J在空間直角坐標系中可表達為3個分量，即
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③ 地層條件下油藏岩石滲流特徵研究
王建孫志剛
摘要介紹了地層條件下測定油水相對滲透率的流程與方法。實驗研究了壓力、溫度和流體性質對油水相對滲透率測定結果的影響。以勝坨油田2-3-J1503井為例，給出了地面條件及地層條件下的典型相滲透率曲線，並對測定結果的差異進行了討論。
關鍵詞地層條件滲流特徵測定方法影響機理
一、引言
室內實驗得到的岩石滲透率、油水兩相相對滲透率等參數廣泛應用於油藏數值模擬、最終採收率和含水量上升率計算中。目前，這類參數都是在地面條件下測定的，存在著地面條件和油藏條件的差異。本次研究的目的就在於探索油藏條件下滲流參數測定方法，深入研究其影響機理，提高室內實驗成果的整體水平。
二、影響因素研究
1.壓力對岩石滲流的影響
目前，對上覆地層壓力的影響問題看法不一。Wilson等人的研究表明，在地層溫度和上覆壓力為34.5MPa時，測得的油水有效滲透率比常溫、常壓下要低；Merliss等人則認為上覆壓力對相對滲透率的影響主要是由於界面張力的變化所引起[1]。
為研究壓力對油水相對滲透率的影響，進行了地層壓力和常壓條件下的油水相對滲透率對比實驗。使用兩組平行樣品，分別在凈上覆壓力為2MPa（地面條件）和20MPa（地層條件）條件下測定其油水相對滲透率。為得到有代表性的相對滲透率曲線，將同組樣品所測定的相對滲透率曲線先進行標准化處理，後求取平均相對滲透率曲線（圖1）。
圖1兩種條件下的平均相滲曲線圖
由圖1可見，在地層壓力條件下，由於上覆壓力的增大，使得相滲曲線中束縛水飽和度增大，油水兩相區寬度減小；高壓下的水相相對滲透率上升較快，油相相對滲透率下降較快，這是由於上覆壓力改變了岩心的孔隙結構，在上覆壓力的作用下，岩心的非均質性增強，油水前緣分布更加不均，造成水相的上升和油相的下降都增快的結果。
2.溫度對岩石滲流的影響
針對油藏溫度與常溫條件下油水相對滲透率是否存在差別，進行了兩類實驗研究。一類使用同一種油水在不同溫度下測定油水相對滲透率；另一類是使用不同油水，保證在不同的溫度時具有接近的油水粘度比條件下測定油水相對滲透率。所用岩心都是膠結好、均質程度高的平行樣。
圖2不同溫度和不同油水粘度比條件下的油水相滲曲線圖
（1）相同種油水，不同溫度和油水粘度比條件下的相滲曲線對比
用自配油－3%KCl水分別在20℃、70℃和90℃條件下進行了油水相對滲透率測定。隨著溫度的升高，束縛水飽和度增大，殘余油飽和度減小（圖2）。這是由於溫度的升高使得油水粘度比減小，從而改變了樣品中油水兩相的分布。高油水粘度比時，油更易將水驅出，因此束縛水較低，而水較難將油驅出，因此殘余油較高；相反，在低油水粘度比時，就會出現高束縛水飽和度，低殘余油飽和度的現象。
（2）不同溫度相同油水粘度比的油水相滲曲線對比
選擇在18℃、60℃和120℃條件下具有相近油水粘度比的三種自配油/3%KCl，進行油水相對滲透率測定。從測定結果看出，不再出現「隨著溫度的升高，束縛水飽和度增大，殘余油飽和度減小」的現象，而是三條相對滲透率曲線基本接近。只是隨著溫度的升高，油水相對滲透率略有增大（圖3）。這是因為在油藏溫度下，精製油/鹽水的毛管壓力要低於常溫條件的毛管壓力。因此，在進行相對滲透率實驗時，最好選用模擬油藏溫度。實驗條件達不到時，必須模擬油藏油水粘度比。
圖3不同溫度、相同油水粘度比條件下的油水相滲曲線
3.流體對岩石滲流的影響
實驗室進行岩石滲流研究大多採用精煉油。為了研究不同油品對兩相滲流的影響，進行了精製油、脫氣原油和含氣原油的對比實驗。實驗結果看出，用三種油品所做的相對滲透率曲線基本接近（圖4）。其原因是：①實驗是在油藏溫度下進行，原油中的膠質、瀝青質不會析出阻塞孔道；②實驗所用的樣品是新鮮天然岩心，且樣品清洗未破壞岩心原始潤濕性；③三條相滲曲線是在相近的油水粘度比條件下測定完成的。
含氣原油/鹽水的油水兩相相對滲透率要略高於脫氣原油/鹽水。這是含氣原油在飽和壓力以上隨壓力的升高界面張力降低所造成的[2]。
圖4精製油、脫氣原油和含氣原油的相滲曲線圖
精製油/鹽水與原油/鹽水的相對滲透率曲線之間存在差別，但差別不大。其原因是原油降低了樣品的相對潤濕指數，使樣品的潤濕性從水濕趨向弱水濕[3]。
綜上所述，研究油藏條件下的岩石滲流問題，應該使用油層壓力和油層溫度條件下的含氣原油，也可以使用相同粘度的脫氣原油來代替含氣原油。在條件達不到時，使用精製油。
三、地層條件下岩石相對滲透率的測定
對岩石滲流影響因素的分析表明，在研究模擬地層條件下岩石滲流時，必須模擬油藏岩石的凈上覆壓力；模擬油藏油水粘度比的同時應該同時模擬地層溫度並且使用含氣原油，也可以使用相同粘度的脫氣原油來代替含氣原油；試驗用水可使用現場地層水、注入水或由實驗室根據水分析資料配製而成的鹽水。
進行地層條件下油水相對滲透率測定的具體步驟如下。
第一，校對岩樣清單，記錄油藏壓力、油藏溫度、油水粘度比以及樣品的井段、距頂。
第二，檢查所有儀器設備。
第三，按SY/T5336標准，測定岩樣的空氣滲透率。
第四，測定岩樣的孔隙體積和孔隙度：①將樣品裝入高壓夾持器，圍壓加至地層凈上覆壓力，抽真空1h-2h；②將夾持器進口連接高精度計量泵，開泵，恆壓方式建立一定壓力；③待泵壓穩定後，將泵出體積項清零，打開夾持器進口閥，待壓力再次恆定後，讀出泵的泵出體積數，此數即樣品孔隙體積。
第五，測定岩樣的含油飽和度和束縛水飽和度：①將夾持器的出口端與高壓油水分離器連接，調節回壓控制旋鈕，將高壓分離器出口回壓加至含氣原油泡點壓力以上；②泵入鹽水，直至回壓閥出口流出液體，系統的流壓高於泡點壓力；③打開油容器出口，將高壓油水分離器充滿實驗所用的油水，使油水界面處於分離器的中下部，關閉分離器下部出口，打開上部出口，待整個系統的壓力平衡後，油水分離器清零，進行油驅水；④不斷提高注入速度，直到分離器刻度不再增加，記下此點，減去飽和油死體積就是原始油體積，從而可計算出含油飽和度和束縛水飽和度。
第六，測定束縛水飽和度下油相滲透率：由低到高選擇3個壓力點進行測定，並在其壓力、流速穩定後測定油相滲透率，測量值之間的相對偏差小於5%時，取其算術平均值。
第七，進行水驅油的油水相對滲透率測定（非穩態恆速法）：①關閉分離器上部出口，打開下部出口，待系統壓力平衡後，將油水分離器清零，記下出口天平刻度；②注水驅油，記錄各個時刻的驅替壓力、分離器讀數和電子天平讀數。
四、地面條件下和地層條件下實驗結果的對比和討論
通過實驗研究，分別就平行樣（天然岩心）在地面條件下和地層條件下的滲流特徵進行了對比分析，取得了一定的規律性認識。
1.單相滲流規律
研究方法是測定樣品在不同凈上覆壓力下的有效滲透率，將測得的結果按二次多項式擬合，截距設定為地面滲透率。將得到的一系列系數進行數理統計，得到不同岩性的有效滲透率隨凈上覆壓力變化的變化規律。表1為勝坨油田2-3-J1503井10塊樣品有效滲透率與凈上覆壓力關系式。
表1有效滲透率與凈上覆壓力關系式以及三個系數的統計表
將2-3-J1503井樣品作為反映該區塊岩石性質的一個整體，將其有效滲透率與凈上覆壓力關系式中的系數進行數理統計，統計方法如圖5、6所示。
統計後得到關系式：b=67.6a；Ko=42.88b。其相關系數分別為0.9924和0.9745。
將 a,b代換，有效滲透率與凈上覆壓力的統計規律如下：
勝利油區勘探開發論文集
式中：Kob——層上覆壓力下的樣品有效滲透率，10－3μm2；
pc——地層凈上覆壓力，MPa；
Ko——地面條件下的樣品有效滲透率，10-3μm2。
圖5b—a關系圖
圖6Ko—b關系圖
利用公式（1），根據實際油藏的凈覆蓋壓力以及地面條件下的有效滲透率可預測油藏的地層有效滲透率。而公式（2）反映的是油藏岩石無因次滲透率隨凈上覆壓力的變化規律。
2.兩相滲流規律
利用平行樣品，分別測定它們在地面條件下和地層條件下的相對滲透率曲線，將每塊樣品的相對滲透率曲線進行標准化處理，求取平均相對滲透率曲線。以勝坨油田2-3-J1503井樣品為例，結果見圖7。
由圖7可見，兩種條件下的相滲曲線在束縛水飽和度、兩相區寬度以及曲線形態上都存在一定的差異。為更加清楚地分析認識地層條件與地面條件的區別，繪制其平均分流量曲線（圖8）。
由圖8可以清楚地看出，地層條件下的束縛水飽和度（Swi）高於地面條件；地層條件下的油水兩相的前緣含水飽和度（Swf）低於地面條件；地層條件下的油水兩相區平均含水飽和度
圖7地層條件下和地面條件下平均油水相對滲透率對比曲線圖
圖7中，地面條件下測定的最終水相相對滲透率要低於地層條件下測定的最終水相相對滲透率。其原因是實驗條件中，溫度的升高降低了毛管力的影響[4]，同時，含氣原油改變岩心的潤濕性，這兩種影響都會造成最終水相滲透率的增高[3]。
圖8 地層條件下和地面條件下水分流量對比曲線圖
Swi—束縛水飽和度；Swf—前緣含水飽和度；
五、結論
凈上覆壓力是影響岩石滲流規律的主要因素。
對岩石有效滲透率與凈上覆壓力所做出的統計規律具有一定的推廣應用價值。
與地面條件相比，地層條件下的相對滲透率曲線存在著「三高兩低」的規律，即束縛水飽和度高，油水兩相的前緣含水飽和度低，油水兩相區平均含水飽和度低，含水量上升率高以及最終水相相對滲透率高。因此，在進行油水相對滲透率實驗時，應該模擬地層條件。
通過對地層條件下油藏岩石滲流特徵的分析研究，可以推斷，在進行其他的開發試驗時同樣也存在地層條件下與地面條件下測量結果的差異，也存在如何再現油藏真實條件的問題。這將是開發試驗研究需要認真研究解決的重大問題之一。
致謝 在研究過程中，得到院機關有關科室，尤其是計劃科的領導提供了支持和幫助，本室的老專家宗習武、李樹濃、塗富華等給予了悉心指導在此表示衷心感謝。
主要參考文獻
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[2]沈平平.油層物理實驗技術.北京：石油工業出版社，1995:96.
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[4]Fred Bratteli,Hans P Normann.油藏條件和潤濕性對毛細管壓力曲線的影響.見：C C Mattax,R M Mckinley著.楊普華，倪方天譯.岩心分析論文集.北京：石油工業出版社，1998:246～257.
④ 滲透率與孔隙介質平均孔道半徑的關系
油層的滲透率取決於岩石孔隙孔道的大小，明確它們之間的關系有很大的實際意義。地層中油水的物理力學性質、黏滯力、毛細管力、剪切應力 (含剪切應力和極限剪切應力)、運動阻力等，都與岩石的孔隙孔道大小有關，也就是與滲透率有關。
雖然岩心的滲透率與岩心的孔隙結構 (孔徑分布)之間並不存在唯一性，即滲透率相同的岩心可能具有不同的孔隙孔徑分布曲線，但是如果在滲透率與其平均孔道半徑之間找到某種關系，那是非常有用的。滲透率本身就是岩心中各種不同半徑孔道的孔隙系統允許流體通過的一種平均參數。所以，滲透率與平均孔道半徑之間的關系是一種數理上性質對等的關系。
從表2.2可以看出，長慶油田中高滲透層的主流喉道半徑為11.7μm，特低滲透層為1.5μm，約是中高滲透層的十分之一。而中高滲透層的滲透率為181×10-3μm2，特低滲透層的滲透率只有4.4×10-3μm2，僅為高滲透層的3%。
表2.2 長慶油田儲層微觀孔隙結構分類特徵參數
(據長慶油田資料)
對於一個油藏或一個油田來說，毛細管壓力曲線的資料是很少的，而滲透率的資料則很多。如果能通過滲透率的變化來了解孔隙結構的特徵，將是很有益的。可應用不同滲透率岩樣的毛細管壓力曲線，計算出其平均毛細管半徑，作出它們之間的關系曲線，以求出它們之間的相互關系。
根據毛細管模型理論與達西定律的關系，可以得到：
低滲透油藏滲流機理及應用
式中：K——滲透率；
r——毛細管半徑；
φ——孔隙度。
這說明，在一定的沉積條件下，滲透率的平方根與平均孔道半徑成正比。
⑤ 什麼是可視化微觀滲流模型
在任何溫度壓力下均服從理想氣體狀態方程（PV=nRT)的氣體稱為理想氣體。 理想氣體在微觀上具有以下兩個特徵： 1、分子間無相互作用力。 2、分子本身不佔有體積 實際上絕對的理想氣體時不存在的，它只是一種假想的氣體。
⑥ 油頁岩原位開采關鍵技術研究
薛華慶 王紅岩 鄭德溫 方朝合 閆 剛
（中國石油勘探開發研究廊坊分院新能源研究所，河北廊坊 065007）
摘 要：我國油頁岩資源量為11602×108t，其中埋藏深度在500～1500m的油頁岩資源量為6813×108t，原位開采技術是開發該部分資源的有效手段。我國油頁岩原位開采技術處於起步階段，已經完成了不同溫度 下油頁岩微觀孔隙和滲透變化規律研究，電加熱和蒸汽加熱原位開采室內模擬實驗和數值模擬研究等。研究 表明，電加熱和蒸汽加熱開采方式都具有可行性。設計了電加熱器、注蒸汽井、生產井，為油頁岩原位開采 現場試驗提供技術支撐。
關鍵詞：油頁岩；原位開采；電加熱；蒸汽加熱
The Key Technique of Oil Shale In-situ Conversion Process
Xue Huaqing，Wang Hongyan，Zhen Dewen，Fang Chaohe，Yan Gang
（New Energy Department，Petrochina Research Institute of Petroleum Exploration ＆ Development-Langng，Langfang 065007，Hebei，China）
Abstract：The oil shale resources，bury in 500-1000m，are about 0.7 trillion tones in China，which count for 59％ of total resources and only are developed by in-situ conversion process.The in-situ conversion process are still in infancy in China.The regularity of oil shale micropores and permeability were studied in different temperature，the simulated experiment and numerical simulation were also respectively investigated in electrical heating and steam heating method of in-situ conversion process.As a result，both methods are available.The electrical heating well，injection steam well and procer well were designed，which provide the technique support for field test.
Key words：oil shale，in-situ conversion process，electrical heating，steam heating
引言
油頁岩（又稱油母頁岩）是一種高灰分的含可燃有機質的沉積岩，其有機物主要為乾酪根。在隔 絕空氣或氧氣的情況下，被加熱至400～500℃，油頁岩中的乾酪根可熱解，產生頁岩油、干餾氣、固 體含碳殘渣及少量的熱解水。目前油頁岩開發的主要有兩種方式：原位開采和地面干餾。原位開采是指 埋藏於地下的油頁岩不經開采，直接在地下設法加熱干餾，地下頁岩分解，生產頁岩油氣被導至地面。地面干餾則是指油頁岩經露天開采或井下開采，送至地面，經破碎篩分至所需粒度或塊度，進入干餾爐 內加熱干餾，生成頁岩油氣及頁岩半焦或頁岩灰渣。與地面干餾相比，原位開采具有節省露天開采費用 和降低地面植被破壞程度，佔地面積少等優點［1］。
中國油頁岩資源儲量非常豐富。2004～2006年新一輪全國油氣資源評估結果顯示［2，3］，全國油頁 岩資源為7199.4×108t，折算成頁岩油資源476.4×108t，其中埋深500～1000m的油頁岩資源量佔全國 的36％。該部分資源無法用成熟的地面干餾工藝進行開發，只有通過原位開采工藝才能得到有效的開 發和利用。目前，國際上油頁岩原位開采技術研究大部分都處於實驗研究階段，只有殼牌公司開展了現 場試驗［4］。我國油頁岩原位開采還處於起步階段。在國家重大專項「大型油氣田及煤層氣開發」項目 18「頁岩油有效開采關鍵技術」 的支撐下，研發了多台（套）油頁岩原位開采模擬實驗裝備，開展了 油頁岩微觀孔隙變化、物理模擬實驗和開采數值模擬研究等，沉澱了一批科研成果，為我國油頁岩原位 開采技術研究奠定了基礎。
1 國內外原位開采技術
國內外油頁岩原位開采技術種類較多，根據傳熱方式不同可分為三種類型：直接傳導加熱、對流加 熱和輻射加熱［5］，詳見表1。
表1 國內外油頁岩原位開采技術
開展油頁岩原位開采直接傳導加熱研究的單位主要有4家，加熱載體包括電加熱棒、導電介質、 燃料電池等。殼牌公司的ICP技術（In-situ Conversion Process）是直接將電加熱棒插入井內，對地下 油頁岩礦層進行加熱，目前正在進行第二代電熱棒（三元復合電加熱棒）的現場試驗研究［4，6］。埃 克森美孚公司的ElectrofracTM技術是指對地下頁岩層進行水力壓裂造縫，將導電介質（如煅燒後的 石油焦炭）注入裂縫中，通電後導電介質成為加熱體，該公司正在考慮進行現場試驗［7］。美國獨立 能源公司（Independent Energy Partners）的GFC技術（Geothermic Fuel Cell）是利用地熱能持續為燃 料電池反應堆提供能量，反應堆放熱來加熱頁岩層，油頁岩熱解生產的液態烴類和氣體從生產井排 出，部分氣體和其它剩餘的烴類物質返回燃料電池反應堆［7］。EGL能源公司（EGL Resources）是將 高溫空氣注入到封閉循環管道中，通過被加熱的管道對地下頁岩層加熱，因此也歸屬於直接傳導 加熱［8］。
開展油頁岩原位開采對流加熱研究的單位主要有4家，加熱載體主要為高溫水蒸氣、二氧化碳、空 氣、烴類氣體等。太原理工大學的水蒸氣加熱技術是通過常規油氣開采中的水力壓裂對頁岩層造縫後，將高溫水蒸氣注入頁岩層中加熱，同時高溫流體將熱解產生的頁岩油和烴類氣體攜帶至生產井［9］。雪 弗龍公司的CRUSH技術［7，10］也是利用壓裂技術對頁岩層進行改造，提高裂縫發育程度，其中壓裂液為 二氧化碳，然後將壓縮後的高溫空氣注入加熱井中對頁岩層加熱。美國地球科學探索公司（Earth Search Sciences）方法是將空氣在地表的鍋爐中預熱後注入井下，對油頁岩中乾酪根進行氣化［7］。美國 西山能源公司（Mountain West Energy）的IGE技術（In-Situ Gas Extraction）是將高溫天然氣注入目標 頁岩層中，通過對流方式來加熱頁岩層［7］。
開展油頁岩原位開采輻射加熱研究的單位主要有3家，加熱載體主要為無線射頻和微波等。20世 紀70年代後，美國伊利諾理工大學利用無線電波加熱油頁岩，隨後勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）對該技術進行改進，通過將射頻傳送至直井中直接對地下頁岩 層進行加熱［11，12］。雷神公司（Raython）與海德公園公司（Hyde Park）聯合研發了RF/CF（Radio Frequency/Critical Fluids）技術，目前已經被斯倫貝謝公司收購［7］。該技術利用射頻加熱頁岩層，通過 注入二氧化碳來實現超臨界流體提高頁岩油的採收率的效果。懷俄明鳳凰公司（Phoenix Wyoming）是 將微波傳送至地下，對頁岩層加熱，研究發現微波加熱的速度是電加熱棒的50倍以上，但對微波源的 要求很高［7］。
2 中深層油頁岩勘探現狀
我國埋深0～1500m的油頁岩資源為11602×108t，折算成頁岩油626×108t，其中，埋藏深度在 500～1000m油頁岩資源量為3489×108t，頁岩油資源量為185×108t，1000～1500m資源量為3324× 108t，頁岩油資源量為155×108t。比2005年全國新一輪油氣資源評價結果顯示的油頁岩資源量7200× 108t多了4402×108t，主要增加了埋深1000～1500m資源量。
我國油頁岩資源分布與常規油氣資源相似，主要分布於北方，均表現為北富南貧。東部地區油頁岩 資源主要集中於松遼盆地，佔全國總資源的47％；中部地區油頁岩資源集中於鄂爾多斯盆地，佔全國 總資源的37％；西部地區油頁岩資源主要集中於准噶爾盆地，佔全國總資源的9％；南方地區主要集中 分布於茂名盆地，佔全國總資源的2％；西藏地區主要集中分布於倫坡拉盆地，佔全國總資源的5％。我國埋深500～1500m油頁岩資源十分豐富，占總資源量的59％，該部分資源只能通過原位開采技術才 能得到有效的開發和利用。
3 油頁岩原位開采開發技術現狀
3.1 油頁岩原位開采物理模擬實驗研究
3.1.1 熱破裂規律研究
油頁岩在熱解過程中形成大量的孔隙、裂隙，不僅提高了油頁岩的滲透性，而且也為頁岩油排采提 供了滲流的通道，使得原位開采技術開發中深層油頁岩資源成為可能。
一般認為，當加熱到105℃左右時，油頁岩的主要變化時乾燥脫水，待油頁岩水分脫出後，溫度 逐漸升高，在180℃左右，放出油頁岩中包藏的少量氣體。在這兩個階段油頁岩內部的裂隙多發育於 層理面及礦物顆粒的周圍，形成的破裂面基本上都與層理面互相平行，且數量不多，寬度較小。隨 著溫度進一步升高至300℃以上時，油頁岩內的有機質開始發生熱解生產頁岩油蒸氣和熱解氣體。油頁岩內部的裂隙數量、長度和寬度有了劇烈增加，裂隙面仍具有與層理面平行，同時也形成了 一些垂直於層理方向的微小裂隙。小裂隙與大裂隙相互連通，根本上提高了油頁岩的滲透 性［13～15］（圖1）。
3.1.2 熱解後滲透規律實驗研究
干餾前後的油頁岩樣品進行不同體積應力和孔隙壓力條件下的滲透系數的變化規律研究發 現［15，16］：當體積應力不變時，滲透系數隨孔隙壓力的增大而增大。主要原因是孔隙壓力的增高，頁岩 內部的孔隙數量增加、裂隙更加發育，使得單位時間內通過的流體流量增大，即滲透系數增大。當孔隙 壓力不變時，滲透系數隨體積應力的增大而減小。主要原因為體積應力的增大，岩體發生收縮變形，頁 岩內部的孔隙數量減少、有些發生裂隙會閉合，使油頁岩的微觀結構發生了變化，導致流體的滲流通道 減少，即滲透系數減小（圖2，圖3）。因此，在進行地下原位開採油頁岩時，對油頁岩地層滲透特性 的評價，必須考慮流體壓力和地應力的影響。
圖1 不同溫度下油頁岩裂縫發育情況
圖2 滲透系數隨孔隙壓力的變化曲線
圖3 滲透系數隨體積應力的變化曲線
3.1.3 油頁岩電加熱原位開采模擬實驗研究
電熱原位開采與常規地面干餾工藝原理類似，都是通過直接傳導方式將油頁岩加熱至熱解溫度。其 不同之處在於，原位開采工藝熱解過程有地下水介質參與，反應系統存在一定壓力，壓力大小與頁岩層 的埋藏深度有關。
馬躍、李術元等［17］將油頁岩與蒸餾水置於密閉的壓力容器中，模擬油頁岩原位開采熱解反應。研 究表明，隨著反應溫度的增加，頁岩油和氣體的產率隨溫度的升高不斷增加，中間產物瀝青的產率隨溫 度的升高先升高後減小。由於水介質的存在，降低了化學鍵斷裂所需要的能量，促進了熱解生烴過程，使油頁岩的熱解溫度比無水條件時降低了約120℃。
3.1.4 油頁岩蒸汽加熱原位開采模擬實驗研究
利用過熱水蒸氣對油頁岩進行加熱，干餾後的油頁岩殘渣中含油率約為0.30％，頁岩油的回收率 達到鋁甄干餾的90％以上［15］。因此高溫水蒸氣加熱油頁岩具有一定的可行性，而且能達到較高的採收 率。研究發現油頁岩熱解產生的氣體主要以CH4、C2H4、H2、CO、CO2氣體為主。對常溫至300℃、 300～500℃、500～580℃三個溫度段的干餾氣組成成分進行分析，發現隨著溫度的升高CH4和C2H4含 量具有相同的變化趨勢，基本上呈現單調下降的趨勢；CO2的含量呈逐漸下降，H2的含量一直上升的 趨勢，CO的含量呈現先降低後增加的趨勢。不同溫度和壓裂條件下，烴類氣體、殘炭、一氧化碳、二 氧化碳、水蒸氣等之間發生了不同程度的化學反應，反應機理十分復雜。因此，針對實驗過程中CH4、 C2H4、H2、CO、CO2的變化趨勢的主要原因還有待進一步的研究。
3.2 油頁岩原位開采數值研究
3.2.1 油頁岩原位開采電加熱數值研究［18，19］
基於油頁岩原位開采電加熱技術的原理上，建立了油頁岩熱傳導方程包括續性方程，動量方程，能 量方程，結合適當的初始條件和邊界條件，得到油頁岩原位開采電加熱數學模型。採用三維有限元法，對該模型進行研究，其中加熱井距為15m，運作周期為6年。通過研究油頁岩礦層溫度場隨時間的變化 規律，加熱時間為5年時礦層溫度大部分超過440℃，即幾乎所有的油頁岩完全發生熱解。
圖4 油頁岩原位開采高溫蒸汽加熱示意圖
3.2.2 油頁岩原位開采蒸汽加熱數值研究［15，20］
油頁岩是幾乎不滲透的岩層，蒸汽很難注入，因此需要 引進常規油氣的壓裂技術對頁岩層進行改造，製造裂縫，作 為注汽的良好通道，提高傳熱效率。然後向地下油頁岩礦層 注入高溫水蒸氣，使礦層溫度升高至油頁岩熱解溫度。最 後，將油頁岩熱解形成油氣，通過低溫蒸汽或水攜帶至生產 井進行排采（圖4）。
油頁岩原位開采高溫蒸氣加熱是一個復雜的物理化學反 應過程，涉及熱量的傳遞、固體變形、油頁岩熱解、油氣的 產出和滲流等。趙陽升、康志勤等［12，16］考慮到諸多影響因 素的背景下，建立了油頁岩原位開采高溫蒸汽加熱的固、 流、熱、化學耦合數學模型。通過對正九點井網的加熱方式 的數值模擬研究，加熱井距50m，加熱周期為2.5年。通過 研究油頁岩礦層溫度隨時間分布變化規律發現，加熱時間為 2.5年時，地下油頁岩地層的溫度大部分都達到了500℃，完成熱解。
僅從數值模擬研究發現，高溫水蒸氣加熱比電加熱的效率更高，加熱溫度達到油頁岩熱解所需的時 間更短。
3.3 油頁岩原位開采現場試驗研究
3.3.1 油頁岩原位開采電加熱器與生產井設計
針對油頁岩電加熱原位開采技術專門設計了靜態防爆電加熱器，如圖5。
圖5 靜態防爆電加熱器
靜態防爆電加熱器的發熱元件採用金屬礦物絕緣加熱電纜，它不同於一般管式電加熱元件，其形狀 屬於線形，加熱電纜發熱芯體和金屬護套之間溫差很小，導熱性能好。
油頁岩原位開採的排采工藝與稠油開采相似，生產井結構包括隔熱油管、泵、補償器、封隔器、篩 管等（圖6），將頁岩油排采至地面後進行油、氣、水分離。隔熱油管用於防止溫度下降後頁岩油的流 動性降低，篩管與封隔器起到防砂的作用。該生產井同時適用於電加熱和蒸汽加熱原位開采技術。
3.3.2 蒸汽加熱井設計
蒸汽加熱井與注蒸汽開采稠油的結構相似，主要由隔熱油管、補償器、封隔器、分層注汽閥、死堵 等部分組成（圖7）。蒸汽加熱井的最關鍵技術是井筒隔熱與密封技術，其中井筒隔熱總系統包括隔熱 油管、耐高溫的封隔器、補償器等。蒸汽通過注汽閥（分層注汽閥）進入地層，通過封隔器實現不同 層選注，有效的提高的熱量利用效率。
圖6 生產井
圖7 蒸汽加熱井
4 結束語
我國500～1500m的油頁岩資源豐富，只能通過原位開采技術才能加以有效的開發和利用。該部分 資源的開發和利用對促進我國頁岩油產業的發展具有重要意義，頁岩油作為石油的補充能源，也大大提 高了我國石油的供給能力。通過模擬實驗研究和數值模擬研究表明，油頁岩電加熱與蒸汽加熱原位開采 技術都具有一定的可行性。電加熱工藝相對簡單，加熱速度較慢，能耗大等特點，蒸汽加熱工藝加熱速 率快，高溫蒸汽對設備的要求較高等。「十二五」 期間，我國應繼續加大對油頁岩原位開采技術研究的 投入力度，加快原位開采現場試驗裝備的研發，推動現場試驗研究，為工業化生產提供有效的技術 支撐。
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⑦ 土石混合體滲透性能的正交試驗研究
周中1 傅鶴林1 劉寶琛1 譚捍華2 龍萬學2 羅強2
（1.中南大學土木建築學院 湖南 長沙 410075
2.貴州省交通規劃勘察設計研究院 貴州 貴陽 550001）
摘要 土石混合體作為土和石塊的介質耦合體，具有非均質性、非連續性及試樣的難以採集性等獨特的性質，從而給研究帶來極大的困難。土石混合體屬於典型的多孔介質，其滲透特性與顆粒的大小、孔隙比及顆粒形狀關系密切。本文採用室內正交實驗，利用自製的常水頭滲透儀，研究了礫石含量、孔隙比和顆粒形狀三個因素在不同水平下對土石混合體滲透系數的影響。通過正交試驗確定了三種因素對土石混合體滲透系數的影響順序及各因素的顯著性水平。提出了土石混合體滲透系數計算公式，並通過試驗結果驗證了計算公式的正確性，為土石混合體滲透系數的理論計算提供了一個簡明有用的計算工具。
關鍵詞 土石混合體 多孔介質 滲透性能 計算公式 正交試驗
土石混合體一般由作為骨料的礫石或塊石與作為充填料的粘土或砂組成，是介於土體與岩體之間的一種特殊的地質體，是土和石塊的介質耦合體［1］。因為土石混合體具有物質組成的復雜性、結構分布的不規則性以及試樣的難以採集性等獨特的性質，從而給研究帶來極大的困難，目前人們對於它的研究仍處於探索之中［2］。滲透與強度和變形特性，都是土力學中所要研究的主要力學性質，其在土木工程的各個領域中都有重要的作用［3］。土石混合體屬於典型的非均質多孔介質［4］，其滲透特性與顆粒的大小、顆粒組成、孔隙比及顆粒形狀關系密切。土的滲透系數可以通過室內試驗由達西定理計算得出，然而土石混合體的滲透系數卻難以確定，主要原因是：取樣困難；難以進行常規的滲透試驗；大尺度的滲透試驗不僅造價高准確性差，而且試驗結果離散度大，難以掌握其規律性。迄今為止，國內還沒有對土石混合體滲透性能進行研究的資料，現有研究成果局限於利用物理和數值模擬試驗對其變形和力學性質進行研究，而對滲透性還未涉及。因此，能夠求出土石混合體滲透系數的計算公式具有重要的理論意義和工程應用價值。
本文研究土石混合體中礫石含量、孔隙比（壓實度）和顆粒形狀三個因素在不同水平下對土石混合體的滲透系數的影響，找出三因素與土石混合體滲透系數之間的關系，並提出土石混合體滲透系數計算公式。
1 土石混合體滲透性能的正交試驗
1.1 正交試驗方案設計
在室內試驗中考慮礫石含量、孔隙比（壓實度）和顆粒形狀三個因素對土石混合體滲透系數的影響，就每種因素擬考慮3個水平。對於這種3因素3水平的試驗，如果考慮每一個因素的不同水平對基材的影響，則根據組合可得有33組試驗，這對人力、物力與時間來說都是一種浪費，因此採用正交試驗設計來研究這一問題更為合理。本試驗所選取的正交表為L9（34），考慮試驗誤差的影響，但不考慮各因素間的交互作用（即假定他們之間相互沒有影響）。共需9組試驗，每組作平行試驗3次，共27次滲透試驗。本試驗中採用的因素與對應的水平數如表1所示，其中粗粒形狀分為球形體、六面體和三棱錐3個水平，分別由卵石、強風化石塊和新打碎的碎石來近似替代。
表1 正交試驗的因素水平
1.2 試樣的基本物理力學性質
試驗所取土樣為正在修建的上瑞高速公路貴州段晴隆隧道出口處典型性土石混合體，其天然狀態土的物理指標及顆粒級配曲線見表2和圖1。由圖1可知現場取回土樣的不均勻系數Cu為12.31，說明土樣中包含的粒徑級數較多，粗細粒徑之間差別較大，顆粒級配曲線的曲率系數Cc為1.59，級配優良。
表2 天然狀態土的基本物理指標
圖1 天然狀態土的顆粒級配曲線
1.3 大型滲透儀的研製
《土工試驗規程》（SL237—1999）規定粗粒土的室內滲透系數需由常水頭滲透儀測試，國內常用的常水頭滲透儀是70型滲透儀。70型滲透儀的筒身內徑為9.44cm，試驗材料的最大粒徑為2cm，規范［5］要求筒身內徑應為最大粒徑的8～10倍，因此70型滲透儀的筒身內徑過小，有必要研製大尺寸的滲透儀。自製滲透儀的內徑和試樣高度至少應為最大顆粒粒徑的8倍，即至少應為16cm，另外，考慮到邊界效應，試樣的上下兩頭分別增加2cm，因此，自製滲透儀的內徑和試樣高分別取為16cm和20cm。考慮到土石混合體的滲透性較強，選取進排水管的口徑為2cm。自製的大型常水頭滲透儀的如圖2 和圖3所示。
圖2 常水頭滲透儀示意圖
數據單位為cm
圖3 自製滲透儀
2 試驗結果分析
2.1 試驗結果
按正交試驗表L9（34）的安排，共需作9組試驗，每組試驗作平行試驗3次，取3次測量的平均值，並乘以溫度校正系數
表3 滲透試驗測定結果
續表
2.2 試驗分析
運用正交試驗的直觀分析法和方差分析法，分析各因素對土石混合體滲透系數影響的主次順序，繪出因素水平影響趨勢圖，求出各因素的顯著性水平。
2.2.1 直觀分析
對試驗所得的土石混合體的滲透系數進行正交試驗的極差分析，並畫出各因素的水平影響趨勢圖。正交試驗的極差分析表見表4，3個因素與滲透系數的關系見圖4。
表4 極差分析表
圖4 各因素與滲透系數的關系
A—礫石含量；B—孔隙比；C—粗粒形狀
由正交試驗的極差分析表可以看出，對土石混合體滲透系數影響的主次順序為A→B→C，即礫石含量→孔隙比→顆粒形狀。由各因素與滲透系數的關系圖可以看出礫石含量越多滲透系數越大，孔隙比越大滲透系數越大，顆粒磨圓度越大滲透系數越小。在路基工程及大壩工程中，可以通過調節粗顆粒的含量、壓實度及顆粒形狀以獲得工程所需的滲透系數。
2.2.2 方差分析
為了確定因素各水平對應的試驗結果的差異是由因素水平不同引起的，還是由試驗誤差引起的，並對影響土石混合體滲透系數的各因素的顯著性水平給予精確的數量評估，需採用正交試驗的方差分析法對試驗數據進行分析，分析結果如表5所示。
表5 方差分析結果
方差分析結果表明：
（1）因素各水平對應的試驗結果的差異是由因素水平不同引起的，而不是由試驗誤差引起的；
（2）礫石含量對土石混合體滲透系數的影響高度顯著，孔隙比對土石混合體滲透系數的影響顯著，顆粒形狀土石混合體滲透系數的影響不顯著。
3 土石混合體滲透系數
3.1 滲透系數與礫石含量之間的關系
眾所周知，土石混合體的滲透系數與顆粒的大小及級配有關，本文選擇等效粒徑d20和曲率系數Cc來表示土的顆粒大小和顆粒級配，原因是文獻［3］認為等效粒徑d20比其他粒徑特徵系數更能准確地表示顆粒的大小，而與顆粒級配有關的系數是不均勻系數Cu和曲率系數Cc，不均勻系數Cu只反映土粒組成的離散程度，曲率系數Cc能在一定程度上反映顆粒組成曲線的特性，因而曲率系數Cc更適合於評價土的顆粒級配。不同礫石含量的顆粒級配曲線如圖5所示。由圖5可以求出各曲線的粒徑特徵系數，見表6。
圖5 試樣的顆粒級配曲線
表6 不同粗粒含量時的粒徑特徵
由圖6可知，其他條件相同時，土石混合體的滲透系數k與函數f（d20，Cc）呈線性關系，其中
圖6 k20-f（d20，Cc）關系曲線
3.2 滲透系數與密實度之間的關系
由正交試驗的方差分析可知，孔隙率e對滲透系數的影響雖不如粗粒含量大，但也是很顯著的。在其他條件相同時，k與
土石混合體
3.3 滲透系數與顆粒形狀之間的關系
狄凱爾與海阿特（Tikell and Hiatt）於1938年探討了顆粒的「稜角性」與「圓度」對滲透系數的影響，並指出顆粒的稜角性越大，滲透系數越大［6］。由正交試驗分析表可知Cs1∶Cs2∶Cs3＝0.9∶1∶1.2，並且將試驗數據進行回歸分析，當形狀系數Cs1＝0.18，Cs2＝0.2，Cs3＝0.24時與試驗結果最為接近，此結論與卡門（Carmen）的研究成果［7］相近。
3.4 土石混合體的滲透系數
由以上分析可知土石混合體的滲透系數與顆粒大小、顆粒級配、顆粒形狀及孔隙比有關，同時滲透流體對滲透性也有一定的影響，主要是受液體的動力粘滯度η的影響，大量研究成果表明滲透系數k 與g/η 成正比［3，4，7］。因此，土石混合體的滲透系數計算公式為
土石混合體
式中：k為土石混合體的滲透系數，cm/s；Cs為顆粒的形狀系數，m-3；d20為等效粒徑，小於該粒徑的土重占總土重的20%，m；Cc為顆粒級配曲率系數，
由公式（1）計算出20℃時土石混合體的滲透系數k20列於表7。與其他物理力學參數相比，土石混合體的滲透性變化范圍要大得多。同時，受宏觀構造和微觀結構復雜性的影響，其滲透性具有高度的不均勻性［8］。為進一步驗證公式（1）的正確性，將實測值與由公式（1）得出的計算值進行對比分析，見圖8。由圖8可知由公式（1）計算出的滲透系數值與實測值基本吻合，9組試樣的平均相對誤差為21%，這對於離散性很強的土石混合體的滲透系數來說已經具有足夠的精確性。
表7 計算值與實測值對應關系
圖8 計算值與實測值關系
4 結論
（1）通過正交試驗獲取了礫石含量、孔隙比和顆粒形狀對土石混合體滲透系數影響的主次順序，並得出各因素的顯著性水平，工程設計中可以通過合理調整土石混合體的礫石含量、孔隙比（壓實度）和顆粒形狀，以達到控制其滲透能力的目的。
（2）土石混合體的滲透系數與等效粒徑d20和曲率系數Cc組成的函數
（3）提出了土石混合體滲透系數的計算公式，並通過試驗結果驗證了計算公式的正確性，為土石混合體滲透系數的定量預測提供了一個簡明有用的計算工具。
參考文獻
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［5］中華人民共和國水利部.土工試驗規程（SL237—1999）.北京：中國水利水電出版社，1999：114～120
［6］ Tickell FG，Hiatt WN.Effect of angularity of grains on porosity and permeability of unconsolidated sands.AAPG Bulletin，1938，22（9）：1272～1274
［7］黃文熙.土的工程性質.北京：水利電力出版社，1984：60～129
［8］邱賢德，閻宗嶺，劉立等.堆石體粒徑特徵對其滲透性的影響.岩土力學，2004，25（6）：950～954
⑧ 孔隙率與滲流的關系,建模的話,可以用Fluent建模嗎如果能建的話，怎麼建呀謝謝
我以前做的是布袋過濾粉塵的模擬，照你說的情況和我的差不多，可以用gambit把物理模型畫出來，但是滲流面的邊界條件記住要採用多孔介質邊界條件。
⑨ 岩石中孔隙的微觀結構
孔隙的微觀結構是指：①孔隙的大小、分布及其形狀；②粘土基質；③砂粒組構。經驗證明，孔隙的微觀結構對於岩層內的流體流動有很大的影響。例如，孔隙的微觀結構直接影響由人工注入的流體對原油的驅動效率。
1.孔隙喉道及其形態
孔隙的喉道是孔隙很小的部分，其大小和形狀對儲集層的性能有很大的影響。砂岩中常見的孔隙喉道有下列5種類型（圖2-3-3）：① 孔隙的縮小部分；② 孔隙的可變斷面的收縮部分；③ 片狀喉道；④ 彎片狀喉道；⑤管狀喉道。
2.粘土雜基
粘土雜基是指作為雜基充填於碎屑岩孔隙中的粘土礦物。由於粘土礦物有很大的比面和很強的活性（如吸附能力，對外來流體的敏感性等），它們對人工注入的流體的吸附性能改變有很大的影響。對粘土雜基的描述通常是下列幾個方面：①粘土含量，根據定義，顆粒直徑小於0.005mm的礦物顆粒稱為粘土，其含量為粘土的總量。②粘土礦物類型，粘土礦物類型較多，如在第一節中所指出的那樣，常見的粘土礦物有蒙脫石、高嶺石、綠泥石、伊利石等，在不同物源和不同沉積環境中出現的粘土礦物的類型和含量不同，不同類型的粘土礦物對流體的敏感度不同，因此要分別測定不同孔隙性岩層中所出現的粘土礦物類型，以及各類粘土礦物的相對含量。③粘土礦物產狀，粘土礦物的產狀對儲集性岩石內的流體運動影響較大，一般分為：分散狀（充填式）、薄層狀（襯墊式）、搭橋狀（圖2-3-4）。在分散狀產狀中，粘土以分散的形式分布在孔隙中。如果粘土附著於孔隙壁上，形成一個相對連續的薄粘土礦物層，則形成薄層狀產狀。搭橋狀是指粘土礦物黏附於孔隙壁表面且伸長很遠，整個橫跨孔隙，像搭橋一樣，把顆粒間的孔隙分隔成為大量的微孔隙。④粘土礦物對流體的敏感性。粘土礦物與地層中的流體（如原油）通常處於平衡狀態，當其他流體進入後，它們的平衡狀態會遭到破壞。外界流體與儲層流體和儲層礦物的不匹配會導致儲層滲流能力下降。
圖2-3-3 孔隙喉道類型
（a）孔隙的縮小部分；（b）可變斷面的收縮部分；（c）片狀喉道；（d）彎片狀喉道；（e）管狀喉道
圖2-3-4 孔隙內粘土礦物的典型產狀