各向同性多孔介质中Kozeny-Carman常数的分形分析

Kozeny-Carman(KC)方程是多孔介质渗流领域最著名的半经验公式,长期以来,KC方程及其推广形式被广泛用于估算多孔介质的渗透率。但是,方程中的KC常数是一个没有确切物理意义的经验常数,且被证明并非一个常数值。天然多孔介质中的孔隙分布往往表现出自相似的分形标度律。因此,根据多孔介质的分形特征利用微观几何模型计算了各向同性多孔介质的有效渗透率,并进一步推导了KC常数的解析表达式。结果表明,KC常数是由多孔介质的微结构决定的,是孔隙率和分形维数的函数,且随着孔隙率的增加而增大。

基于Kozeny-Carman方程的水相相对渗透率计算方法

岩石孔隙中流体的相对渗透率是储层评价、油气田开发的关键参数之一,与流体性质、岩石的润湿性、孔隙结构等有关。一般通过稳态法与非稳态法实验获得。由于相渗实验的周期长、成本高,且条件较为苛刻,难以在现场中进行大量的应用。以Kozeny–Carman方程和阿尔奇公式为基础,将复杂的孔隙结构及流体分布进行简化,得到了毛管渗流中外油内水和外水内油状态下水相的相对渗透率模型。并通过G油田4块岩心的实验数据对模型进行了分析。研究表明:外油内水状态下的水相相对渗透率模型与孔隙中油水渗流规律相符,用该模型计算的水相相对渗透率与实测数据较为吻合。

全钒液流电池电极Kozeny-Carman常数的测量

以达西方程为基础,在搭建的电解液流动特性测试平台上测量不同流量下电堆的正极进出液口压力差,拟合出电极区域内压力差与流量的线性关系,进而计算出Kozeny-Carman常数KKC=24.087。对比不同流量下电堆的进出口压力差的实验值与模拟值,偏差小于3%,提高了计算的准确性。

修正Kozeny-Carman方程预估黏土渗透系数的研究

Kozeny-Carman方程具有明确的物理意义被广泛用于粗粒土渗透系数的计算。为了提高其预估黏土渗透系数的准确度,首先建立等径球形颗粒理论模型,量化结合水占据总孔隙的份额,计算结果表明黏土颗粒间的孔隙几乎都被结合水占据,渗透性受到了极大的影响。然后利用界限含水率与结合水含量的关系,得到了黏土液限含水率推求有效孔隙比的计算公式,对常用的Kozeny-Carman方程进行修正。最后借助热失重试验测算出合肥黏土中结合水质量占液限的比例系数α0选取合肥原状黏土的相关物理参数,分别代入未修正和修正后的Kozeny-Carman方程中,将得到的渗透系数计算值与室内试验的实测值进行对比,发现经修正的Kozeny-Carman方程能较为准确地预估黏土渗透系数,具有一定的实用性。

基于图像处理和Kozeny-Carman方程的砂岩储层渗透率预测

针对柱塞岩心不易获取、岩心气测渗透率数据缺乏导致的砂岩储层渗透率计算困难的问题,提出了一种仅依靠砂岩显微图像资料的渗透率计算新方法。首先对Kozeny-Carman方程进行梳理与分类;然后根据图像处理能获取的砂岩微观参数,提出了基于Kozeny-Carman方程的渗透率计算模型;模型主要涉及面孔率、颗粒直径、孔隙弯曲度、经验系数的确定。其中,面孔率通过二值化后图像的像素点计算获得,颗粒直径通过颗粒识别、分割并提取代表性颗粒的平均直径获得,孔隙弯曲度通过提取孔隙网络中轴并计算最短路径获得,经验系数可用默认值或用极少量气测渗透率标定获得。最后珠江口盆地番禺气田珠江组的应用结果表明,基于显微图像处理和Kozeny-Carman方程的砂岩计算渗透率值与气测渗透率值吻合性较好,该方法为砂岩渗透率的评价和各类显微系统图像处理软件的升级提供了新思路。

Kozeny-Carman Equation and Hydraulic Conductivity of Compacted Clayey Soils

The saturated hydraulic conductivity of a soil is the main parameter for modeling the water flow through the soil and determination of seepage losses. In addition, hydraulic conductivity of compacted soil layers is critical component for designing liner and cover systems for waste landfills. Hydraulic conductivity can be predicted using empirical relationships, capillary models, statistical models and hydraulic radius theories [1]. In the current research work the reliability of Kozeny-Carman equation for the determination of the hydraulic conductivity of compacted clayey soils, is evaluated. The relationship between the liquid limit and the specific surface of the tested samples is also investigated. The resulting equation gives the ability for quick estimation of specific surface and hydraulic conductivity of the compacted clayey samples. The results presented here show that the Kozeny-Carman equation provides good predictions of the hydraulic conductivity of homogenized clayey soils compacted under given compactive effort, despite the consensus set out in the literature.

树状分叉网络Kozeny-Carman常数的分形分析

鉴于目前树状分叉网络的KC常数解析表达式尚未知。本文利用分形理论研究了树状分叉网络中的流体运输,计算出了树状分叉网络的有效渗透率,进一步推导出了嵌入在多孔介质中的树状分叉网络复合材料的KC常数的解析表达式,并且讨论了网络微观结构参数对KC常数的影响。结果发现,KC常数不仅与网络微观结构参数有关,还与孔隙率有关。结果表明KC常数随着树状分叉网络长度比和孔隙率的增加而增大,随着直径比的增加而减小。当孔隙率在0.3附近时,KC常数预测值接近经典KC常数值(5)。

基于Kozeny—Carman方程的渗透率分形模型

Kozeny—Carman(KC)方程是渗流领域广泛应用于多孔介质渗透率预测的半经验公式,自该方程首次提出就不断地被修正并加以改进。应用分形理论,通过建立具有分形特征的毛管束模型,基于Posenille定律和达西公式分别确定了多孔介质的渗透率、孔隙度、比面的分形表达式,以经典的KC方程为基础,将三者的分形表达式相结合得出了全新的考虑比面影响的渗透率分形模型,同时得到了具有分形特征的KC常数。结果表明:多孔介质的渗透率是孔隙结构分形维数、迂曲度、宏观物性参数(孔隙度和比面)的函数,KC常数并不为固定值,而与毛细管的迂曲度、孔隙结构的分形维数等微观孔隙参数有着密切的联系。通过计算验证表明,相比于目前使用的KC方程,应用分形方法预测出的渗透率值与实际数值更加接近。

MICP加固花岗岩残积土的渗透特性

MICP技术可以显著降低固化土壤的渗透系数,然而目前没有关于MICP固化土壤渗透系数的理论计算方法。基于理论推导和试验验证的方法,研究MICP加固花岗岩残积土的渗透特性,提出MICP加固花岗岩残积土的碳酸钙生成量和渗透系数理论表达式。假设MICP的反应速率线性衰减,通过酶促反应动力学方程得到MICP加固土体的CaCO3生成量,估算CaCO3晶体的粒径和个数,从而获得加固后试样的孔隙比、迂曲度和颗粒比表面积,代入修正的Kozeny-Carman方程,得到加固后土体的渗透系数理论表达式。与试验数据对比分析结果表明:CaCO3的产量早期增加快,后期增加变缓并逐渐趋于稳定;MICP加固土体的渗透系数其具有早期降低快,后期趋于平稳的特征。胶结液浓度为0.50、0.75、1.00、1.25 kmol/m3的试样渗透系数最终分别降低了35%、40%、45%和55%。提出的CaCO3含量表达式和渗透系数表达式与试验结果拟合良好,可为微生物加固的设计计算提供参考。

基于激光刻蚀技术的孔隙介质渗透试验研究

渗透率在水资源管理、油气勘探与开采和地质灾害评估中具有重要的作用。而目前渗透率研究多通过间接的方式探究渗透率的影响因素,缺乏直观手段刻画多孔介质与渗透率的关系,渗透率与多孔介质内部孔隙结构的关系尚不清晰。自主研发了一个可控孔隙空间属性的试验系统,探究多孔介质渗透率与孔隙度、孔隙的水平或垂直分布、孔隙排列的规则性和椭圆孔隙长短轴比例的关系。结果表明,多孔介质渗透率与孔隙度呈正相关关系,且圆形颗粒多孔介质基本满足Kozeny-Carman方程;而不同颗粒圆度及排列方式会造成显著的渗透率各向异性,由于多孔介质颗粒横向排列导致流体经过更长的流动路径,与流动方向一致的横向排列渗透率明显高于纵向排列的渗透率;不规则排列的多孔介质渗透率要大于规则排列的多孔介质渗透率,这是因为颗粒的不规则排列会导致在多孔介质中出现一些大的孔隙,这些孔隙可以提供更大的通道,促进流体的渗透,另一种原因是不规则排列会增加多孔介质内的流动路径,使得流体能使用更多的路径通过多孔介质;长短轴长度之比为1的多孔介质渗透率最大。研究结果可为多孔介质渗透率演化及其孔隙空间属性关联性研究提供基础认识。

三角形管球模型的多孔介质渗透系数理论研究

渗透系数在环境、化工、岩土、水利、油气开采、核反应堆等许多工程领域都是极为重要的参数,然而该参数的理论预测极为困难。渗透系数理论公式较少,很多经验公式又因包含物理意义不明的经验常数导致适用范围狭窄,预测偏差多为1~3个量级。拟通过理论推导建立一个适用范围广、预测偏差小的渗透系数理论计算式。根据渗透材料性质和渗流特性建立了三角形管球渗流模型,假设渗流阻力由管流和球绕流的黏性阻力引起,利用流动阻力理论推导得到渗透系数理论计算式。为验证计算式的准确性,测试了福建省南平市中心城区46个土壤样品的平均渗透系数,还收集了来自文献的11组试验测试数据。结果表明,理论计算结果与文献数据平均偏差为48.74%,与试验数据平均偏差70.21%,偏差低于目前应用较广泛的Kozeny-Carman方程。

黄河冲积粉土的渗透特性研究

黄河冲积粉土分布范围广,工程性质差,作为填料时容易出现渗透破坏现象。为研究粉土的渗透特性,以郑州地区黄河冲积粉土为研究对象,在分析黄河冲积粉土基本物理性质和颗粒级配的基础上,实验研究不同压实度粉土的渗透系数,并验证了常用渗透系数经验公式对黄河冲积粉土渗透系数预测的适用性。研究结果表明:郑州地区黄河冲积粉土颗粒以粉粒组为主,其渗透系数随压实度的增大而减小,大致与压实度呈负指数关系;此外,修正kozeny-carman公式更适于预测压实黄河冲积粉土的渗透系数。

储层动态流动单元及剩余油分布规律

从应用Kozeny-Carman公式推导 FZI的过程出发,根据对大量岩心样品的统计分析,研究了FZI的基础定义和物理意义。结果表明:具有相近 FZI值的岩心样品具有较大的孔隙度、渗透率变化范围,不一定属于同一类流动单元。FZI值不能准确地表征影响流体流动的岩石物理性质,单纯采用FZI值作为划分储层流动单元的标准是值得商榷的。分析流动单元的定义及研究目的,针对高含水期油田开发,提出动态流动单元的概念和定量划分方法。以胜坨油田沙二段 3 砂组为例进行的研究结果表明:不同开发阶段的剩余油分布与储层动态流动单元关系密切,通过建立不同含水期的流动单元动态模型,应用动态流动单元方法研究高含水期油田剩余油分布规律更具有实际意义。

基于分形理论预测砂岩储层渗透率

根据分形几何学的基本理论探讨了岩石孔隙的分形结构及孔隙分形维数的确定方法.改进Kozeny-Carman方程,调整颗粒半径和有效孔隙半径至适于动力传导过程的分辨率尺度,从而建立了渗透率的分形模型.应用该方法处理实际资料,结果表明,利用分形模型预测砂岩储层的渗透率精度高,验证了模型的可行性.

含甲烷水合物沉积层渗透率特性实验与理论研究

含水合物沉积层的饱和度与渗透率关系研究,是深水油气及海洋水合物资源勘探开发的基础性工作.利用两种平均粒径分别为0.110和0.210mm的玻璃砂模拟沉积层环境,通过体积测量法确定其孔隙度分别为0.364和0.368.测量甲烷水合物在沉积层中渗透率随饱和度的变化,并将得到的结果与平行毛细管模型、Kozeny颗粒模型以及Masuda模型进行了比较.结果表明:模拟的沉积层可以近似认为是等径球体颗粒堆积物,其渗透率与孔隙度基本符合修正的Kozeny-Carman公式关系;沉积层中甲烷水合物的存在使其渗透率急剧下降;与多个模型比较后发现水合物占据孔隙中心的平行毛细管模型与实验结果吻合得较好,说明实验中甲烷水合物主要是在沉积层的孔隙中生成而不是对玻璃砂颗粒形成包络;甲烷水合物饱和度低于25%的沉积层渗透率与饱和度的关系成指数递减关系.

煤储层粗糙割理中煤层气运移机理数值分析

有效描述粗糙割理中煤层气运移机理是实现其产能准确评估的基本前提。结合裂隙的立方定律以及广义Kozeny-Carman孔-渗方程,于理论层面推导了考虑内、外摩擦所致的裂-渗关系模型。其中内摩擦效应以煤层气运移的水文弯曲度来描述,外摩擦则通过引入端面曲折率来定义。借助分形理论实现了割理端面粗糙几何的定量描述,并采用格子Boltzmann方法模拟了煤层气运移过程,分析了端面分形维、绝对粗糙度以及相对粗糙度对煤层气输运特征的影响。在此基础上,对比分析了新裂-渗方程解析值同数值模拟渗透率之间的关系。结果表明,考虑了内、外摩擦效应的新方程能有效描述微观粗糙割理中煤层气的运移规律,并且物理意义明确。

卸围压作用下煤岩破断及渗透特性

利用含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,进行了不同气体压力作用下煤岩卸围压作用的瓦斯渗流实验。实验结果显示,渗透率变化呈现阶段性特点,全过程可以分为3个阶段:阶段I,渗流减小阶段;阶段II,稳定渗流阶段;阶段III,加速渗流阶段。采用Kozeny-Carman方程描述渗透性与孔隙度的关系,研究煤岩变形与瓦斯渗流的关系,建立了卸围压煤岩变形与渗透率的相关性模型。理论分析表明:在阶段I,外部压力和孔隙压力的变化是引起煤样渗透率发生变化的主要原因,在阶段II和阶段III,外部压力成为主导;在破坏后阶段,渗透率增长1个数量级,变化十分明显。由于理论计算结果与实验曲线较为接近,模型反映了不同瓦斯压力下加载煤岩变形与渗透率变化的基本特征。

软件系统设计中人因工程的研究

设计一个经受起市场检验的软件系统，软件工程师的视野需要从“软件工程”的角度转变成“产品工程”的角度，即充分考虑产品使用者——人的因素。为达到这个目的，针对软件系统设计中涉及的人的因素进行研究和探讨，重点探讨人因工程和软件系统设计结合的理论，并介绍一种系统设计中结合人的因素的有效工具——ＣＡＲＭＡＮ。

准饱和多孔介质中圈闭气体对渗透系数的影响

含圈闭气体的地下水流称为准饱和流,准饱和流中的圈闭气体对含水层渗透系数有重大影响。通过柱试验开展了粉砂、细砂、中砂和粗砂4种介质圈闭气体饱和度与准饱和渗透系数关系的研究。结果表明:圈闭气体饱和度明显受介质的粒径影响,在细粒介质中圈闭气体饱和度明显较大;4种介质圈闭气体饱和度在0~15%范围内,准饱和渗透系数与完全饱和相比减少了32.82%~56.38%,且准饱和渗透系数与圈闭气体饱和度之间可表达为一个负线性相关的经验公式;该公式与Faybishenko公式等效,但形式简单,参数较少,使用方便;准饱和渗透系数的变化规律可概化为圈闭气体占据了原有的有效孔隙,造成原有效孔隙度减少,从而使渗透系数减小。利用该理论,Kozeny-Carman方程能较准确地描述准饱和渗透系数的变化规律,而基于哈根-泊肃叶方程的渗透系数公式则存在较大误差,不适用于描述准饱和渗透系数;试验结果证明了室内测定饱和渗透系数时排除圈闭气体的必要性。

干湿循环下泥岩回填料颗粒破碎试验

泥岩是一种应用广泛的回填料,其自身特性及外部环境对其性能具有重要影响。设计不同干密度的试样,开展干湿循环作用下泥岩回填料的孔隙比及渗透系数演变规律研究。利用孔隙比及渗透系数,通过Kozeny-Carman公式,反推干湿循环引起的泥岩内部比表面积演变过程,建立比表面积与试样曲率系数(Cc)、不均匀系数(Cu)的关系,通过比表面积来刻画粒料的均匀程度与分布情况。研究发现比表面积与基础熵呈线性关系,说明比表面积可作为度量回填料颗粒破碎程度的指标。