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)。

使Arealometer自动化——检验Kozeny公式

在一种实验用计算机化的系统上,对Arealometer度量的11个具有广泛细度和成熟度范围的棉样,进行了气流习性研究。对范围为0.6～0.9的孔隙度按Kozeny公式求得比表面积。观测到用孔隙度得到的纤维细度变异性是原先Arealometer所预料不到的。然而,分别在低和高试样压缩下的比表面积A与AH却和Arealometer结果非常相关。当新型的自动系统用固定孔隙度而不用类似装在Arealometer中的固定多孔塞气阻时,所得到的值具有最佳相关性。

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。

考虑压实特性的高心墙堆石坝非线性多孔弹性分析

传统高心墙堆石坝结构与渗流性态研究忽略了坝料物理、力学与渗透等压实特性的空间非均质性,且缺乏考虑渗透系数随外部荷载作用的变化,难以客观真实反映大坝结构与渗流性态.基于Biot固结理论框架,通过坝料改进多输出预测模型获得压实特性空间分布,采用Kozeny-Carman模型考虑渗透系数演化规律,推导考虑坝料压实特性的大坝非线性多孔弹性模型应力场与渗流场控制方程,从而建立耦合压实特性的非线性多孔弹性模型,并进一步基于约束随机场进行大坝结构与渗流性态精细有限元模拟,实现高心墙堆石坝非线性多孔弹性分析.结果表明:相比未考虑压实特性影响、未考虑渗透系数随外部荷载作用变化的模型,该模型对于大坝心墙沉降计算值与监测值之间的R^(2)分别提高0.222和0.288,更利于进行大坝应力安全分析,心墙区渗透系数呈现明显的竖向分布,可以更好地反映大坝实际结构与渗流性态,研究结论可为进一步研究大坝压实质量控制提供理论依据.

三维重构下整体形状参数的砂土渗透性分析

为探究颗粒形状对砂土结构及渗透性的影响规律,选取玻璃珠、石英砂及玻璃渣3种颗粒形状各异的砂土采用高分辨率三维X射线显微镜进行精细扫描,重构砂土三维结构模型;选取颗粒伸长率、扁度、球度、孔隙比表面积等形状参数,统计分析得出整体形状参数;将整体形状参数引入科泽尼-卡尔曼方程方程,得出考虑颗粒形状特征的砂土渗透系数的预测方程.室内柔性壁渗透试验表明,砂土颗粒的整体形状参数越小,即颗粒形状越复杂,砂土的渗透性能越差,引入整体形状参数的科泽尼-卡尔曼方程方程对砂土渗透性能的预测效果较好.

基于微流控芯片模型的渗流实验与数值模拟

基于微流控芯片加工技术,采用显微镜-微观模型实验装置,通过制作准二维微流控芯片模型来模拟多孔介质内部的骨架及孔隙结构,开展多孔介质渗流实验.通过测量芯片模型两端的压降并进行修正,计算芯片模型的渗透率.采用计算流体力学方法(CFD)对渗流过程进行数值模拟,并与实验结果进行对比分析.结果表明:在相同条件下,相对于微柱方形排列的芯片模型,微柱错开排列的芯片模型在微观上表现为迂曲度增大,增大的幅值为5.1%~7.9%;在宏观上表现为流阻和压降更大,渗透率更低,降低的幅值为4.5%~7.4%.芯片模型渗透率不仅与内部孔隙通道结构和孔隙率有关,还与颗粒直径和颗粒排列方式相关.当模型孔隙率为0.327~0.900时,数值模拟方法所得的微流控芯片模型的渗透率与实验所测结果接近,误差为9.78%~28.43%.Kozeny-Carman(KC)公式不能准确预测实验结果,并且最大误差为73.97%.提出修正平行板间导管流(平板流)渗流公式预测准二维微流控芯片模型渗透率,预测渗透率曲线与数值模拟和实验数据具有很好的一致性.

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。

热变形对饱和黏性土渗透系数的影响

为了探究5~30℃温度变化对黏性土渗透性影响机理,同时考虑温度变化诱导的流体性质和土体变形对渗透系数的影响,提高模型的应用范围和精度,本文先采用室内实验和理论模型相结合的方法对该问题进行了研究,然后基于变温渗流实验数据,构建了土体应变与介质孔隙比的关系式,最后对Kozeny-Carman模型的修正模型(REN模型)进行了进一步修正。结果表明:在地下水常见的5~30℃温度区间,温度变化引起土体变形对黏性土渗透系数的影响显著,仅考虑流体黏度随温度变化而忽略黏性土形变影响的渗透系数计算误差最大可达40%;修正后的模型与现有渗透系数模型相比具有更好的性能;通过修正后的渗透系数模型分析,发现温度在5~20℃区间时,渗透系数变化的主控因素是流体黏度,此温度区间介质形变对渗透系数影响较小,影响程度低于10%;当温度在20~30℃区间时,温度引起介质形变诱导的渗透系数变化贡献率增大,对渗透系数影响最大超过40%。

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.

油气储层流动单元划分标准的探讨

根据对大量岩心样品的统计分析,研究了流动层指数(flowzoneidex,Ifz)的基础定义和物理意义.结果认为:Ifz值相近的岩心样品具有较大的孔隙度和大的渗透率变化范围,但不一定属于同一类流动单元.Ifz值并不能准确的表征影响流体流动的岩石物理性质,单纯采用Ifz值作为划分储层流动单元的标准是值得商榷的.采用渗透率、层内渗透率纵向非均质参数(变异系数、突进系数、极差)、孔隙度和束缚水饱和度等参数作为标准划分流动单元并应用该方法研究了蒙古林砾岩油藏储层,结果表明:这些参数能够较为准确的描述储层内部油水运动规律相似的储集带.

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.