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多孔介質,是由固體物質組成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小空隙所構成的物質。多孔介質內的微小空隙可能是互相連通的,也可能是部分連通、部分不連通的。

1 多孔介質 -多孔介質

 

2 多孔介質 -正文

  由固體物質組成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小空隙所構成的物質。多孔介質內的流體以滲流方式運動,研究滲流力學涉及的多孔介質的物理-力學性質的理論就成為滲流力學的基本組成部分。多孔介質的主要物理特徵是空隙尺寸極其微小,比表面積數值很大。多孔介質內的微小空隙可能是互相連通的,也可能是部分連通、部分不連通的。
  多孔介質有多種類型。按成因劃分,可分為天然多孔介質和人造多孔介質。天然多孔介質又分為地下多孔介質和生物多孔介質,前者如岩石和土壤;後者如人體和動物體內的微細血管網路和組織間隙以及植物體的根、莖、枝、葉等。人造多孔介質種類繁多,如過濾設備內的濾器,鑄造砂型,陶瓷、磚瓦、木材等建築材料,活性炭、催化劑、鞍形填料和玻璃纖維等的堆積體等。按微小空隙的形態和結構劃分,大體可分為孔隙性多孔介質、裂縫性多孔介質和多重性多孔介質。孔隙性多孔介質可再分為二類:孔隙之間在各個方向相互連通,沒有明顯的隸屬層次關係,如砂岩、土壤、人造顆粒狀材料的堆積體等;孔隙似樹枝狀分佈,有明顯的隸屬層次關係,如一般的微細血管網路。裂縫性多孔介質內的空隙主要是微小裂縫,如裂縫性的石灰岩和白雲岩等。當多孔介質內兼有多種形態的微小空隙時,稱多重性多孔介質,如裂縫-孔隙系統的碳酸鹽岩層即是雙重性多孔介質或簡稱雙重介質。
  多孔介質內部的空隙極其微小。儲集石油和天然氣的砂岩地層的孔隙直徑大多在不足1微米到500微米之間;毛細血管內徑一般為5~15微米;肺泡-微細支氣管系統的孔隙直徑一般為200微米左右或更小;植物體內輸送水分和糖分的孔隙直徑一般不大於40微米。
  單位體積或單位質量的多孔介質內所有微小空隙的表面積的總和稱為比表面積。多孔介質的比表面積數值很大。例如,儲集石油、天然氣、地熱、地下水等地下流體資源和能源的砂岩的比表面積一般為1052/米3數量級,腎、肺、肝、心等臟器的血管系統多孔介質的比表面積約為1042/米3數量級,某些多孔微球色譜擔體的比表面積為840米2/克,粉末冶金的粉末比表面積可達 5×1032/克。比表面積是多孔介質分散程度的指標,其數值大小對流體滲流時的表面分子力作用,對多孔介質的吸附、過濾、傳熱和擴散等過程有重要影響。
  滲流力學的多孔介質理論中,有以下幾個重要概念:
  孔隙度 
 多孔介質內的微小空隙的總體積與該多孔介質的外表體積的比值。有兩種孔隙度:多孔介質內相互連通的微小空隙的總體積與該多孔介質的外表體積的比值稱有效孔隙度;多孔介質內相通的和不相通的所有微小空隙的總體積與該多孔介質的外表體積的比值稱絕對孔隙度或總孔隙度。在常見的非生物多孔介質中,鞍形填料和玻璃纖維等的孔隙度最大達83%~93%;煤、混凝土、石灰石和白雲石等的孔隙度最小,可低至2%~4%;與地下流體資源等能源、資源有關的砂岩的孔隙度大多為12%~30%,土壤的孔隙度為43%~54%,磚的孔隙度為12%~34%,皮革的孔隙度為56%~59%,均屬中等數值;動物的腎、肺、肝等臟器的血管系統的孔隙度亦為中等數值。孔隙度是影響多孔介質內流體容量和流體滲流狀況的重要參量。
  浸潤性  在固體和兩種流體(兩種非互溶液體或液體與氣體)的三相接觸面上出現的流體浸潤固體表面的一種物理性質。浸潤現象是三相的表面分子層能量平衡的結果。表面層的能量通常用極性表示,浸潤性也可用固體液體之間的極性差來表示。極性差愈小,就愈易浸潤。例如,金屬表面的極性較小,水的極性比油脂的極性大,金屬表面往往容易被油濕而不易被水濕,因此可稱金屬具有親油性或憎水性;玻璃和石英的表面極性較大,容易被水浸潤而不易被油脂浸潤,因此可稱玻璃和石英具有親水性或憎油性。
  在一定條件下,浸潤性與溫度、壓力等因素有關。流體的性質等因素也可能影響固體表面的浸潤性。例如,含有表面活性物質的流體與固體表面接觸后,可能改變後者的浸潤性。有些固體表面的浸潤性呈現複雜的狀態,例如,由於曾經與不同的液體接觸,在同一塊儲油岩石上可能出現親油表面和親水表面同時存在的現象。
  浸潤性對多孔介質中流體運動的規律及有關的生產過程有重要影響。例如,儲油岩石的浸潤性不同,則滲流力學計算方法、油田開發原則和生產控制措施都不同。
  毛細管壓力  多孔介質的微小空隙中的任何兩種非互溶流體分界面的兩側存在的壓力差,即非浸潤相的壓力與浸潤相的壓力之差。毛細管壓力取決於流體的表面張力、浸潤角和界面的曲率。在流體互相驅替過程中,毛細管壓力可以是驅動力,也可以是流動的阻力。浸潤相在毛細管壓力作用下,可以自發地驅替非浸潤相,即滲汲作用。毛細管壓力的存在影響多孔介質內的流體運動規律,因此是滲流力學及有關的工程技術必須考慮的問題。例如,在油田開發中,毛細管壓力影響油層的有效滲透率和油層的採收率;利用毛細管壓力曲線可確定多孔介質內的孔隙分佈和流體分佈,計算多孔介質的相滲透率以及油層的採收率等。
  滲透率  表示多孔介質滲透性強弱的量。多孔介質允許流體通過相互連通的微小空隙流動的性質稱為滲透性。常見的多孔介質均具有一定的滲透性。滲透率與多孔介質的另一物理性質──孔隙度之間不存在固定的函數關係,而與孔隙大小及其分佈等因素有直接關係。滲透率值由達西滲流定律確定。物理系統的滲透率計量單位為平方厘米,而工程上常用達西和千分達西,即千分之一達西。一個達西等於1.02×10-8厘米2。具有工業價值的砂岩油層的絕對滲透率值從幾個到3000千分達西,大多數砂岩油層的滲透率為200~1000千分達西;磚的滲透率為5~220千分達西;土壤的滲透率一般為0.29~14達西。
  滲透率可分三類:絕對滲透率,是通常以空氣通過多孔介質測定的滲透率值;有效滲透率,是考慮了流體性質及其運動特徵的滲透率,例如,二相或多相流體滲流時,多孔介質對每一相流體的滲透率總是小於絕對滲透率,稱為相滲透率;相對滲透率,即相滲透率與絕對滲透率的比值。相滲透率由多相滲流的達西公式計算。實驗證明,相滲透率值與該相流體在空隙中所佔的體積百分比即該相的飽和度等因素有關。相對滲透率與飽和度之間的關係曲線稱為多孔介質的相對滲透率曲線。
  滲透性是多孔介質的基本物理- 力學性質之一。滲透率是滲流力學及有關的工程技術的一項重要基礎數據,它表徵滲流過程的特徵。以地下流體資源和能源為例,地層滲透率愈大,生產能力及採收率也愈大。
  參考書目
 A.E.薛定諤著,王鴻勛、張朝琛、孫書琛譯:《多孔介質中的滲流物理》,石油工業出版社,北京,1982。(A.E. Sheidegger, The Physics of Flow Through Porous Media,3rd ed., Toronto Univ.Press,Toronto,1974.)
 M. 麥斯蓋特著, 俞志漢、李秦孝譯:《採油物理原理》,上冊、下冊,石油工業出版社,北京,1979。(M.Muskat,Physical Principles of Oil Production,McGraw-Hill,New York,1949.)

 

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