白焱輝　陳久強(qiáng)　龐海域　于海波　楊占林　田繼德　劉廣賀　李　季

（葫蘆島市萬方巖土工程有限責(zé)任公司遼寧葫蘆島125000）

低滲透介質(zhì)中的低速非達(dá)西理論研究現(xiàn)狀

白焱輝陳久強(qiáng)龐海域于海波楊占林田繼德劉廣賀李季

（葫蘆島市萬方巖土工程有限責(zé)任公司遼寧葫蘆島125000）

低滲透介質(zhì)中多數(shù)流體運(yùn)動(dòng)屬于低速非達(dá)西運(yùn)動(dòng)，完善低滲透介質(zhì)中非達(dá)西滲透理論，有助于加強(qiáng)低滲透儲層尤其是致密油氣儲層的研究、低滲透巖土工程研究等，對清潔能源利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有一定意義。本文對目前低滲透介質(zhì)中的低速非達(dá)西運(yùn)動(dòng)理論研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，闡明達(dá)西運(yùn)動(dòng)的理論基礎(chǔ)與限制，總結(jié)低速非達(dá)西滲流模型并對啟動(dòng)壓力成因、滲流機(jī)制與影響因素進(jìn)行探討，為低滲透介質(zhì)微觀運(yùn)動(dòng)理論研究的學(xué)者提供參考。

低速非達(dá)西運(yùn)動(dòng)；低滲透介質(zhì)；達(dá)西運(yùn)動(dòng)；啟動(dòng)壓力

在水電工程、地下開采工程、油氣勘探工程的滲流分析中，達(dá)西定律作為多孔介質(zhì)中流體的基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律，是已經(jīng)被廣泛接受的滲透理論。尤其是近年來傳統(tǒng)能源的利用造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題，賦存在微觀尺度的非常規(guī)能源作為清潔能源，有助于緩解能源危機(jī)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境，卻因研究尺度極小、儲集滲流研究難度大而在科學(xué)研究、技術(shù)進(jìn)步上受到限制于影響，低滲透介質(zhì)中非達(dá)西滲透理論的進(jìn)一步研究將有助于清潔能源利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)。本文對目前低滲透介質(zhì)中的低速非達(dá)西運(yùn)動(dòng)理論研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，以為低滲透介質(zhì)微觀運(yùn)動(dòng)理論研究的學(xué)者提供參考。

1　達(dá)西運(yùn)動(dòng)的理論基礎(chǔ)和限制

Klinkenberg（1941）指出氣體在不含束縛水的多孔介質(zhì)中單相滲流時(shí)存在滑脫效應(yīng)，在低壓下滲透率較高，并且氣體滑脫效應(yīng)隨著含水飽和度的增加而降低。Klinkenberg效應(yīng)與達(dá)西理論中速度只是粘滯系數(shù)的函數(shù)相悖；多為學(xué)者觀測了低流速條件下流體在多孔介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)在低壓力梯度下，滲流速度與壓力梯度成非線性關(guān)系，關(guān)系曲線表現(xiàn)為下凹。Basak（1970）對這種非線性關(guān)系進(jìn)行了研究并將達(dá)西滲透劃分為三個(gè)階段：低速非達(dá)西運(yùn)動(dòng)、達(dá)西運(yùn)動(dòng)和高速非達(dá)西運(yùn)動(dòng)，在低滲透介質(zhì)中多數(shù)流體運(yùn)動(dòng)屬于低速非達(dá)西運(yùn)動(dòng)。

在單相介質(zhì)條件下，多孔介質(zhì)為一般巖土介質(zhì)，達(dá)西定律的準(zhǔn)確性已經(jīng)得到了廣泛的驗(yàn)證，但是在以下三個(gè)條件中，觀測曲線始終表現(xiàn)出偏離：（1）高流速的限定，通常在高流速的條件下，流體運(yùn)動(dòng)速度的增長低于壓力梯度的增長；（2）低壓力的限定，單相氣體條件下，由于Klinkenberg效應(yīng)的存在，多孔介質(zhì)與流體邊界層不流動(dòng)，速度與梯度增長呈非線性；（3）非牛頓流體的限定，達(dá)西定律不適用于非牛頓流體，如重油，泥漿等。

2　低速達(dá)西運(yùn)動(dòng)

2.1低速非達(dá)西滲流模型

受Klinkenberg效應(yīng)影響，在低速下，流體運(yùn)動(dòng)不再只受粘滯系數(shù)影響，壓力損失不完全表現(xiàn)為粘滯阻力，并且開始滲透時(shí)過水?dāng)嗝娌粩喟l(fā)生變化，因此總體不符合達(dá)西定律。在進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)之后，多個(gè)模型被總結(jié)出來以描述低速非達(dá)西滲透運(yùn)動(dòng)，如劉曉旭建立了包括“滑脫動(dòng)力”、“啟動(dòng)壓差”、“綜合滲流速度”及“臨界壓力”和“臨界壓力”平方梯度”在內(nèi)的能夠完整描述氣體滲流特征規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，程時(shí)清給出了忽略非線性段的存在啟動(dòng)壓力的模型。

2.2啟動(dòng)壓力的成因探討

Hansbo觀測到在低滲介質(zhì)中，滲流的發(fā)生要求一定的壓力梯度，為了標(biāo)定這個(gè)值，多個(gè)假設(shè)被提出并建立模型進(jìn)行預(yù)測。Irmay（1968）提出，啟動(dòng)壓力梯度的通常來源于流體的非牛頓流變性狀；K.C.巴斯寧耶夫認(rèn)為在低流速條件下，流體與介質(zhì)表面由于相互作用，將形成穩(wěn)定的膠狀溶液（凝膠狀膜），要實(shí)現(xiàn)滲流將破壞這層相互作用膜，由此產(chǎn)生啟動(dòng)壓力梯度；Wang（2011）基于Klinkenberg效應(yīng)與邊界層理論，認(rèn)為啟動(dòng)壓力主要來源于介質(zhì)接觸處的邊界層，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)計(jì)算了這層邊界層的厚度與啟動(dòng)壓力梯度間的關(guān)系，認(rèn)為邊界層厚度隨壓力梯度的升高而減?。?］。因此壓力梯度的來源主要基于邊界相互作用，而關(guān)于厚度與起始壓力梯度的模型建立還有待進(jìn)一步研究。

2.3低速非達(dá)西滲流機(jī)制及影響因素

對于低滲的巖土介質(zhì)，無論是單相還是多相流體，在低速條件下均不符合達(dá)西運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而這中運(yùn)動(dòng)對于巖土工程影響至關(guān)重要?？紤]Klinkenberg效應(yīng)，多個(gè)模型被用于描述低速非達(dá)西運(yùn)動(dòng)，由此總結(jié)了關(guān)于低速非運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)控制因素：（1）啟動(dòng)壓力梯度的大?。唬?）流體本身的性質(zhì)包括粘滯系數(shù)，壓力梯度；（3）巖土介質(zhì)如顆粒的表面粗糙程度、圓狀及空隙迂曲度的大小。

目前，多個(gè)基于某些影響因素的單一非達(dá)西運(yùn)動(dòng)模型已經(jīng)建立，但缺乏定量的、能夠完整包括所有因素的綜合數(shù)學(xué)模型，這要求更深入的更完善的理論體系，同時(shí)也應(yīng)當(dāng)借鑒其他領(lǐng)域的研究方法，如分形幾何研究方法等，以此完善低滲透介質(zhì)中非達(dá)西滲透理論，對低滲透儲層尤其是致密油氣儲存的研究、低滲透巖土工程研究等具有重要意義。

3　結(jié)語

隨著低滲透儲層，如頁巖氣、煤層氣、致密氣的工業(yè)勘探開發(fā)，以及各類巖土、水文工程的建設(shè)推進(jìn)，低速非達(dá)西運(yùn)動(dòng)理論將擁有更加廣闊的應(yīng)用前景。加深低速非達(dá)西運(yùn)動(dòng)理論的研究深度，綜合探明影響因素，將有助于低速非達(dá)西運(yùn)動(dòng)理論的應(yīng)用拓展，有助于巖土工程的科學(xué)實(shí)施、清潔能源的利用和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。

［1］馮文光.天然氣非達(dá)西低速不穩(wěn)定滲流.

［2］劉曉旭，胡勇，李寧，等.低滲砂巖氣藏氣體特殊滲流機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究與分析［J］.特種油氣藏，2007，14（1）：80-83.

白焱輝（1990—），男，漢族，遼寧葫蘆島人，助理工程師，研究方向：巖土地質(zhì)。