低滲透介質中的低速非達西理論研究現狀

白焱輝　陳久強　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任公司遼寧葫蘆島125000）

低滲透介質中的低速非達西理論研究現狀

白焱輝陳久強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任公司遼寧葫蘆島125000）

低滲透介質中多數流體運動屬于低速非達西運動，完善低滲透介質中非達西滲透理論，有助于加強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環境保護具有一定意義。本文對目前低滲透介質中的低速非達西運動理論研究現狀進行總結，闡明達西運動的理論基礎與限制，總結低速非達西滲流模型并對啟動壓力成因、滲流機制與影響因素進行探討，為低滲透介質微觀運動理論研究的學者提供參考。

低速非達西運動；低滲透介質；達西運動；啟動壓力

在水電工程、地下開采工程、油氣勘探工程的滲流分析中，達西定律作為多孔介質中流體的基本運動規律，是已經被廣泛接受的滲透理論。尤其是近年來傳統能源的利用造成了嚴重的環境問題，賦存在微觀尺度的非常規能源作為清潔能源，有助于緩解能源危機、保護生態環境，卻因研究尺度極小、儲集滲流研究難度大而在科學研究、技術進步上受到限制于影響，低滲透介質中非達西滲透理論的進一步研究將有助于清潔能源利用和生態環境保護。本文對目前低滲透介質中的低速非達西運動理論研究現狀進行總結，以為低滲透介質微觀運動理論研究的學者提供參考。

1　達西運動的理論基礎和限制

Klinkenberg（1941）指出氣體在不含束縛水的多孔介質中單相滲流時存在滑脫效應，在低壓下滲透率較高，并且氣體滑脫效應隨著含水飽和度的增加而降低。Klinkenberg效應與達西理論中速度只是粘滯系數的函數相悖；多為學者觀測了低流速條件下流體在多孔介質中的運動，發現在低壓力梯度下，滲流速度與壓力梯度成非線性關系，關系曲線表現為下凹。Basak（1970）對這種非線性關系進行了研究并將達西滲透劃分為三個階段：低速非達西運動、達西運動和高速非達西運動，在低滲透介質中多數流體運動屬于低速非達西運動。

在單相介質條件下，多孔介質為一般巖土介質，達西定律的準確性已經得到了廣泛的驗證，但是在以下三個條件中，觀測曲線始終表現出偏離：（1）高流速的限定，通常在高流速的條件下，流體運動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效應的存在，多孔介質與流體邊界層不流動，速度與梯度增長呈非線性；（3）非牛頓流體的限定，達西定律不適用于非牛頓流體，如重油，泥漿等。

2　低速達西運動

2.1低速非達西滲流模型

受Klinkenberg效應影響，在低速下，流體運動不再只受粘滯系數影響，壓力損失不完全表現為粘滯阻力，并且開始滲透時過水斷面不斷發生變化，因此總體不符合達西定律。在進行大量實驗之后，多個模型被總結出來以描述低速非達西滲透運動，如劉曉旭建立了包括“滑脫動力”、“啟動壓差”、“綜合滲流速度”及“臨界壓力”和“臨界壓力”平方梯度”在內的能夠完整描述氣體滲流特征規律的數學模型，程時清給出了忽略非線性段的存在啟動壓力的模型。

2.2啟動壓力的成因探討

Hansbo觀測到在低滲介質中，滲流的發生要求一定的壓力梯度，為了標定這個值，多個假設被提出并建立模型進行預測。Irmay（1968）提出，啟動壓力梯度的通常來源于流體的非牛頓流變性狀；K.C.巴斯寧耶夫認為在低流速條件下，流體與介質表面由于相互作用，將形成穩定的膠狀溶液（凝膠狀膜），要實現滲流將破壞這層相互作用膜，由此產生啟動壓力梯度；Wang（2011）基于Klinkenberg效應與邊界層理論，認為啟動壓力主要來源于介質接觸處的邊界層，設計實驗計算了這層邊界層的厚度與啟動壓力梯度間的關系，認為邊界層厚度隨壓力梯度的升高而減小［1］。因此壓力梯度的來源主要基于邊界相互作用，而關于厚度與起始壓力梯度的模型建立還有待進一步研究。

2.3低速非達西滲流機制及影響因素

對于低滲的巖土介質，無論是單相還是多相流體，在低速條件下均不符合達西運動規律，而這中運動對于巖土工程影響至關重要。考慮Klinkenberg效應，多個模型被用于描述低速非達西運動，由此總結了關于低速非運動的幾個控制因素：（1）啟動壓力梯度的大小；（2）流體本身的性質包括粘滯系數，壓力梯度；（3）巖土介質如顆粒的表面粗糙程度、圓狀及空隙迂曲度的大小。

目前，多個基于某些影響因素的單一非達西運動模型已經建立，但缺乏定量的、能夠完整包括所有因素的綜合數學模型，這要求更深入的更完善的理論體系，同時也應當借鑒其他領域的研究方法，如分形幾何研究方法等，以此完善低滲透介質中非達西滲透理論，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　結語

隨著低滲透儲層，如頁巖氣、煤層氣、致密氣的工業勘探開發，以及各類巖土、水文工程的建設推進，低速非達西運動理論將擁有更加廣闊的應用前景。加深低速非達西運動理論的研究深度，綜合探明影響因素，將有助于低速非達西運動理論的應用拓展，有助于巖土工程的科學實施、清潔能源的利用和生態環境的保護。

［1］馮文光.天然氣非達西低速不穩定滲流.

［2］劉曉旭，胡勇，李寧，等.低滲砂巖氣藏氣體特殊滲流機理實驗研究與分析［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。