電測巖心滲透率實驗研究

劉富群 王佩瑤 熊德意 袁濤濤 盧晉 韓姍姍 陳金剛

摘 要：基于傳統滲透率測量原理與方法，對巖心滲透率測試方法進行了改進。電測巖心滲透率法的原理是用離子模擬氣體或液體分子，用電場模擬重力場，采用類比方法對達西公式進行修正，得出了電測巖心滲透率公式。采用物理實驗的方法對修正的理論公式進行了驗證。

關鍵詞：電測法；巖心滲透率；達西公式類比公式；構造電阻；電解

中圖分類號：TE312 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）27-0023-04

Abstract： Based on the traditional permeability measurement principle and method， the core permeability test method is improved. The principle of electric core permeability method is to simulate gas or liquid molecule by ion and gravity field by electric field. The Darcy formula is modified by analogy method and the formula of electrical core permeability is obtained. The modified theoretical formula is verified by physical experiment.

Keywords： electrical method； core permeability； Darcy formula； structural resistance； electrolysis.

1 概述

自從1856年法國工程師HenryDarcy提出滲流力學的基本定律一達西定律以來，國內外眾多學者都對滲透率的計算方法與影響因素開展了理論計算與實驗研究，丁述基[1]研究了達西定律的應用，趙文玉，王守春[2]研究了應用達西定律測滲透率時的能量變化，李奇，高樹生[3]等研究了巖心滲透率的計算方法與適用范圍。

本方法通過構造電阻測量滲透率。實驗中向沙柱中注入鹽溶液使沙柱內部的孔隙變為可以導電的離子通道，這樣沙柱的導電性就與沙柱孔隙的多少有關，即與沙柱的滲透率有關。且實驗基本通過一些間接方式來控制變量，從而達到驗證目的。如通過定量增加裝沙量來改變長度；通過面積比得出裝砂量之比，進而達到控制長度一定改變截面積。

2 巖心滲透率推導

3 巖心滲透率實驗方案

3.1 實驗儀器與裝置

儀器儀表：實驗主要儀器為直流恒壓源，型號EY3005

ET，該電源自帶電流表。測量儀器：量杯（量程0-30ml分度值1ml、量程0-250ml分度值25ml、量程0-500ml分度值50ml），陰極：鐵釘，陽極：石墨，電解質：非加碘食鹽，盛裝儀器：U型管3支（內徑分別為13.7mm、18.0mm、27.5mm），細沙3種（80目、120目、200目），溶劑：蒸餾水，電路控制部分：開關，導線：3根銅芯導線，實驗電路，見圖1。

3.2 實驗方案與流程

（1）在13.7mm的U形管加入5mI 80目的細沙，10mI

的蒸餾水，電壓調整為30V，測量電流值；（2）配置濃度為1C的鹽溶液，向內徑13.7mm的試管中加入10ml的蒸餾水和5ml 80目的細沙以及5m L1C濃度的鹽溶液測量電流值；（3）內徑18.0mm的U形管中加入25mI的80目細沙和適量1C濃度的鹽溶液，并通過微調電壓找到剛有電流時的臨界電壓U0，再測量電壓為3V時的電流，然后以3V為梯度，將電壓從0V調至30V，測量不同電壓下的電流值；（4）恒壓源電壓調整為30V，在第三步的基礎上，以25ml為梯度，再向內徑18mm的U形管中加入80目的細沙使U形管中沙柱的長度分別1L，2L，3L，4L，測量不同長度的電流值；（5）根據三個U形管的內徑算出面積比A1/A2/A3=0.5625/1.0000/2.3340，根據公式V=A×L，當控制三個U形管內的沙柱高度都為1L時，向三個U形管中應分別加入大約14ml，25ml，58ml的沙，再加入適量1C濃度的鹽溶液，電壓仍為30V，測量電流值的大小（6）配置濃度分別為為1C，2C，3C，4C的鹽溶液，依次向內徑為8mm的U形管中加入25ml 80目的細沙和各濃度的鹽溶液，電壓為30V，測量電流值；（7）以120目和200目的細沙為實驗介質，重復上述操作流程。

實驗中：（1）100ml蒸餾水中加入3.3ml食用非加碘鹽的離子濃度為1C，（2）25ml的細沙在內徑18mm的U形管中長度為1L，（3）內徑18mm的U形管孔徑面積為1a。

4 實驗結果與分析

4.1 蒸餾水和沙的導電性實驗

為了驗證實驗采用的細沙和蒸餾水的電導率很低，對細沙和蒸餾水的混合液進行測量，分析其電導率對實驗的影響。

當電壓達到本實驗所用的最高電壓時，電流為零，說明本實驗采用的沙子和蒸餾水的導電性基本可以忽略。

4.2 鹽溶液和沙的導電性實驗

為了進一步說明測量滲透率時是離子的移動使電路中出現電流，在4.1的基礎上向溶液中加入一定量的鹽溶液并測量電流。

加入鹽溶液后，電流不為零，說明Nacl所電解出來的離子使電路接通，并且電解出的離子是溶液導電的主要原因。

4.3 電流I與電壓U-U0的關系

在控制沙柱長度、面積、溶液離子濃度和離子種類不變時，對電流與電壓的關系進行研究。

當控制U型管內沙柱長度、面積、溶液離子濃度和離子種類不變時，三種目數的沙子電壓U-U0與電流I的關系線為過原點的直線，說明二者成正比例關系。

4.4 電流I與長度的關系

在控制沙柱的面積、恒壓源電壓、溶液離子濃度和離子種類不變時，對電流與長度的關系進行研究。

當控制U型管內沙柱的面積、恒壓源電壓、溶液離子濃度和離子種類不變時，三種目數不同的沙子的電流I與沙柱長度的關系線為反比例函數的關系曲線，說明二者成反比例關系。

4.5 電流I與面積的關系

在控制沙柱的長度，恒壓源電壓，溶液離子濃度和離子種類不變時，對電流與面積的關系進行研究。

當控制U型管內沙柱的長度，恒壓源電壓，溶液離子濃度和離子種類不變時，三種不同目數沙子的電流I與沙柱面積A的關系線為過原點的直線，說明二者成正比例關系。

4.6 電流I與離子濃度的關系

在沙柱的長度、面積、恒壓源電壓、溶液的離子種類不變時，對電流與離子濃度的關系進行研究。

5 結束語

通過自制的實驗平臺并多次改變實驗介質進行實驗，得出以下結論：

（1）根據實驗數據，實驗中的電流I與離子濃度c、沙柱面積A、和電壓U-U0成正比，與長度L成反比，即驗證了公式I=k"cA（U-U0）/（μL）中I與c，A，L的關系。

（2）通過用電場模擬重力場，帶電離子模擬中性的氣體或液體分子可以達到測量滲透率的目的。

（3）向沙子的孔隙中注入鹽溶液可以增大電導率，在

較低電壓下也能有可以測量的電流，進而可以測量出滲透率。

參考文獻：

[1]丁述基.達西及達西定律[J].水文地質工程地質，1986（03）：33-35.

[2]趙文玉，王守春.對達西定律的能量分析[J].地下水，1993（04）：146-148.

[3]李奇，等.巖心滲透率的計算方法與適用范圍[J].天然氣工業，2015，35（3）：68-73.

[4]吳靜方.達西公式與阻尼系數[J].地下水，1988（01）：18-22+17.

[5]胡蕙蓮.電解食鹽水原理演示[J].化學教學，1984（06）：27-28.