Проницаемость (науки о Земле) - Permeability (Earth sciences)

Эта статья поднимает множество проблем. Пожалуйста помоги Улучши это или обсудите эти вопросы на страница обсуждения. (Узнайте, как и когда удалить эти сообщения-шаблоны) Эта статья нужны дополнительные цитаты для проверка. Пожалуйста помоги улучшить эту статью к добавление цитат в надежные источники. Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален Найдите источники: "Проницаемость" наук о Земле  – Новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR (Апрель 2008 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения) Эта статья включает в себя список общих Рекомендации, но он остается в основном непроверенным, потому что ему не хватает соответствующих встроенные цитаты. Пожалуйста, помогите улучшать эта статья введение более точные цитаты. (Сентябрь 2014 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Символ, используемый для представления на месте испытания на проницаемость на геотехнических чертежах

Проницаемость в механика жидкости и Науки о Земле (обычно обозначается как k) является мерой способности пористый материал (часто камень или неуплотненный материал), чтобы жидкости могли проходить через него.

Проницаемость среды связана с пористость, но также и формы пор в среде и степени их связности.

Проницаемость

Проницаемость - это свойство горных пород, которое указывает на способность флюидов (газа или жидкости) течь через породы. Высокая проницаемость позволит флюидам быстро перемещаться через породу. На проницаемость влияет давление в горной породе. Единица измерения называется Дарси, названный в честь Генри Дарси (1803–1858). Проницаемость песчаников может варьироваться от менее единицы до более 50 000 миллидарциев (мД). Проницаемость чаще всего находится в диапазоне от десятков до сотен миллидарси. Порода с пористостью 25% и проницаемостью 1 мД не даст значительного потока воды. Такие «плотные» породы обычно искусственно стимулируются (разламываются или подвергаются кислотной обработке) для создания проницаемости и обеспечения притока.

Единицы

В SI единица измерения проницаемости м². Практическая единица проницаемости - это Дарси (d), или чаще миллидарси (мкр) (1 дарси ${ Displaystyle приблизительно}$10⁻¹²м²). Название дано французскому инженеру Генри Дарси, который первым описал поток воды через песчаные фильтры для питьевого водоснабжения. Значения проницаемости для песчаников обычно колеблются от долей Дарси нескольким Дарси. Единица см² также иногда используется (1 см² = 10⁻⁴ м² ${ Displaystyle приблизительно}$ 10⁸ г).

Приложения

Эта секция нуждается в расширении. Вы можете помочь добавляя к этому. (Февраль 2016 г.)

Понятие проницаемости важно при определении характеристик потока углеводороды в масло и газ резервуары^[1], и из грунтовые воды в водоносные горизонты ^[2].

Для того чтобы порода считалась пригодным для эксплуатации углеводородным коллектором без интенсификации притока, ее проницаемость должна быть больше, чем приблизительно 100 мД (в зависимости от природы углеводородного газа - газовые коллекторы с более низкой проницаемостью все еще могут быть использованы из-за более низкой вязкость газа по отношению к нефти). Породы с проницаемостью значительно ниже 100 мД могут образовывать эффективные уплотнения (видеть нефтяная геология ). Неконсолидированные пески могут иметь проницаемость более 5000 мД.

Эта концепция также имеет множество практических приложений за пределами геологии, например, в химическая инженерия (например., фильтрация ), а также в области гражданского строительства при определении, подходят ли грунтовые условия участка для строительства.

Описание

Проницаемость является частью константы пропорциональности в Закон Дарси который связывает расход (расход) и физические свойства жидкости (например, вязкость ) к градиенту давления, приложенному к пористой среде ^[3]:

${ displaystyle v = { frac {k} { mu}} { frac { Delta P} { Delta x}}}$ (для линейного потока)

Следовательно:

${ Displaystyle к = v { гидроразрыва { mu Delta x} { Delta P}}}$

куда:

${ displaystyle v}$ это скорость жидкости через пористую среду (т.е. средняя скорость потока, рассчитанная так, как если бы жидкость была единственной фаза присутствует в пористой среде) (м / с)

${ displaystyle k}$ - проницаемость среды (м²)

${ displaystyle mu}$ динамичный вязкость жидкости (Па · с)

${ displaystyle Delta P}$ применяется давление разница (Па)

${ displaystyle Delta x}$ толщина слоя пористой среды (м)

В природных материалах значения проницаемости варьируются на много порядков (см. Таблицу ниже для примера этого диапазона).

Отношение к гидравлической проводимости

Глобальная константа пропорциональности для потока воды через пористую среду называется гидравлическая проводимость. Проницаемость является частью этого и является специфическим свойством, характерным для твердого каркаса и микроструктуры самой пористой среды, независимо от природы и свойств жидкости, протекающей через поры среды. Это позволяет учитывать влияние температуры на вязкость жидкости, протекающей через пористую среду, и обращаться к другим жидкостям, кроме чистой воды. например, концентрированный рассолы, нефть, или же органические растворители. Учитывая значение гидравлической проводимости для исследуемой системы, проницаемость можно рассчитать следующим образом:

${ Displaystyle к = К { гидроразрыва { му} { rho g}}}$

куда

• ${ displaystyle k}$ - проницаемость, м²
• ${ displaystyle K}$ - гидравлическая проводимость, м / с
• ${ displaystyle mu}$ - динамическая вязкость жидкости, Па · с
• ${ displaystyle rho}$ - плотность жидкости, кг / м³
• ${ displaystyle g}$ - ускорение свободного падения, м / с².

Определение

Проницаемость обычно определяется в лаборатории путем применения Закон Дарси в стационарных условиях или, в более общем смысле, путем применения различных решений к уравнение диффузии для условий нестационарного потока.^[4]

Проницаемость необходимо измерять либо напрямую (с использованием закона Дарси), либо через оценка с помощью эмпирически производные формулы. Однако для некоторых простых моделей пористой среды проницаемость можно рассчитать (например, случайная плотная упаковка одинаковых сфер ).

Модель проницаемости на основе потока в трубопроводе

На основе Уравнение Хагена – Пуазейля для вязкого течения в трубе проницаемость может быть выражена как:

${ displaystyle k_ {I} = C cdot d ^ {2}}$

куда:

${ displaystyle k_ {I}}$ - собственная проницаемость [длина²]

${ displaystyle C}$ безразмерная константа, связанная с конфигурацией проточных путей

${ displaystyle d}$ это средняя или эффективная пора диаметр [длина].

Абсолютная проницаемость (также известная как внутренняя или удельная проницаемость)

Абсолютная проницаемость обозначает проницаемость пористой среды, которая на 100% насыщена однофазным флюидом. Это также можно назвать внутренняя проницаемость или же удельная проницаемость. Эти термины относятся к качеству, при котором рассматриваемое значение проницаемости является интенсивное свойство среды, а не пространственное среднее неоднородного блока материала^{[требуется разъяснение ][требуется дальнейшее объяснение ]}; и что это функция только структуры материала (а не жидкости). Они явно отличают ценность от ценности относительная проницаемость.

Газопроницаемость

Иногда проницаемость для газов может несколько отличаться от проницаемости жидкостей в той же среде. Одно различие связано с «проскальзыванием» газа на границе с твердым телом.^[5] когда газ длина свободного пробега сопоставим с размером пор (примерно от 0,01 до 0,1 мкм при стандартной температуре и давлении). Смотрите также Кнудсеновская диффузия и перетяжка. Например, измерение проницаемости через песчаники и сланцы дало значения от 9,0 × 10⁻¹⁹ м² до 2,4 × 10⁻¹² м² для воды и 1,7 × 10⁻¹⁷ м² до 2,6 × 10⁻¹² м² для газообразного азота.^[6] Газопроницаемость пластовая порода и материнская порода важно в нефтяная инженерия, при рассмотрении оптимального извлечения сланцевый газ, плотный газ, или же метан угольных пластов.

Тензорная проницаемость

Для моделирования проницаемости в анизотропный СМИ, проницаемость тензор необходим. Давление может применяться в трех направлениях, и для каждого направления проницаемость может быть измерена (с помощью закона Дарси в 3D) в трех направлениях, что приводит к тензору 3 на 3. Тензор реализован с использованием 3 на 3 матрица будучи обоими симметричный и положительно определенный (Матрица SPD):

• Тензор симметричен по Взаимные отношения Онзагера.
• Тензор положительно определен как составляющая потока параллельно чтобы падение давления всегда было в том же направлении, что и падение давления.

Тензор проницаемости всегда диагонализуемый (будучи одновременно симметричным и положительно определенным). В собственные векторы даст основные направления потока, то есть направления, в которых поток параллелен перепаду давления, а собственные значения представляющие основные проницаемости.

Диапазоны общей внутренней проницаемости

Эти значения не зависят от свойств жидкости; см. таблицу, полученную из того же источника, для значений гидравлическая проводимость, которые зависят от материала, через который протекает жидкость.^[7]

Смотрите также

• Гидравлическая проводимость
• Гидрогеология
• Проницаемость
• Нефтяная геология
• Относительная проницаемость
• Поправка Клинкенберга
• Измерение удельного электрического сопротивления бетона

Сноски

Рекомендации

• Ван, Х. Ф., 2000. Теория линейной пороупругости с приложениями к геомеханике и гидрогеологии, Princeton University Press. ISBN  0-691-03746-9

внешняя ссылка

• Определение проницаемости
• Адаптация пористой среды для контроля проницаемости
• Проницаемость пористой среды
• Графическое изображение различных скоростей потока через материалы с различной проницаемостью
• Веб-калькулятор пористости и проницаемости с учетом характеристик потока
• Многофазный поток жидкости в пористой среде
• Флоридский метод испытания удельного сопротивления бетона как электрического показателя его проницаемости