第四章 土的渗透性和渗流问题 第一节 概述 土是由固体相的颗粒、孔隙中的液体和气体三相组成的，而土中的孔隙具有连续的性质，当土作为水土建筑物的地基或直接把它用作水土建筑物的材料时，水就会在水头差作用下从水位较高的一侧透过土体的孔隙流向水位较低的一侧。 渗透：在水头差作用下，水透过土体孔隙的现象 渗透性：土允许水透过的性能称为土的渗透性。 水在土体中渗透，一方面会造成水量损失，影响工程效益；另一方面将引起土体内部应力状态的变化，从而改变水土建筑物或地基的稳定条件，甚者还会酿成破坏事故。 此外，土的渗透性的强弱，对土体的固结、强度以及工程施工都有非常重要的影响。 本章将主要讨论水在土体中的渗透性及渗透规律，以及渗透力渗透变形等问题。 第二节 土的渗透性 一、土的渗透规律——达西定律 (一)渗流中的总水头与水力坡降 液体流动的连续性原理：（方程式） dw v dw v w w ??=2 211 2211v w v w = 1 221w w v v = 表明：通过稳定总流任意过水断面的流量是相等的；或者说是稳定总流的过水断面的 平均流速与过水断面的面积成反比。 前提：流体是连续介质 流体是不可压缩的； 流体是稳定流，且流体不能通过流面流进或流出该元流。 理想重力的能量方程式（伯努利方程式1738年瑞士数学家应用动能定理推导出来的。） c g v r p Z =++22 饱和土体空隙中的渗透水流，也遵从伯努利方程，并用水头的概念来研究水体流动中 的位能和动能。 水头：实际上就是单位重量水体所具有的能量。 按照伯努利方程，液流中一点的总水头h ，可以用位置水头Z ，压力水头U/r w 和流速水
达西渗透实验 1实验目的 （1） 测定均质沙的渗透系数k 值； （2） 测定通过沙体的渗透流量与水头损失的关系，验证达西定律。 （3） 通过试验，确定水流通过沙体的雷诺数，判别达西定律的适用范围。 2.实验设备与仪器 实验设备由活动盛水容器、溢流板、进水管、滤板、盛沙桶、溢流管和测压管组成。测量仪器为量筒、秒表、温度计。 3.实验原理 液体在空隙介质中流动时，由于液体具有粘性，在液体流动中会引起水头损失 1856年法国工程师H.Darcg 在装满沙的圆筒中进行实验。因为渗流流速极为微小，所以流速水头可以忽略不计。因此总水头H 可以用测压管水头h 来表示。水头损失h w 可以用测压管水头差来表示，即 γ/p Z h H +== （1） 21-h h h w = （2） 水力坡度可用测压管水头坡度来表示，即 L h h L h J w 2 1-== 达西分析了大量的实验资料表明，渗流量Q 与圆筒断面面积A 及水头损失h w 成正 比，与断面间距L 成反比，并和土壤的透水性有关，达西得到了如下基本关系式 L h h kA kAJ Q 2 1-== （3） L h h k kJ A Q v 21-=== （4） )/(AJ Q k = （5） 式中，v 为渗流的断面平均流速；γ/111p Z h +=，γ/222p Z h +=， k 为反映孔隙介质透水性能的一个综合系数，即渗透系数。 式（3）~（5）所表示的关系称为达西定律，它是渗流的基本定律。由式（4）可以看出，渗透速度V 与水力坡度J 成线性关系，所以达西定律又称为线性渗流定律。 渗透系数k 是反映土壤透水性的一个综合指标，其大小主要取决于土壤颗粒的形状、大小、均匀程度以及地质构造等孔隙介质的特性，同时也和流体的物性如粘滞性和重度等有关。因此k 值将随孔隙介质的不同而不同；对于同一介质，也因流体的不同而有差别；即使同一流体，当温度变化时重度和粘滞系数也有所变化，因而k 值也有所变
不同填料的渗透系数测定实验——达西定律 一、实验意义 通过描绘流速与水头差的函数关系图，来确定渗透流量与水头损失的关系，从而来验证达西定律。以及通过平行实验和对比实验，对数据进行比较处理，从而可知那些数据受到粒径的影响。 二、实验目的 1.了解达西实验装置，通过稳定流条件下的渗流实验，测定不同粒径填料的渗透系数k 值。 2.加深理解渗流速度、水力梯度、渗透系数之间的关系，并验证达西定律。 二、实验仪器 1.达西实验装置（自行设计），分别装有不同粒径的均质试样：①砂体（粒径＜0.5mm ，0.7~1mm ）；②煤块（粒径5~10mm ）；③砖块（粒径5~10mm ）。 2.秒表、量筒、直尺、温度计、电子称等。 三、实验原理 室内渗透系数测定是根据达西关于多孔介质中地下水的线性渗透定律而设计的。由达西定律，在常水头条件下，水流在单位时间内透过岩石空隙的流量（Q ）与岩石的断面面积（ω）、水力坡度（I ）成正比：测定不同试样的渗透系数。 H Q K K I L ω ω?== 式中：Q ——渗透流量（cm 3）； ω——过水断面面积（cm 2）；?H ——上下游过水断面的水头差（cm ）；L ——渗透途径（cm ）；I ——水力梯度。 由上式可推知，Q V K I I ω==，亦即，渗透系数在数值上等于水力坡度为1时，透过某单位过水断面 的渗流量（亦即渗流速度）。 达西实验装置示意图 1—试样；2—进水管；3—出水管；4—测压管；5—溢流口；6—仪器架 四、实验步骤 1 2 3 4 6 5
1．测量仪器的几何参数。 分别测量过水断面面积（ ω ）、测压管a 、b 的间距或渗透途径（L ）；记入（表1）。 2．调试仪器。 打开进水管，将水引入实验筒内，底部控制阀T 打开，此时要保持溢水管有少量水溢出，这时可以进行第一次实验。 3．测定水头 待a 、b 两个测压管的水位稳定后，读出各测压管的水头值，记入（表1）中。 4．测定流量 在进行步骤3的同时，利用秒表和量筒测量t 时间内水管流出的水体积，及时计算流量Q 。连测两次，使流量的相对误差小于5％[相对误差]，2112100% ()/2 Q Q Q Q δ -= ?+取平均值记入（表1）。 5．由大往小调节进水量，改变a 、b 两个测压管的读数，重复步骤3和4。 6．重复第5步骤8-10次。即完成8-10次实验，取得8-10组数据。 7．按记录表计算实验数据。 五、注意事项 实验过程中要及时排除气泡。 为使渗透流速—水力梯度（v —I ）曲线的测点分布均匀，流量（或水头差）的变化要控制合适。 六、实验成果 提交实验报告表（表1）。 在同一坐标系内绘出三种试样的—曲线，并分别用这些曲线求渗透系数K 值，与直接数据（表1）中实验数据计算结果进行对比。 表1 达西渗流实验报告表 仪器编号： 过水断面面积（ω） （cm ） 渗透途径（L ） （cm ） 水温 （℃）
《土力学》第三章习题集及详细解答 第3章土的渗透性及渗流 一、填空题 1.土体具有被液体透过的性质称为土的。 2.影响渗透系数的主要因素有：、、、、、 。 3.一般来讲，室内渗透试验有两种，即和。 4.渗流破坏主要有和两种基本形式。 5.达西定律只适用于的情况，而反映土的透水性的比例系数，称之为土的。 二选择题 1.反应土透水性质的指标是（）。 A.不均匀系数 B.相对密实度 C.压缩系数 D.渗透系数 2.下列有关流土与管涌的概念，正确的说法是（）。 A．发生流土时，水流向上渗流；发生管涌时，水流向下渗流 B.流土多发生在黏性土中，而管涌多发生在无黏性土中 C.流土属突发性破坏，管涌属渐进式破坏 D.流土属渗流破坏，管涌不属渗流破坏 3.土透水性的强弱可用土的哪一项指标来反映？（）
A.压缩系数 B.固结系数 C.压缩模量 D.渗透系数 4.发生在地基中的下列现象，哪一种不属于渗透变形？（） A.坑底隆起 B.流土 C.砂沸 D.流砂 5.下属关于渗流力的描述不正确的是（）。 A.其数值与水力梯度成正比，其方向与渗流方向一致 B.是一种体积力，其量纲与重度的量纲相同 C.流网中等势线越密集的区域，其渗流力也越大 D.渗流力的存在对土体稳定总是不利的 6.下列哪一种土样更容易发生流砂？（） A.砂砾或粗砂 B.细砂或粉砂 C.粉质黏土 D.黏土 7.成层土水平方向的等效渗透系数与垂直方向的等效渗透系数的关系是（）。 A.> B.= C.< 8. 在渗流场中某点的渗流力（）。 A.随水力梯度增加而增加 B.随水利力梯度增加而减少 C.与水力梯度无关 9.评价下列说法的正误。（） ①土的渗透系数越大，土的透水性也越大，土的水力梯度也越大； ②任何一种土，只要水力梯度足够大，就有可能发生流土和管涌； ③土中任一点渗流力的大小取决于该点孔隙水总水头的大小； ④渗流力的大小不仅取决于水力梯度，还与其方向有关。 A.①对 B.②对 C.③和④对 D.全不对 10.下列描述正确的是（）。
实验一 达西定律验证实验 1 实验目的和要求 （1）测定均质沙柱的渗透系数K 值； （2）测定通过沙柱的渗流量与水头损失的关系，验证渗流的达西定律。 2 实验原理 液体在孔隙介质中流动时，由于粘滞性作用将会产生能量损失。达西（Henry Darcy ）在1852-1855年间通过实验，总结得出渗流能 量损失与渗流速度成一次方的线性规律，后人称为达西定律。 由于渗流速度很小，故速度水头可以忽略不计。因此总水头H 可用测压水头h 来表示，水头损失w h 可用测压水头差来表示，即 ， 于是，水力坡度J 可用测管水头坡度来表示： 12w h h h h J L L L -?= == 式中：L 为两个测压管孔之间距离；1h 与2h 为两个测压孔的测压水头。 达西通过大量实验，得到砂柱内渗流量Q 与过水断面面积A 和水力坡度J 成正比，并和砂的透水性能有关，所建立基本关系式如下： 12 h h Q KA KAJ L -==或者 式中v 为渗流简化模型的断面平均流速，即渗流速度；系数K 为反映孔隙介质透水性能的综合系数，即渗透系数。 实验中的渗流区为一圆柱形的均质砂体，属于均匀渗流，可以认为各点的流动状态是 相同的，任意点的渗流流速v 等于断面平均渗流流速，因此达西定律也可以表示为：v KJ =。 渗流雷诺数用下列经验公式求：1 0.750.23 e e vd R n υ = ? + 式中e d 为砂样有效粒径、v 为渗流速度、υ为流体的运动粘滞系数、n 为孔隙率。 3 实验仪器或设备 直立圆筒沙柱；供水箱；量筒；测压管；秒表等。
4 实验步骤 （1）记录基本常数，包括实验圆筒内径D 、测孔间距L及砂样有效粒径d e、孔隙率n 与水温T。 （2）开启供水管注水，让水浸透圆筒内全部砂体并使圆筒充满水；一般按流量从大到小顺 h），通过调节出水口位置高度（即序进行实验。本次实验采用固定供水箱以及该测压水头（ 1 h）来改变测压水头差。待水流稳定后，即可用体积法测定渗流量。 2 （3）依次调整水头，待水流稳定后进行上述测量，共测10次。 5 实验数据记录 （1）相关常数： 圆筒内径D=cm； 渗透路径L=cm； d= cm； 沙粒有效粒径 e 孔隙率n=； 渗透水温T=℃； 运动粘滞系数υ=cm2/s （2）实验记录表格 6 实验结果与数据处理 h，渗流量Q，水利坡度J，渗流速度v，渗透系数K，（1）计算出各测次的渗流水头损失 w 并填如下表； h的关系曲线； （2）给出流量Q与水头损失 w
低渗透油层的伤害与防治 面我们首先分析下油田在勘探开发过程中对低渗透性油 田到底有哪些潜在损害。这些潜在损害又是什么原因造成的了呢？研究发现对低渗透性油田的损害分为两大类，一类是油层本身具有一些的因素如岩石表面特性、敏感物矿物等等导致油层渗透率降低，致使油层遭到损害。另一类是外在环境和条件的变化，如油田勘探开发中的钻井、射孔、酸化等等，导致对低渗透性油田的损害。 面我们具体分析下对低渗透性油田造成损害的这些因素。 1 油层本身具有一些潜在的损害因素 1）低渗透性油田储层渗透能力低，油层薄井点平均空气 渗透率和平均有效孔隙度都比较低，由于油层物性差，油井自然产能低或根本无自然产能，必须压裂改造才能出油。这样就会对油层产生一定的损害。 2）粘土矿物质点微小、比表面积大，是低渗透砂岩储层 的重要胶结物，其存在和发育对低渗透性油田储层性质（特别是孔隙度和渗透率）具有较大影响。同时，粘土矿物通常会在颗粒或孔隙表面生成，在油田勘探开采过程中易与入侵流体发生比较强烈而快速的物理化学反应，发生膨胀、运移、水化、溶解等反应，使储层容易呈现水敏、酸敏、速敏等特性，对油藏开发会产生比较大的影响。 2 外在环境和条件的变化对低渗透性油田的损害 2.1射孔过程对低渗透油层的损害 在射孔过程中如果操作不当，对低渗透油层的损害是相当大的！如射孔过程中，井内液柱压力过大或者说液体性能比较差，通过射孔孔眼进入到油层的深层部位就会对油层产生巨大的损害。还有就是射孔?的碎小物体很容易堵塞射孔的孔眼，造成工作无法继续进行。 2.2压裂过程对低渗透油层的损害 压裂过程中很容易由于种种原因造成对油层的损害，这种损害一方
第二章 土的渗透性和渗流问题 第一节 概 述 土是多孔介质，其孔隙在空间互相连通。当饱和土体中两点之间存在能量差时，水就通过土体的孔隙从能量高的位置向能量低的位置流动。水在土体孔隙中流动的现象称为渗流；土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性。 土的渗透性是土的重要力学性质之一。在水利工程中，许多问题都与土的渗透性有关。渗透问题的研究主要包括以下几个方面： 1．渗流量问题。 例如对土坝坝身、坝基及渠道的渗漏水量的估算（图2－la 、b ），基坑开挖时的渗水量及排水量计算（图2－1C ），以及水井的供水量估算（图2－1d ）等。渗流量的大小将直接关系到这些工程的经济效益。 2．渗透变形（或称渗透破坏）问题。 流经土体的水流会对土颗粒和土体施加作用力，这一作用力称为渗透力。当渗透力过大时就会引起土颗粒或土体的移动，从而造成土工建筑物及地基产生渗透变形。渗透变形问题直接关系到建筑物的安全，它是水工建筑物和地基发生破坏的重要原因之一。由于渗透破坏而导致土石坝失事的数量占总失事工程数量的25%~30%。 3．渗流控制问题。 当渗流量和渗透变形不满足设计要求时，要采用工程措施加以控制，这一工作称为渗流控制。 渗流会造成水量损失而降低工程效益；会引起土体渗透变形，从而直接影响土工建筑物和地基的稳定与安全。因此，研究土的渗透规律、对渗流进行有效的控制和利用，是水利工程及土木工程有关领域中的一个非常重要的课题。 第二节 土的渗透性 一、土的渗透定律—达西定律 （一）渗流中的总水头与水力坡降 液体流动除了要满足连续原理外，还必须要满足液流的能量方程，即伯努里方程。在饱和土体渗透水流的研究中，常采用水头的概念来定义水体流动中的位能和动能。水头是指单位重量水体所具有的能量。按照伯努里方程，液流中一点的总水头h ，可用位置水头Z 、压力水头w u γ和流速水头g v 22 之和表示，即 1)-(2 22 g v u z h w ++=γ 式(2—1)中各项的物理意义均代表单位重量液体所具有的各种机械能，其量纲为长度。 对于流经土体中A 、B 二点渗流（图2－2），按照式（2－1），A 、B 两点的总水头可分别表示为： g v u z h g v u z h B w B B A w A A 22222 1++=++=γγ 且 h h h ?+=21
项目名称：低渗砂岩油藏渗流机理及提高采收率方法 推荐单位（专家）：教育部 项目简介： 我国低渗油藏储量巨大，开发难度大，采收率很低，提高采收率的资源潜力巨大。但是，目前国内外对于低渗油藏提高采收率研究基础尚很薄弱，亟待开展深入、系统的研究。针对这一迫切需求，在“973”前期研究专项、国家自然科学基金等10个国家重大项目的持续支持下，历经10余年，取得了低渗油藏渗流和驱油理论的重要突破和提高采收率方法的创新成果。 发现了水、油、聚合物溶液等液体的低速微尺度流动效应，揭示了液体在低渗油藏中的微尺度渗流机理，据此建立了低渗油藏的水测视渗透率模型；发现了不同于传统“滑脱理论”的气体高压微尺度流动效应，据此建立了低（特低）渗岩心气测渗透率模型；基于理论创新，发明了低渗岩心物性测试方法和仪器。 建立了低渗油藏启动压力梯度模型和渗透率压敏模型，研发了“低渗透油藏非线性渗流数值模拟软件”；建立了超前注水优化设计方法，自主研发了润湿反转降压增注和强酸性压裂液高效压裂技术，解决了制约低渗油藏开采的能量不足、注水困难等瓶颈问题。 揭示了低渗油藏不同于高渗油藏的渗吸排油、乳化微调、改善润湿性等化学驱机理，据此研发了强乳化、适度低张力的低渗油藏化学驱剂；发现CO2具有的强化渗吸和乳化特性、高压气体异于经典理论的强注入能力和剩余油启动能力是其在低渗油藏中的重要驱油机理，；提出了低（特低）渗油藏间歇注采、脉动注气等非常规气驱方法。 揭示了低渗油藏中水/气窜机理及相关规律；发现低渗油藏剩余油具有异常高的临界驱动压力；原创性地研发了原位聚合插层型复合凝胶和凝胶微囊深部调剖剂；形成了低渗油藏深部复合调剖技术，并取得了规模应用的显著效果。 创新成果获授权发明专利6项、实用新型专利5项，获软件著作权2项，出版教材3部，专著1部发表学术论文330篇（其中SCI收录34篇，EI收录85篇，论著被SCI他引98次、被EI他引136次、被CNKI他引2286次）；创新成果与技术已在吉林、长庆、江汉、大庆等油田应用，受效油井2000余口，累计增油77.6万吨，成果应用获直接经济效益20亿元 经教育部组织的专家组鉴定：“该成果整体达到国际先进水平，其中微尺度渗流与驱油机理达到国际领先水平。” 主要完成单位及创新推广贡献： （1）中国石油大学（北京）。中国石油大学（北京）针对低渗油藏微尺度渗流机理和驱油‐调驱技术的研究成立了专门的研究小组，为该技术提供了优良的实验条件，为该项目的顺利进行提供了资金支持。主要贡献为：①实验研究了油、气、水低渗油藏孔隙中的微尺度流动效应，揭示了低渗油藏中水的低速非线性渗流和高压气体的非Klinkenberg渗流机理。②建立了低渗岩心水测视渗透率、气测渗透率模型和表征低渗储层驱油特性的孔渗系数模型。③低渗透油藏驱油剂的关键性能指标和与驱油‐调驱技术配套的驱油乳化剂优化研究。④研发了具有自主知识产权的强窜流低渗油藏原位聚合插层型复合凝胶和低注入粘度的地下聚合凝胶深部调剖体系。⑤建立了低渗油藏有效驱替系统的井网优化方法；提出了低渗油藏非常规非均衡注水提高单产能的方法。⑥地层适应性研究并制订了选井条件，在全国4个主要低渗透油田开展现场试验。 （2）中国石油天然气股份有限公司吉林油田分公司勘探开发研究院。主要
第三章：土的渗透特性及渗透稳定 土中水运动规律——土的渗透性。渗透：水透过土体孔隙的现象。渗透性：土允许水透过的性质称为土的渗透性。土石坝坝基坝身渗流、板桩围护下的基坑渗流、水井渗流、渠道渗流。 达西定律——水在土中的渗透速度与土的水力梯度成正比v=k·i （水力梯度i ，即沿渗流方向单位距离的水头损失） 密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透;同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系 。达西定律适用于层流，不适用于紊流。 1.常水头试验——整个试验过程中水头保持不变。适用于透水性大（k>10-3cm/s ）的土，例如砂土。 hAt QL k At L h k kiAt vAt qt Q = ?==== 2.变水头试验——整个试验过程水头随时间变化。适用于透水性差，渗透系数小的粘性土。 任一时刻t 的水头差为h ，经时段dt 后，细玻璃管中水位降落dh ，在时段dt 内流经试样的水量dQ=－a·dh 在时段dt 内流经试样的水量dQ=k.I.A.dt=k.A.h/L.dt 管内减少水量＝流经试样水量 －a.dh=k.A.h/L.dt 分离变量，积分 2 112ln )(h h t t A aL k -= 3.现场抽水试验——单一土层可以取样在室内测定，实际上土体都是成层的，有时室内测定结果很难代表现场实际，这时亦可采用现场测试方法确定k 值。根据井底土层的情况此井可分为完整井（井底位于不透水层）和非完整井（井底位于透水土层）两种类型；假设抽水孔钻至不透水层层面，属于完整井。钻孔——1个抽水孔，1～2个观测孔，开始抽水！ 在△t 时间内，抽水量为Q ，并在土中形成一个降落漏斗，假定在任一半径处，水头梯度为常数，即i=dh/dr ， 任一点的过水断面为2.π.r.h 。Q=k.i.A. △ t=k.(dh/dr).A. △ t=k.(dh/dr).(2.π.r.h). △ t 4.水平渗流层状地基的等效渗透系数 条件：L h i i j ?= = ∑=jx x q q ∑=j H H 等效渗透系数：H i k H v q x x x ??==， ∑∑∑==j j j j j jx H k i H i k q 即得：j j x H k H k ∑= 1 常水头 变水头 L h i = ?? ??????=?21 21 2h h r r dh h t k r dr Q π)(ln 212 21 2h h t k r r Q -????=?π1 2 2122ln )(r r h h t Q k ?-???= πQ 截面面积a
双环渗透 8.1试验的目的 双环法试验是野外测定包气带非饱和松散岩层的渗透系数的常用的简易方法，试验的结果更接近实际情况。利用这个试验资料研究区域性水均衡以及水库、灌区、渠道渗漏量等都是十分重要的。 8.2试验的适用范围 对砂土和粉土，可采用试坑法或单环法，对粘性土应采用试坑双环法 8.3试验的基本原理 水在土中的流动符合达西定律，水在土的孔隙中流动时，大多数情况下流速较小，可以认为属于层流（即水流流线相互平行的流动）。则渗透速度与水力坡降成正比。当水力坡降为1时的渗透速度称为土的渗透系数。对于饱和土的渗透现象常用达西定律来表示。即 v= k =或 kIF q I 在一定的水文地质边界以内，向地表松散岩层进行注水，使渗入的水量达到稳定，即单位时间的渗入水量近似相等时，再利用达西定律的原理求出渗透系数（K）值。在坑底嵌入两个高约50cm，直径分别为0.25m和0.50m的铁环，试验时同时往内、外铁环内注水，并保持内外环的水柱都保持在同一高度，以0.1m为宜，由于外环渗透场的约束作用使内环的水只能垂向渗入，因而排除了侧向渗流的误差，因此它比试坑法和单环法的精度都高。 8.4 试验仪器及制样工具 双环、铁锹、水平尺、量筒、笔直的树枝 双环：（外环：上底0.5m，下底0.5m，高0.25m；内环：上底0.25m，下底0.25m，高0.25m）。 8.5试验的操作步骤 （1）选择试验场地，最好在潜水埋藏深度大于5m的地方为好。如果潜水埋深小于2m时，因渗透路径太短，测得的渗透系数不真实，就不要使用渗水试验； （2）按双环法渗水试验示意图，安装好试验装置。 （3）往内、外铁环内注水，并保持内外环的水柱都保持在同一高度，以0.1m为宜。 （4）按一定的时间间隔观测渗入水量。开始时因渗入量大，观测间隔时间要短，
低渗透油藏地层结垢防治技术 提要：在油田结垢的三大部位中，油藏地层结垢对油田生产的危害程度和防治难度都远远大于井筒和地面集输系统结垢。对油藏地层结垢的防治方法是向油层挤入螯合型除垢剂和吸附型防垢剂。1991～2006年，长庆低渗透油田采用挤注化学剂法实施的47口采油井清防垢作业，有42口见到了增产效果，累计增产原油29578 t，平均单井增油629.3 t，平均有效期11.4个月；所实施的6口注水井增注作业，日注水总量由196 m3提高到215 m3，平均吸水指数由2.20 m3/d·MPa上升到2.49 m3/d·MPa。 关键词：油藏地层结垢螯合型除垢剂挤注型防垢剂现场实施效果 1 长庆油区地质和结垢特征 长庆油区目前已经开发的油藏有侏罗系延安组和三叠系延长组，其中以低渗透和特低渗透油藏为主。全油区平均渗透率56.6×10-3 μm2，其中特低渗透油藏仅有2.0×10-3 μm2。地层水含盐量高达130 g/L，水型以CaCl2为主，而注入水以NaSO4为主，地层结垢地质特征明显。特低渗透油藏胶结物中酸敏性矿物含量6.19%，是常规酸处理工艺造成储层伤害的潜在因素。经过三十多年的注水开发，早期投入注水开发的中等和中低渗透油藏以及低渗透油藏都已进入中、高含水期，油田结垢和垢下腐蚀已成为困扰油田生产的两大突出问题。 上世纪九十年代末，长庆油田在结垢最为严重的马岭地区，分别于采油井附近、注水井附近及采油井和注水井中间等不同部位钻了10 口结垢检查井。通过对所获取地层岩样的矿物学鉴定，并分析了鉴定结果与检查井所在地区油田地质和生产动态的对应关系，得到如下结论：①在多数岩样的微孔隙中发现了重晶石、石膏等新生矿物微晶。②地层结垢与岩样水洗程度有明显的对应关系：处于油层下部的高渗透层水洗程度较大，含水率较高，注入水与地层水的接触较充分，结垢倾向较大。③地层结垢类型与检查井所处位置有关：位于注水井附近的检查井，由于受到充分的注水驱替，地层剩余油饱和度较低、油层温度较低，结硫酸钡垢的倾向较大；位于采油井附近的检查井，地层剩余油饱和度较高、油层温度较高，结硫酸钙垢的倾向较大；位于注水井和采油井中间的检查井，结混合垢的倾向较大[1]。针对这一结垢特征，长庆油田在参考国内外清防垢技术的基础上，经过十几年的科研攻关，开发出一套以地层挤注法为主的油、水井地层结垢防治技术。 2 防治油藏地层结垢实施方案 2.1 油藏地层结垢防治机理 油藏地层结垢防治技术的基本原理是通过采油井或注水井向油层深部挤入防垢剂溶液，依靠防垢剂在地层岩石表面的吸附使其滞留在地层孔隙中，再随产出液或注入水而缓慢解吸附，使产出液或注入水中保持一定浓度的防垢剂。在挤完防垢剂段塞之后，再挤入螯合型除垢剂段塞清理井底、射孔眼及近距离地层结垢，达到既提高产液量或注水量又延长防垢有效期的目的。尽管以前人们已经习惯于采用向地层内挤入强酸性或强腐蚀性激产液的办法来解除地层堵塞，但无数经验告诉我们，这种做法所造成的油层损害是很难恢复的。所以从保护油层的角度出发，不主张向远距离地层挤入强酸性或强腐蚀性化学剂。 在采油井清、防垢施工中，当完成挤注恢复生产时，被挤入地层的化学剂会随产出液排出地面。为减少化学剂的浪费，用于采油井施工的化学剂，宜采用低浓度和大剂量的原则。而在注水井清、防垢施工中，当完成挤注恢复注水时，被挤入地层的化学剂会随注入水向远
第二篇 土力学 第四章 土的渗透性和渗流问题 第一节 概述 土是由固体相的颗粒、孔隙中的液体和气体三相组成的，而土中的孔隙具有连续的性质，当土作为水土建筑物的地基或直接把它用作水土建筑物的材料时，水就会在水头差作用下从水位较高的一侧透过土体的孔隙流向水位较低的一侧。 渗透：在水头差作用下，水透过土体孔隙的现象 渗透性：土允许水透过的性能称为土的渗透性。 水在土体中渗透，一方面会造成水量损失，影响工程效益；另一方面将引起土体内部应力状态的变化，从而改变水土建筑物或地基的稳定条件，甚者还会酿成破坏事故。 此外，土的渗透性的强弱，对土体的固结、强度以及工程施工都有非常重要的影响。 本章将主要讨论水在土体中的渗透性及渗透规律，以及渗透力渗透变形等问题。 第二节 土的渗透性 一、土的渗透规律——达西定律 (一)渗流中的总水头与水力坡降 液体流动的连续性原理：（方程式） dw v dw v w w ?? =2 21 1 2211v w v w = 1 2 21w w v v = 表明：通过稳定总流任意过水断面的流量是相等的；或者说是稳定总流的过水断面的 平均流速与过水断面的面积成反比。 前提：流体是连续介质 流体是不可压缩的； 流体是稳定流，且流体不能通过流面流进或流出该元流。 理想重力的能量方程式（伯努利方程式1738年瑞士数学家应用动能定理推导出来的。） c g v r p Z =++22 饱和土体空隙中的渗透水流，也遵从伯努利方程，并用水头的概念来研究水体流动中 的位能和动能。 水头：实际上就是单位重量水体所具有的能量。 按照伯努利方程，液流中一点的总水头h ，可以用位置水头Z ，压力水头U/r w 和流速水 头V 2/2g 之和表示，即 g v r u Z h w 22 ++= 4-1 此方程式中各项的物理意义均代表单位重量液体所具有的各种机械能，而其量纲都是 长度。
达西定律电子教材 《土工技术与应用》项目组 2015年3月
达西定律 （一）达西定律 早在1856年，法国工程师达西(H.Darcy)用渗透试验装置对不同粒径的砂土进行大量的试验研究，发现渗流为层流状态时，水在砂土中的渗透流速与土样两端的水头差h成正比，而与渗径长度L成反比，即渗透速度与水力坡降成正比。可用下列关系式表示： (1) 或 (2) 式中——断面平均渗透流速，cm/s或m/d； i——水力坡降，表示单位渗径长度上的水头损失（i=h/L）； k——土的渗透系数，其物理意义是水力坡降i=1时的渗透流速，与渗透流速的量纲相同，是表示土的渗透性强弱的指标； Q——渗透流量，cm3／s或m3/d; A——垂直于渗流方向的土样截面面积，cm2或m2。 式(1)、式(2)即为达西定律（或称渗透定律）的表达式。式(1)表示渗透速度与水力坡降的线性关系，即渗透速度与水力坡降成直线关系，如图1(a)所示。 渗透水流实际上只是通过土体内土粒之间的孔隙发生流动，而不是土的整个截面。达西定律中的渗透速度则为土样全截面的平均流速，并非渗流在孔隙中运动 的实际流速。由于实际过水截面小于土体截面A，因此，实际平均渗透流速大于达西定律中的平均渗透速度，两者的关系为： (3) 式(3)中 n——土的孔隙率。 （二）达西定律的适用范围 达西定律是描述层流状态下渗透速度与水力坡降关系的基本规律，即达西定律只适用于层流状态。在土建工程中遇到的多数渗流情况，均属于层流范围。如坝基和灌溉渠道的渗透量以及基坑、水井的涌水量的计算，均可以用达西定律来解决。
研究表明，土的渗透性与土的性质有关。 (1)对于密实的黏土，其孔隙主要为结合水所占据，当水力坡降较小时，由于受到结合水的黏滞阻力作用，渗流极为缓慢，甚至不发生渗流。只有当水力坡降达到某一数值克服了结合水的黏滞阻力作用后，才能发生渗流。渗流速度与水力坡降呈非线性关系，如图1(b)中的实线所示。工程中一般将曲线简化为直线关系，如图1(b)中的虚线所示，并可用下式表示： (4) 式(4)中——密实黏土的起始水力坡降。 (2)对于某些粗粒土（如砾类土）和巨粒土中的渗流，只有在水力坡降较小的情况下，渗透速度与水力坡降呈线性关系，符合达西定律。随着水力坡降的增大，水在土中的渗流呈现紊流状态，渗透规律呈非线性关系，此时达西定律不再适用，如图1(c)所示。 图1土的渗透流速与水力坡降的关系
影响低渗透油田开发效果的因素及对策目前,低渗透油田储量在我国油田储量中所占的比例越来越大。近年,低渗透油田石油勘探和开发程度的快速发展,为我国天然气产量快速发展和原油产量稳定增长做出了重大贡献。但随着时间的延长,低渗透油田开发过程出现一些影响开发效果的因素,不但影响了油田的安全生产,而且影响了油田开发的经济效益。 1影响低渗透油田开发效果的主要因素 影响低渗透油田的开发效果的因素有很多,其中最主要的就是技术方面的影响。 1.1油层孔喉的影响 影响低渗透油层开采根本原因是储层孔喉细小和比表面积大。低渗透油层平均孔隙直径为26~43μm;油层孔喉细小,半径中值只有0. 1~2. 0μm;比表面积相对较大,在2~20 m2/g之间;三者之间直接形成了渗透率低。 1.2渗流规律的影响 低渗透储层的渗流规律具有启动压力梯度特点,是不遵循达西定律的。低渗透油田主要表现非达西型渗流特征:表面分子力和贾敏效应作用强烈、孔喉细小、比表面积和原油边界层厚度大。渗流直线段的延长线与压力梯度轴的交点即为启动压力梯度,是不通过坐标原点而与压力梯度轴相交,由于渗透率越低,所以启动压力梯度越大。 1.3弹性能量的影响 低渗透油田弹性能量除少数异常高压油田外,一般的油田弹性阶段采收率只有1% ~2%。弹性能量小主要是由于一般底、边水都不活跃,储层渗流阻力大、连通性差引起的。在消耗天然能量方式开采条件下,弹性能量压力和产量下降快,是由于地层压力大幅度下降,油田产量急剧递减,使生产和管理都非常被动。1.4见注水效果的影响
低渗透油田开发过程中,油井见注水效果尤为重要。在井距280 m左右的条件下,注水效果需注水半年至一年时间才见效,见效后油井产量、压力相对稳定,但上升现象很不明显。有部分油田的注水井因注不进水转为间歇注水或被迫关井停注,从而影响开发效果。低渗透油层采油指数相当于高、中渗透油层的几十分 之一,只有1~2t/(MPaod。低渗透油井见注水效果程度差,停止吸水是由于泵压与井口压力达到平衡时出现的。因为启动压力很高,渗流阻力大,而且吸水能力低,大部分能量都消耗在注水井周围,使注水井附近地层压力上升很快。 1.5产液(油指数的影响 低渗透油井见水后产液(油指数大幅度下降,是由于岩石润湿性和油水黏度比等多种因素影响的。当含水达到55 %左右时,无因次产液指数最低,只有0. 4左右,无因次采油指数更低,只有0.15左右,对油井见水后的提液和稳产造成极大困难。 1.6地应力的影响 地应力的大小和方向对开发效果具有重要的影响,因此,开发方案必须考虑地应力的影响和作用。压裂开发是低渗透油田通常进行的一种开发方式,压裂裂缝的延伸方向和形状很大程度受地应力的大小和方向制约。 2低渗透油田开发的主要对策 2.1合理加密井网 目前国内外已基本建立采收率及水驱控制程度与低渗油藏井网密度的关系的一系列经验方法。开发好低渗透油田的基础和关键是合理井网部署方案。低渗油藏、小断块开发的目标定位要适当,不宜过高,要充分考虑到低渗油田开发的复杂性,为此要根据采用线状注水方式、平行裂缝主要方向布井、井距可以加大、排距应该减小的低渗透油田井网部署的基本原则,合理缩小井距,加大井网密度。 2.2合理优选储量富集区块
低渗透油田注气驱油实验和渗流机理研究论文是基于低渗透油藏在注气驱油开发中所面临的实际问题，在总结前人已有成果的基础上，对低渗透油藏的气驱实验和渗流机理进行了研究，完成了以下研究工作： 1、全面系统地查阅了中外大量文献，为所做研究工作奠定了基础，使得研究的结果对低渗透油藏气驱具有广泛的适用性。 2、通过细管实验、长岩心实验、公式模拟预测和微观实验测定了原油与天然气、原油与 CO2最小混相压力，测得了不同压力下注气可以提高的驱替效率。 3、通过天然岩芯的长岩心实验得到了以下结论：①对 CO2驱，最小混相压力下，均质地层注气驱替方式对驱替效率有很大的影响，水气交替驱时有0.1HCPV（烃体积倍数）的气体段塞的驱替是好的选择，在提高驱替效率上，纯气驱优于水后气驱；水后气驱优于气水交替驱。②对天然气驱，非混相压力下，在水驱后天然气驱的实验中，驱替压差大多数在气驱时最大，当纯水驱驱替到含水98％以上后，再注入天然气时的驱替效率明显上升，含水率快速下降；水气交替驱的驱替效率与水后纯气驱的相近。 ③实验中，大庆榆树林油田注入CO2气体的最佳量为0.3到0.4HCPV，注水开发和CO2注气开发都能有效地向地层补充能量，是开发低渗透油田的有效方法。前期注水补充地层能量提高驱替效率要好些；中期注气要好些，CO2中加入少量氮气对驱替效率的负面影响很大；CO2中加入天然气对驱替效率的负面影响小。 4、通过实验研究揭示了一些新的气驱现象和机理：①通过局部混相和气体携带可以进一步增加气体突破后的驱替效率；②混相时碳组分的碳20以下含量有极大值，显示了原油中碳20以下组分含量对最小混相压力大小的影响；
低渗透油藏超前注水开发 摘要 随着勘探技术与油层改造工艺技术的不断提高以及我国能源发展战略的部署，低渗、特低渗油田储量的开发己成为我国陆上石油工业稳定发展的重要潜力,是未来石油工业可持续发展的技术方向，而低渗透油田或特(超)低渗透油田的储量比较丰富，将是今后相当一个时期内增储上产的主要资源基础，因此，对低渗透储层的勘探开发不可忽视，而研究低渗透油田的渗流机理和开采方案，开发技术有重大的意义，针对特低渗透油层流体渗流是具有启动压力梯度的非达西渗流以及油层具有弹一塑性形变等特点,在长期的合理开发方式探索过程中，油田提出了一种改善油藏开发效果的有效注水开发模式，即超前注水。 关键字：低渗透油藏；启动压力梯度；非线性渗流；注水参数； 第一章前言 1.1低渗透油藏超前注水研究的目的意义 据不完全统计,截止到2000年底,我国陆上低渗透油藏的探明地质储量约为52.14?108t占全部探明地质储量的26.1%。我国已经动用的低渗透油田地质储量为26.66?108t,占全部已动用储量的25.5%。可见低渗透油田或特低渗透油田的储量比较丰富,将是今后相当一个时期内增储上产的主要资源基础，而根据勘探趋势,低渗透储层的比例将越来越大,低渗透储层的产量也将越来越大，因此,对低渗透储层的勘探开发不可忽视,而研究低渗透油田的渗流机理和开采方案,开发技术有重大的意义。 超前注水，它是根据非达西流提出的改善这类储层开发效果的一项技术,对今后未动用的低渗油藏储量的有效开发和油田持续发展具有重要的战略意义，超前注水开发方式可以合理的补充地层能量,提高地层的压力,使油井能够长期保
持较高的地层能量和旺盛的生产能力,产量递减从而明显减小，同时该开发方式可以降低甚至避免因地层压力下降造成的地层伤害,同时抑制油井的初始含水率,从而提高投产初期油田的产量,使得油田能够保持较长的稳产期,减缓递减,提高最终采收率。而且通过超前注水还可防止原油物性变差,从而导致渗流条件的变差,有效地保证原油渗流通道的畅通,提高注入水波及体积。 1.2低(特低)渗油藏超前注水开发技术发展现状 改善油藏开发效果是世界石油关注的大问题,它关系着原油产量和油田开采的经济效益。在世界石油开发历史中,由于水具有价廉、供应量充足、驱油效率高等特点,世界上绝大多数油田都把注水开发方式作为驱替地层原油、维持地层压力、有效改善油藏开发效果的首选措施,目前世界油气田每天的注水量达数千万立方米,前苏联有260个油田采用注水开采,英国、加拿大90%的石油是通过注水采出的。在目前以及今后相当长的一个时期内,注水开发仍将是油田开发的主要方式。 通过调研,了解到目前国内外对低渗透油藏超前注水开发效果以及开发指标的研究很少,国内主要有长庆、大庆、吉林、新疆等低渗透油田己经开展了超前注水的试验,取得了很好的开发效果,初步形成了超前注水开发低渗透油藏的新方法和新手段。 1.3超前注水机理分析 1.3.1 降低因地层压力下降造成的地层伤害 研究认为，裂缝性低渗透油藏，地层压力大幅度下降后，油层孔隙度将会减小，裂缝闭合，渗透率降低。试验表明，低渗透油藏地层压力下降，渗透率下降，再恢复地层压力，渗透率只能恢复到原来的60％~80％。超前注水能提高并保持地层压力，可避免渗透率变差。 低渗透油藏开发时，地层压力降低到饱和压力以下时，地层原油开始脱气，地层原油脱气产生了两种影响：一是地层原油的粘度、密度都将增大，体积系数减小，增大了原油的渗流阻力；二是因低渗透油层中部分孔喉半径很小，部分脱
第四章土的渗流性和渗流问题 一、填空题 1.当渗流方向向上，且水头梯度大于临界水头梯度时，会发生流砂现象。 2.渗透系数的数值等于水力梯度为1时，地下水的渗透速度越小，颗粒越粗的土，渗透系数数值越大。 3.土体具有被液体透过的性质称为土的渗透性或透水性。 4.一般来讲，室内渗透试验有两种，即常水头法和变水头法。 5.渗流破坏主要有流砂和管涌两种基本形式。 6.达西定律只适用于层流的情况，而反映土的透水性的比例系数，称之为土的渗 透系数。 7.出现流砂的水头梯度称临界水头梯度。 8.渗透力是一种体积力。它的大小和水力坡度成正比，作用方向与渗流 方向相一致。 二、名词解释 1.渗流力：水在土中流动时，单位体积土颗粒受到的渗流作用力。 2.流砂：土体在向上动水力作用下，有效应力为零时，颗粒发生悬浮、移动的现象。 3.水力梯度：土中两点的水头差与水流过的距离之比。为单位长度上的水头损失。 4.临界水力梯度：使土开始发生流砂现象的水力梯度。 三、选择题 1.流砂产生的条件为：（ D ） （A）渗流由上而下，动水力小于土的有效重度 （B）渗流由上而下，动水力大于土的有效重度 （C）渗流由下而上，动水力小于土的有效重度 （D）渗流由下而上，动水力大于土的有效重度 2.饱和重度为20kN/m3的砂土，在临界水头梯度I Cr时，动水力G D大小为：（ C ）（A）1 kN/m3（B）2 kN/m3 （C）10 kN/m3 （D）20 kN/m3 3.反应土透水性质的指标是（ D ）。 （A）不均匀系数（B）相对密实度（C）压缩系数（D）渗透系数4.下列有关流土与管涌的概念，正确的说法是（ C ）。 （A）发生流土时，水流向上渗流；发生管涌时，水流向下渗流 （B）流土多发生在黏性土中，而管涌多发生在无黏性土中 （C）流土属突发性破坏，管涌属渐进式破坏 （D）流土属渗流破坏，管涌不属渗流破坏 5.土透水性的强弱可用土的哪一项指标来反映？（ D ） （A）压缩系数（B）固结系数（C）压缩模量（D）渗透系数6.发生在地基中的下列现象，哪一种不属于渗透变形？（ A ） （A）坑底隆起（B）流土（C）砂沸（D）流砂 7.下属关于渗流力的描述不正确的是（ D ）。 （A）其数值与水力梯度成正比，其方向与渗流方向一致 （B）是一种体积力，其量纲与重度的量纲相同 （C）流网中等势线越密集的区域，其渗流力也越大 （D）渗流力的存在对土体稳定总是不利的 8.下列哪一种土样更容易发生流砂？（ B ） （A）砂砾或粗砂（B）细砂或粉砂（C）粉质黏土（D）黏土
收稿日期:2006-07-14 作者简介:付静(1972-),女(汉族),山东惠民人,副教授,博士研究生,主要从事油气开发与流体力学研究。 文章编号:167325005(2007)0320081204 裂缝性低渗透油藏渗流规律实验研究 付 静1 ,孙宝江1 ,于世娜1 ,孙 鑫1 ,马欣本2 ,刘家军2 ,楼一珊 3 (1.中国石油大学石油工程学院,山东东营257061;2.中石化江苏油田分公司,江苏金湖211600; 3.中国石油大学石油天然气工程学院,北京102249) 摘要:对某油田断块含天然裂缝的低渗透储层渗流特征进行了实验研究。本实验在常规渗流实验岩心夹持器末端增加了一套回压控制装置,渗流实验过程中,通过给岩心施加不同的回压,模拟了储层在变压条件下的流体渗流情况。得到了裂缝性低渗透储层岩心水相渗透率随回压的变化曲线。实验结果表明,裂缝的存在对低渗透储层的渗流特征有明显的改造,裂缝开启前,储层渗流可以看作是基质岩石渗流,裂缝对渗流的影响不大;裂缝开启后,由于其渗流能力较强,将发挥主要的渗流通道作用。 关键词:裂缝性低渗透油藏;渗流特征;回压;水相渗透率;实验研究中图分类号:TE 344 文献标识码:A Exper i m en t a l study on seepage flow l aw of fractured low per m eab ility reservo i r F U J ing 1 ,S UN Bao 2jiang 1 ,Y U Shi 2na 1 ,S UN Xin 1 ,MA Xin 2ben 2 ,L I U J ia 2jun 2 ,LOU Yi 2shan 3 (1.College of Petroleum Engineering in China U niversity of Petroleum ,D ongying 257061,Shandong P rovince,China; 2.J iangsu O ilfield Co m pany of S I NO PEC,J inhu 211600,J iangsu P rovince,China; 3.Faculty of Petroleum Engineering in China U niversity of Petroleum ,B eijing 102249,China ) Abstract :The seepage fl ow characteristics of a typ ical fractured l ow per meability reservoir were studied by experi m ents .The conventi onal seepage fl ow experi m ental equi pment was refor med by additi onal back 2p ressure contr olling syste m in the end of core holder .The seepage fl ow characteristics of this bl ock were si m ulated by exerting different back 2p ressure for core .The relati on curves of water phase per meability of reservoir cores and back 2p ressure were obtained .The results show that the ex 2isting of fractures has influence on percolati on fl ow characteristics of l ow per meability reservoir .Bef ore fractures open,the fluid fl ow in reservoir can be thought as fluid fl ow in matrix,and the effect of fractures on fluid fl ow is less .After fractures open,the fractures are the main fluid fl ow channel . Key words :fractured l ow per meability reservoir;seepage fl ow characteristics;back 2p ressure;water phase per meability;ex 2 peri m ental study 低渗透油藏在我国石油开发中占有重要的地 位。该类油藏中一般多发育有裂缝、微裂缝,其开采特征也明显受到裂缝的影响,比如,裂缝的存在使得该类储层的压敏效应更加明显,裂缝的开启、闭合对储层渗流能力有着较大影响。同时,这类储层渗透率一般具有明显的各向异性,在油田注水开发中沿裂缝方向容易引起井的暴性水淹等。目前人们对低渗透油藏渗流特征研究已做了大量工作,但针对含裂缝的低渗透油藏渗流规律方面的研究还较少,笔 者通过室内实验对该类储层的渗流机理和渗流特征进行研究,为该类储层的开发提供理论依据。 1 实 验 111 实验设备及实验原理 实验设备如图1所示,与常规渗流实验装置不同,本实验装置在岩心夹持器出口端设有一回压控制系统。 在以往渗流实验中,由于实验设备的局限性以 2007年 第31卷 中国石油大学学报(自然科学版) Vol .31 No .3 第3期 Journal of China University of Petr oleu m Jun .2007