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1、第三部分渗流力学实验一达西定律验证实验一、实验目的(1)测定均质砂体的渗透系数值。(2)测定渗过砂体的渗流量Q与水头损失hw的关系，验证渗流的达西定律。二、实验原理(1)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(HenriDarcy)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，此即为达西定律。(2)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可用测管(3-1-1)(3-1-2)水头h来表示，水头损失hw可用测管水头差来表示，即：hvvh1h2Ah于是，水力坡度J可用测管水头坡度来表示，即：h,h(3-1-3)式中I一两个测压管孔之间的距离，cm；h
2、-h2一两个测压孔的测管水头，cm。(3)达西通过大量实验,得到圆筒内渗流量Q与圆筒断面面积A和水力坡度J成正比，并和砂体的透水性能有关，所建立基本关系式如下：(3-1-4)(3-1-5)QK.A.JVQ/A_K.J式中一一渗流速度，cm/s；K-反映孔隙介质透水性能的综合系数，称为渗透系数，cm2s(4)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u等于断面平均渗流流速，因此达西定律也可以表示为：uK.J(316)上式表明，渗流的水力坡度J,即单位距离上的水头损失与渗流流速u的一次方成正比，因此称为渗流线性定律(5)渗流雷诺数可用下列经验
3、公式求得：S-c兀士c”(3-1-7)vU-/5-erj.-23式中4一砂样有效粒径，cm；n一孔隙率；渗流速度，cm/s;粘滞系数，cm2/s;三、实验装置在直立圆筒中装入均质砂，底部装一块滤板。实验用水由带溢水装置的供水桶供给o恒定水流由砂体下部进入，渗过砂体的水由圆筒顶溢出，用量筒与秒表测定渗流量Qe在圆筒侧壁上装两只测压管，以测定渗流水头损失。供水桶可上下移动，以改变实验水头与流量，如图3-1-1所示。四、实验步骤(1)记录基本常数，包括实验圆筒内径D、测孔间距及砂样有效粒径de、孔隙率”与水温Te(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的顺序进行
4、实验.将调节水头的供水桶升到最高位置，待水流稳定后，即可量测两个测压管的水头，并用体积法测定渗流量Q0(3)依次降低水头，待水流稳定后进行上述测量，重复测10次O五、注意事项(1)实验开始前要浸透圆筒内砂体，使其中不留空气，两个测压管内也不存留气泡。当Q为零时，两个测压管内水面应保持齐平(2)每次实验时，供水桶应保持溢流，以使实验水头恒定O实验流量不能过大，以免砂样向上浮涌0图3-1-1达西定律验证实验装置示意图1一水泵；2一摇把；3供水箱;4一供水箱溢流槽;5供水调节阀；6-抽气软管；7-测压管；8实蛉箱溢流槽；9一实验箱；10-测压管；Il一转向阀；12测量箱；13一测水位线；14一溢流槽
5、；15泄水阀；16存水箱；17流量自动测量仪接口六、实验数据记录及处理1.有关固定数据实验仪器编号：。实验相关常数：圆筒内径八一cm；测孔间距，一cm；砂样有效粒径Je-cm；孑IWH；然水晶度F-节;砌粘度cm2/松.2.实验记录表格将实验测得数据填于表3-1-1中。表3-1-1实验记录数据测次测压管水头渗流量.crnWcm体积,cm3时间，/松123456(1)绘出,，关系曲线与Q鼠关系曲线。(2)求出渗流线性定律的使用范围与相应的临界雷诺数ko七、思考题(1)当砂样有效粒径Je不变时，流量U为多少即为渗流实验上限？反过来当流量(J不变时等于多少时为实验上限？若要确定达西定律的适用范围，实
6、验应如何进行？(2)盛砂样的圆筒垂直放置、倾斜放置或水平放置，对实验测得的Q,I与渗透系数K有无影响？如果将圆筒倒置，则上述各值是否改变？DeDw=92R-WnD.Dw)对于不完善并(见图3-2-1)有：_211h(eWf)*=In+#VV一十(3-2-1)(322)实验二用电模拟法求附加阻力系数(表皮因子S)一、实验目的(1)学习水电模拟法的基本原理和方法.(2)确定打开程度不完善地层的表皮因子。(3)确定打开程度不完善对井产量的影响。二、实验原理(1)几何相似原理。几何相似就是将水电模型的外部形状制作得与实际地层单元完全一致且各对应部位尺寸成比例(如图3-2-1和图3-2-2所示)，即：b
7、h.=bh式中b-油层打开部分的厚度，cm;b铜棒插入导电液中的深度，cm；h地层厚度，m；模型盘中导电液的,cm；DW实际井直径，cmID一蜗博吉公图3De-地层供给直径，m；te-模型盘直径，m(2)水电相似原理。对实际地层，根据达西定律，对于完善井有：两式相比得：q完一InfeW-十s)(323-)式中k一地层渗透率，r;,l流动介质粘度，mpa.松；Pe一供给压力，Mpa；JMf一井底流压rMpaIS表层因子；q完一完善井产量，cm3/松；q不一不完善并产量，cm3/松。对于水电模型（见图3-2-2）有：下T=_里lve2zwJ（324-）兀-n（0eDvJ斥=2女心丁”（325）臂V
8、.DJDW十S）两式相比得：一RG=n（Dj6产（326）5式中e导电液导电系数；V1.模型盘边界上的电位fV；图3227k电模型加VWf-铜棒上的电位，V;“一导电液粘度，mpa.松。（3）电流的变化和实际产量的变化成正比。哓HJ-W-十5十(3-27)s=lzz2ln=Y(3-2-8)三、实验装置实验装置图如图3-2-3所示。四、实验步骤（1）利用水平仪调平模型盘（放置模型盘的桌子应预先用水平仪调平），再将导电液注入模型盘中，其厚度控制在23cm左右。（2）检查线路，查看电流表表头指针是否大致指零。如果不为零，则可调节仪器的调零旋钮进行调零.信号T流盍图3-2-3用电模拟法求附加阻力系数值
9、实验装置结构示意图(降为模型盘半径；j为铜棒半径)(3)用游标卡尺确定模型参数IwnJ,并做好记录。(4)将铜棒插入导电液一定的深度八,使得M力分/别等于IO0908070.6,05040.3,0.2,0.1,记录对应的电流表读数。五、注意事项实验中铜棒应始终保持垂直。六、实验数据记录及结果1.有关固定数据实验仪器编号：.cm；水深/./实验相关常数：模型直径鼠一cm；铜棒直径K-cmO3实验量测及计算数据将实测数据及所计算的各组次值填于表3-2-1中。表3-2-1实验结果记录表序号参数IU0.2cm%50cm52Cm1k10/109/108/107/106/105/104/103/102/1
10、01/102IZmA37I453.实验数据处理绘制、(力)关系曲线，并进行曲线分析.七、思考题(1)如何利用该装置确定偏心井产量？(2)如何确定边界形状对油井产量的影响？实验三用电模拟法绘制渗流场图一、实验目的(1)了解实验原理。(2)掌握测定渗流等势线的方法，并根据等势线绘出渗流场图(3)根据所绘出的渗流场图，求出渗流量。二、实验原理1.水电相似原理(1)几何相似。几何相似就是将水电模型的外部形状制作得与实际地层单元外部形状完全一致且各对应部位尺寸成比例(如图3-3-1和图3-3-2所示)，即：ub,cava=(?32.)如果导电介质的导电系数l为常数，则将式（3-3-1）代入式（3-3-2
11、）,可得电流场中的拉普拉斯方程如下：7b一十;一=O(3-33)H从恒定渗流场的运动方程出发，表示恒定渗流速度向量U的达西定律为：(3-34)(3-3-5)(3-3-6)-aaraya?式中一势。将式（3-3-4）代入恒定不可压缩流体的连续微分方程式：a.a,aC十一+=Oa-ava则得到势的拉普拉斯方程式为：匕徽式（3-3-3）和式（3-3-6）可知，电流场中的电位U和渗流场中的势少一样，都满足拉普拉斯方程。如果导电材料作成的电模型与渗流区域做到几何相似、边界条件相似、导电系数与渗透系数相似，则由表33-l可知，通过在电场中量测电位线即可得到渗流场中的等势线。表3-3-1渗流与电模拟参数对照
12、电流场渗流场电位U势导电系数1/A渗透系数K电流密度i渗流流速U续表电流场渗流场欧姆定律：lla1.pa.IIaICaVIla,aa达西定律：aAmT：a?电位服从拉普拉斯方程：比十也十也_0a2aa2势服从拉普拉斯方程：3十四十3_0a12a2a，电流强度渗流量O电流通过的横断面面积、渗流通过的横断面面积导电线长度I渗径长度电场强度：a1-2渗流势降：J*1-2I边界条件：边界条件：卡I.0a;可w2三、实验装置模拟装置流程如图3-3-3所示。图3-3-3用电模拟法绘制渗流场实验装置结构示意图等指示B四、实验步骤(1)将模型盘的坐标按一定的比例点绘在方格纸上。(2)利用水平仪调平模型盘(放置
13、模型盘的桌子应预先用水平仪调平)，再将导电液注入模型盘中，其厚度控制在2cm左右。(3)按图33-3连接好线路。(4)接通电源，调节模型给定电压旋钮，观察仪器中间的表头电压，可在615V之间选择一个模型电压。(5)分别按下0%和Io0%两个按键，检查电流表表头指针是否大致指零如不为零，可调节仪器的调零旋钮进行调零。(6)按下90%的按键，将探针在模型盘上沿正交等势线的方向往返移动，寻找电流表表头指针指零的坐标点找到一点后，记录该坐标值并将该坐标点点绘到准备好的坐标纸上。如此测出10个点后，可将它们连接成光滑曲线，即得90%这一条等势线。(7)依次按下其他各按键，按上述方法测得其他各条等势线。(
14、8)根据流线必须与等势线正交的原则，绘出若干条流线，完成渗流场的绘制。五、注意事项(1)将导电液注入模型盘中时，其厚度不能太大。(2)实验时探针必须始终保持垂直。(3)移动探针时应缓慢进行。六、实验数据记录及处理1.实验数据记录实验量测数据填于表3-3-2中。表3-3-2实验数据记录表按键坐标1234567891010%XY20%XY30%XY40%XY50%XY60%XY续表按键坐标1234567891070%XY80%Xy90%X2.数据处理绘制等势线和流线：由所得的实验数据在坐标纸上手工描绘相应按键下的点并连接成对应的等势线，根据流线必须与等势线正交的原则，绘出流线，如图3-3-4所图3-3-4电模拟法绘制的渗流场图七、思考题(1)本实验采用什么场来模拟渗流场？其理论依据是什么？(2)等势线和流线之间有何关系？(3)为什么在实验中一定要保证电极的电导率远大于导电介质的电导率？(4)如果将实验中使用的电源电压加倍或减半，则等势线和流线的形状是否会发生变化？
