2014-02-05
1371
ДВИЖЕНИЕ ЖИДКОСТИ В ПОРИСТОЙ СРЕДЕ
В ряде областей техники приходится иметь дело с движением различных природных жидкостей в естественном грунте. Примерами этого является движение нефти в нефтеносных пластах к нефтяным скважинам, движение грунтовых вод в водоносных пластах, используемых для целей водоснабжения, движение воды под гидротехническими сооружениями (например, плотинами) и т.д. Во всех случаях жидкость просачивается через грунт, т. е. движется внутри пор грунта, перемещаясь по мельчайшим каналам, образующимся между его частицами вследствие их неполного прилегания друг к другу. Такое движение жидкости называют фильтрацией.
Рис.1 Рис.2
Если проницаемый пласт залегает на непроницаемом основании и не перекрывается сверху непроницаемым слоем, фильтрация происходит с образованием свободной поверхности, давление на котором равно атмосферному (рис.1). Движение в этом случае называется безнапорным. Если же фильтрация происходит в пласте, заключенном между двумя непроницаемыми пластами без образования свободной поверхности (рис.2), движение называют напорным.
|
|
|
Основной задачей при практических расчетах в области фильтрации является определение расхода, т.е. количества фильтрующейся жидкости и скорости фильтрации, под которой понимают расход жидкости через единицу площади поперечного сечения всего фильтрующего слоя (включая как сам грунт, так и поры между его частицами). Следует иметь в виду, что скорость фильтрации, конечно, отлична от физической скорости движения частиц жидкости по поровым каналам.
Скорость фильтрации определяется гидравлическим уклоном и физическими свойствами фильтрующейся жидкости и грунта. Физические свойства жидкости, определяются ее вязкостью и удельным весом. Фильтрационные же свойства грунта зависят от размеров и формы отдельных составляющих его частиц и характеризуются пористостью и просветом грунта.
Пористостью или иначе, коэффициентом пористости т, называется отношение объема пор, т. е. пустот между отдельными частицами грунта ко всему объему грунта:
, (9.1)
где 
–полный объем грунта; 
–суммарный объем твердых частиц.
Под просветом, или коэффициентом просветности, понимают отношение площади сечения пор к площади всего сечения грунта. Физически просвет характеризует собой живое сечение потока фильтрующейся жидкости и определяется выражением
,
(9.2)
где 
–общая площадь сечения грунта;
–часть этой площади, приходящаяся на долю частиц грунта.
Пористость природных естественных грунтов изменяется в весьма широких пределах. Так, нефтеносные рыхлые (несцементированные) пески имеют пористость 
; для песков же с глинистыми частицами и отложениями солей 
; для известняков 
. Величина пористости естественного грунта в каждом отдельном случае может быть установлена опытным путем.
|
|
|
Рис.3
Естественные грунты состоят из частиц неправильной формы различных размеров; это делает теоретическое исследование фильтрации чрезвычайно сложным, и для упрощения обычно исходят из условной модели так называемого фиктивного грунта, состоящего из частиц правильной шарообразной формы одинакового диаметра, гидравлически эквивалентного естественному грунту. Значения пористости и просвета для фиктивного грунта могут быть подсчитаны теоретически. Для перехода от естественного грунта к фиктивному вводится понятие о так называемом эффективном или действующем диаметре, определяемом на основе механического анализа грунта, заключающегося в просеивании грунта через калиброванные сита отверстиями различной величины. По данным анализа строится гранулометрическая (весовая) кривая (рис.3), для чего по оси абсцисс откладывают диаметры d зерен грунта (в мм), а по оси ординат– суммарный вес всех фракций, начиная от нуля до данного диаметра в процентах от общего веса всей пробы. За эффективный диаметр принимается, например, такой диаметр зерен, при котором суммарное процентное содержание фракций более мелкого размера составляет 10% от общего веса.
