不可压缩流体单向稳定流平面径向流.docx
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不可压缩流体单向稳定流平面径向流
中国石油大学渗流力学实验报告
实验日期：
成绩：
班级：
学号：
姓名：
教师：
同组者：
实验一不可压缩流体单向稳定渗流实验
一、实验目的
1.本实验采用的是变截面两段均质模型，通过实验观察不同段的不同压力降落情况。
2.进一步加深对达西定律的深入理解，并了解它的适用范围及其局限性。
二、实验原理
一维单相渗流实验以稳定渗流理论为基础，采用变直径填砂管模型，以流体在模型中的流动模拟水平均质地层中不可压缩流体单向稳定渗流过程。
保持填砂管两端恒定压力，改变出口端流量，在稳定条件下测量填砂管不同位置处的压力值，可绘制压力随位置的变化曲线；根据一维单相稳定渗流方程的解并计算两段填砂管的渗透率。
三、实验流程
1～10－测压管11－供液阀12－供液筒13－溢流管14－供液控制阀
15－水平单向渗流管（粗）16－支架17－水平单向渗流管（细）18－出口控制阀19－量筒
图1一维单相稳定渗流实验流程图
四、实验步骤
1.记录渗流管长度、渗流管直径、测压管间距等相关数据。
2.关闭出口阀控制“18”，打开供液阀“11”，打开管道泵电源，向供液筒注水。
3.打开并调节供液控制阀“14”，使各测压管液面与供液筒内的液面保持在同一水平面上。
4.稍微打开出口阀控制“18”，待渗流稳定后，记录各测压管的液面高度，用量筒、秒表测量渗流液体流量，重复三次。
5.调节出口控制阀“18”，适当放大流量，重复步骤4；测量不同流量下各测压管高度，共测三组流量。
6.关闭出口控制阀“18”，关闭供液控制阀“14”，结束实验。
五、数据处理
1.根据表1，记录取全所需数据，计算三个不同流量下的测压管水柱高度。
表1测压管液面基准读数记录表
测压管序号
填砂管粗端
填砂管细端
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
测压管基准读数cm
0.4
1.1
1.1
0.9
0.7
1.2
1.1
1.1
1.0
0.8
以填砂管的中心线为基准面，则在平均流量Q1=0.327cm3/s时，1#管的水柱高度为：
6#管的水柱高度为：
其余各组计算同上，将所有各组计算结果总结如表2。
表2三个不同平均流量下的各编号测压管对应的水柱高度
平均流量
（cm3/s）
各编号测压管对应的水柱高度（cm）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0.327
81.4
81.1
80.8
80.6
80.4
80.25
79.45
78.65
77.55
76.55
1.134
42.9
42.5
42.4
42.2
41.7
41.25
38.95
36.95
34.55
32.15
1.236
32.4
32
31.9
31.6
31.2
30.55
27.85
25.25
22.45
19.75
2.绘制三个流量下，测压管压力与流动距离的关系曲线，说明曲线斜率变化原因。
以平均流量Q1=0.327cm3/s时的1#管为例计算：
其余各组计算同上，将其余各组计算结果总结如表3。
表3三个不同平均流量下的各编号测压管对应的测压管压力
流动距离cm
测压管压力Pa
平均流量cm3/s
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0
12.5
25
37.5
50
53.1
65.6
78.1
90.6
103.1
0.327
7977.2
7947.8
7918.4
7898.8
7879.2
7864.5
7786.1
7707.7
7599.9
7501.9
1.134
4204.2
4165
4155.2
4135.6
4086.6
4042.5
3817.1
3621.1
3385.9
3150.7
1.236
3175.2
3136
3126.2
3096.8
3057.6
2993.9
2729.3
2474.5
2200.1
1935.5
由表3的数据绘制三个流量下，测压管压力与流动距离的关系曲线如图2。
图2三个流量下，测压管压力与流动距离的关系曲线
流体随着流入的距离的增大阻力也逐渐的变大，因此1-5号管和6-10管中的流体，由于流动阻力的线性增加，致使流动动力也随着线性减少，因此各段曲线的斜率几乎不变化。
而各个序号中5、6管则由于管径的变化以及两者渗透率的不同而使压力发生变化，导致曲线斜率也突变。
3.绘制渗流截面不同的两段地层流量与岩石两端压差的关系曲线，观察线性或非线性流动规律。
三个不同的平均流量与岩石两端压差的相关数据记录如表4。
表4三个不同的平均流量与岩石两端压差数据记录表
数据
序号
流量
（cm3/s）
ΔP1=P1－P5
（10－1MPa）
ΔP2=P6－P10
（10－1MPa）
1
0.327
9.8×10－4
36.26×10－4
2
1.134
11.77×10－4
89.18×10－4
3
1.236
14.76×10－4
105.84×10－4
由表4数据，绘制渗流截面不同的两段地层流量与岩石两端压差的关系曲线如图3所示。
图3渗流截面不同的两段地层流量与岩石两端压差的关系曲线
由图可知，两段地层流量与岩石两端压差的关系曲线基本成线性规律。
4.根据达西定律，分别计算两段地层的平均渗透率。
以平均流量Q1=0.327cm3/s的数据为例，由达西定律
，可得：
粗砂管的渗透率：
细砂管的渗透率：
同理，可以求得平均流量为Q2=1.134cm3/s时粗砂管的渗透率
，细砂管的渗透率
；平均流量为Q3=1.236cm3/s时粗砂管的渗透率
，细砂管的渗透率
。
所以，粗砂管平均渗透率为：
细砂管平均渗透率为：
将以上计算结果整理成表5。
表5不同流量测得渗透率记录表
流量（cm3/s）
渗透率（μm2）
k1
k2
0.327
774.45
288.2
1.134
793.15
406.37
1.236
834.49
373.2
六、原始记录表
原始记录如表6、表7所示。
实验仪器编号：
单7#
表6测压管页面基准读数记录表
测压管序号
填砂管粗端
填砂管细端
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
测压管基准读数cm
0.4
1.1
1.1
0.9
0.7
1.2
1.1
1.1
1.0
0.8
表7测压管液面读数记录表
数据
次数
测压管液面读数，cm
体积cm3
时间
s
流量
cm3/s
平均流量
cm3/s
填砂管粗端
填砂管细端
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1
74.3
74.7
74.4
74.0
73.6
76.2
75.3
74.5
73.3
72.1
22
67.47
0.326
0.327
22
65.69
0.335
22
68.85
0.319
2
35.8
36.1
36.0
35.6
34.9
37.2
34.8
32.8
30.3
27.7
28
23.00
1.217
1.134
30
27.72
1.082
28
25.40
1.102
3
25.3
25.6
25.5
25.0
24.4
26.5
23.7
21.1
18.2
15.3
28
22.63
1.237
1.236
28
22.88
1.228
28
22.43
1.248
填砂管粗端直径=9.0cm，长度=52.3cm；
填砂管细端直径=4.5cm，长度=50.8cm；
填砂管粗端截面积A1=63.585cm2，填砂管细端截面积A2=15.896cm2；
填砂管上部接头厚度3.0cm，相邻两侧压管中心距=12.5cm；
流体粘度=1mPa·s。
实验二不可压缩流体平面径向稳定渗流实验
一、实验目的
1.平面径向渗流实验是达西定律在径向渗流方式下的体现，通过本实验加深对达西定律的理解；
2.要求熟悉平面径向渗流方式下的压力降落规律，并深刻理解该渗流规律与单向渗流规律的不同，进而对渗透率突变地层、非均质地层等复杂情况下的渗流问题及其规律深入分析和理解。
二、实验原理
平面径向渗流实验以稳定渗流理论为基础，采用圆形填砂模型，以流体在模型中的流动模拟水平均质地层中不可压缩流体平面径向稳定渗流过程。
保持填砂模型内、外边缘压力恒定，改变出口端流量，在稳定条件下测量填砂模型不同位置处的水头高度，可绘制水头高度或压力随位置的变化曲线（压降漏斗曲线）；根据平面径向稳定渗流方程的解计算填砂模型的流动系数及渗透率。
三、实验流程
实验流程见图1，圆形填砂模型18上部均匀测压管，供液筒内通过溢流管保持液面高度稳定，以保持填砂模型外边缘压力稳定。
1－测压管（模拟井）；2～16－测压管（共16根）；18―圆形边界（填砂模型）；19－排液管（生产井筒）；
20—量筒；21—进水管线；22—供液筒；23－溢流管；24—排水阀；25—进水阀；26—供水阀。
图1平面径向渗流试验流程图
四、实验步骤
1.记录填砂模型半径、填砂模型厚度，模拟井半径、测压管间距等数据。
2.打开供水阀“26”，打开管道泵电源，向供液筒注水，通过溢流管使供液筒内液面保持恒定。
3.关闭排水阀“24”，打开进水阀“25”向填砂模型注水。
4.当液面平稳后，打开排水阀“24”，控制一较小流量。
5.待液面稳定后，测试一段时间内流入量筒的水量，重复三次。
；
6.记录液面稳定时各测压管内水柱高度。
7.调节排水阀，适当放大流量，重复步骤5、6；在不同流量下测量流量及各测压管高度，共测三组流量。
8.关闭排水阀24、进水阀25，结束实验。
五、实验数据处理
1.将原始数据记录于测试数据表中，根据记录数据将每组的3个流量求平均值，并计算测压管高度；绘制三个流量下压力随位置的变化曲线（压降漏斗曲线），说明曲线形状及其原因。
根据记录的数据可知，相邻两测压管中心间距为4.44cm，又由原始记录表的测压管液面数据所换算出的定压边界水柱高度，计算测压管压力。
记录如表1。
表1压力与位置关系数据记录表
测压管标号
14
10
6
2
1
4
8
12
16
流动距离/cm
-17.76
-13.32
-8.88
-4.44
0
4.44
8.88
13.32
17.76
Q=3.36cm3/s
测压管水柱高度/cm
71
69.7
70.4
70
59.1
70.1
70.2
70.6
71.1
测压管压力/Pa
6958
6830.6
6899.2
6860
5791.8
6869.8
6879.6
6918.8
6967.8
Q=7.41cm3/s
测压管水柱高度/cm
68.1
67.2
66.8
65.8
36.1
65.6
66.3
66.9
68.2
测压管压力/Pa
6673.8
6585.6
6546.4
6448.4
3537.8
6428.8
6497.4
6556.2
6683.6
Q=8.66cm3/s
测压管水柱高度/cm
66.5
66.2
64.6
63
25.1
63.3
64.2
65.1
66.5
测压管压力/Pa
6517
6487.6
6330.8
6174
2459.8
6203.4
6291.6
6379.8
6517
以Q=3.36cm3/s流量为一组的14#测压管为例计算：
其余各组计算同理。
根据表1所示数据，作压力与位置关系曲线，如图2所示。
Q=7.41cm3/s
Q=8.66cm3/s
Q=3.36cm3/s
图2压力与位置关系曲线
2.根据平面径向稳定渗流方程，计算填砂模型平均渗透率、不同半径范围的渗透率，评价砂体的均匀性。
1）计算模型平均渗透率。
已知：
Re=18.0cm；Rw=0.3cm；h=2.5cm；测压管距中心：
r1=4.44cm；r2=8.88cm；r3=13.32cm；水的粘度μ=1mPa·s。
则有，当Q=3.36cm3/s时：
同理可求得：
当Q=7.41cm3/s时，
，
；
当Q=8.66cm3/s时，
，
。
则有，
同理可求得，
，
。
所以，模型平均渗透率为：
2）计算不同半径范围的渗透率。
（1）半径为r1=4.44cm时，
，
所以，
同理可得，
，
，
，
。
所以，
。
按照同样的方法，可以求得：
（2）半径为r2=8.88cm时，
，
，
；
，
，
；
。
（3）半径为r3=13.32cm时，
，
，
；
，
，
；
；
（4）半径为Re=18.0cm时，
，
，
。
，
，
；
。
将以上数据整理到表2。
表2不同半径范围的渗透率
半径范围r（cm）
4.44
8.88
13.32
18
渗透率K（μm2）
34.66
48.52
65.48
78.19
根据表2所示数据可知，砂体的渗透率随着半径r的增大而增大，但的说来砂体的总体渗透率的均匀性良好。
3.写出填砂模型流量与总压差的关系表达式，并绘出流量与总压差的关系曲线。
填砂模型流量与总压差的关系表达式为：
。
砂模型流量与总压差的相关数据记录如表3。
表3流量与总压差关系记录表
总压差ΔP（10-1MPa）
0.0114
0.0315
0.0406
流量Q（cm3/s）
3.36
7.41
8.66
根据表3，绘制图3所示的流量与总压差关系曲线。
图3流量与总压差关系曲线
六、实验心得
通过本次实验，我观察到了不同段的不同压力降落情况，同时也进一步加深了对达西定律的理解，并了解了它的适用范围及其局限性。
同时，我熟悉了平面径向渗流方式下的压力降落规律，理解了该渗流规律与单向渗流规律的不同。
本次实验数据较多，必须细心耐心。
在实验中锻炼了我的实验操作能力，达到了实验目的。
感谢老师实验过程中的悉心指导和耐心教导，使我成功完成了本次实验。
同时本次实验也使我的动手能力有了很大的提升。
七、原始数据记录表
原始数据记录如表4、表5、表6所示。
实验设备编号：
径8#
表4测压管液面基准读数记录表70.225，70.4,71。
25
测压管编号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
测压管基准读数，cm
-0.1
0.2
0.1
0
0.2
0.2
0.2
0.1
0.2
0.3
0.2
0.2
0.3
0.2
0.1
0.2
0.1
表5测压管液面读数记录表
序号
测压管液面读数，cm
体积
cm3
时间
s
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
1
59.0
70.2
70.2
70.1
70.2
70.6
70.2
70.3
70.5
70.0
70.7
70.8
71.1
71.2
71.1
71.3
71.0
98
29.09
98
29.06
98
29.32
2
36.0
66.0
65.7
65.6
66.0
67.0
66.8
66.4
66.8
67.5
67.2
67.1
67.4
68.3
68.3
68.4
68.3
152
21.12
148
19.47
148
19.90
3
25.0
63.2
63.5
63.3
63.7
64.8
64.6
64.3
64.6
66.5
66.1
65.3
66.7
66.7
66.7
66.7
66.6
202
23.21
202
23.13
201
23.49
填砂模型半径＝18.0cm，填砂厚度＝2.5cm，中心孔半径＝0.3cm，
相邻两测压管中心间距＝4.44cm，水的粘度＝1mPa·s。
表6定压边界测试数据表
序
号
测压管水柱高度，cm
流量
cm3/s
平均
流量
cm3/s
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
1
59.1
70
70.1
70.1
70
70.4
70
70.2
70.3
69.7
70.5
70.6
70.8
71
71
71.1
70.9
3.37
3.36
3.37
3.35
2
36.1
65.8
65.6
65.6
65.8
66.8
66.6
66.3
66.6
67.2
67
66.9
67.1
68.1
68.2
68.2
68.2
7.19
7.41
7.61
7.44
3
25.1
63
63.4
63.3
63.5
64.6
64.4
64.2
64.4
66.2
65.9
65.1
66.4
66.5
66.6
66.5
66.5
8.71
8.66
8.73
8.56
Re=18.0cm；Rw=0.3cm；h=2.5cm；测压管距中心：
r1=4.44cm
r2=8.88cm；r3=13.32cm；r3=17.76cm；水的粘度μ=1mPa·s。
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