多孔介质中NAPLs渗流特征及其分形模型研究

The porous media are of different characteristics and fractal features, and the pollutants non-aqueous phase liquids (NAPLs) are various. These decide the appearing of NAPLs’ Darcy flow or non-Darcy flow, which affect the oil-contaminated field assessment and remediation. Therefore, it is of practical significance to build the fractal model on the basis of grasping NAPLs flowing features. The Yellow River Delta where Shengli Oil field locates is the research area of this project. NAPLs Darcy flow or non-Darcy flow can be confirmed according to the measured seepage parameters and the relationship of pressure gradient with oil-phase flow rate. The dominating factors affecting oil-phase relative permeability are determined and described by statistical analysis. The oil-phase relative permeability expressed with pore structure and liquids properties is gotten by means of the built and modified fractal model, which can be used for predicting pollution scale and risk assessment. Dye tracer and image analysis techniques are applied in the study of migration scale, flow morphology and oil saturation distribution. The NAPLs flowing in layered porous media is used to verify the validity and applicability of the fractal model.

污染场地多孔介质的性质各异且具有分形特征，污染物非水相流体（NAPLs）种类繁多，该特点决定多孔介质中NAPLs渗流出现达西流—非达西流的复杂状况，而渗流特征变化对污染场地评估与修复产生重要影响。因此，探明不同特性多孔介质中NAPLs渗流特征并在此基础上构建其分形模型具有现实意义。本课题以胜利油田所在的黄河三角洲为研究区，系统测定多孔介质中NAPLs渗流参数，建立压力梯度与油相渗透速度之间的关系，确定NAPLs达西流—非达西流，统计分析NAPLs相对渗透率的主控影响因子并进行定量化表征。构建多孔介质中NAPLs渗流分形模型并加以修正，获得油相相对渗透率与多孔介质微孔结构及流体性质参数的函数关系，对场地进行污染尺度预测和风险评估。通过层状多孔介质中NAPLs运移尺度、渗流形态及油相饱和度分布的研究，验证分形模型的有效性和适用性。

本项目研究不同特性多孔介质中非水相流体（NAPLs）渗流机制及其预测模型，流体包括水、柴油和三氯乙烯。土样为临淄和广饶土样（0-20cm、20-40cm、40-60cm分层采集）以及砂样。.研究表明，相同压力梯度下相同土样中流体的渗流速度为水>三氯乙烯>柴油；三种流体在广饶土和临淄土不同土层中渗流速度0-20cm>渗流速度20-40cm>渗流速度40-60cm。水在广饶表层土和临淄表层土的渗流过程中用过原点的达西渗流曲线拟合，相关系数R²均在0.995以上，符合达西渗流；三氯乙烯和柴油在广饶和临淄土中渗流呈现一定程度的非达西渗流，柴油的二次拟合曲线的相关系数要比三氯乙烯的大，拟合程度较好，非达西渗流更加明显，这与柴油本身的黏滞性、质轻等因素相关。根据实验数据修正后的分形模型能很好描述土样中流体的渗流参数。.粗石英砂中柴油渗流的指流特征显著，指流宽度和渗流面积随着介质粒径的减小而逐渐增加，土壤颗粒粒度分布是影响石油污染物渗透过程的主要因素，粒径越大，污染物渗透速度越大。而渗流面积和平均湿润比受土壤有机质含量的影响较大，有机质含量越高，土壤对柴油的吸附作用越大，渗流面积和平均湿润比越大；当颗粒粒径较小时，如临淄土样与广饶土样，由于其粒径较小，孔隙率较低，NAPLs混合液在下渗时主要受到重力的影响，毛细管力的作用较小，未形成明显的指流。土壤理化性质的差异，特别是粒度分布的差异影响较大，总体呈现石油残留饱和度随着颗粒粒径的增大而降低，20-40目、40-60目和60-80目石英砂中柴油饱和度最大值分别为0.15、0.42和0.48。广饶表层土中柴油饱和度最大值接近1.0。.综上，土壤粒径大小和分布、有机质含量以及污染物粘滞系数为影响多孔介质中NAPLs渗流的主控因子，基于此基础构建的预测模型，可为污染场地的风险评估、应急预案制定以及修复治理提供新的研究思路和理论依据。