多孔介质非达西流动中全局惯性渗透率的孔隙构型依赖性研究及其地质工程意义

本文通过直接数值模拟和重塑土样实验，揭示了多孔介质中惯性渗透率(ki)随流体动力学条件变化的机制，提出基于低流速区(LZs)演化的全局惯性渗透率概念。研究发现孔隙构型（如孔隙度、颗粒尺寸）通过调控LZs发展影响非达西流动行为，建立了最小水力梯度/雷诺数(Re)的集成判据模型，为地质CO2封存、油气开采等工程中的渗流预测提供新思路。

　　

Highlight

本研究首次系统阐明了多孔介质中惯性渗透率(k_i)随流体动力学条件波动的内在机制，创新性提出"全局惯性渗透率"概念——当低流速区(LZs)完全发育时，该参数可表征全流态（达西流、弱/强惯性流）特征。通过60组三维孔隙构型数值模拟和冰碛土实验，发现即使相同粘性渗透率(k_v)，不同孔隙结构会导致LZs演化路径显著分异，进而影响k_i的稳定性。

Methodology

采用宏观表征与流态分类相结合的方法，直接求解Navier-Stokes方程模拟60种孔隙构型案例，并运用LZs检测技术解析速度场。10组地质样本流动实验为结论提供实证支撑。

Results

1. 孔隙构型会显著改变非达西流动曲线形态，如高曲折度结构使Forchheimer方程二次项系数增加40%

2. LZs覆盖率与k_i波动呈幂律关系(R²>0.92)，证实其作为k_i变化的主控因子

3. 当LZs覆盖率>85%时，k_i趋于稳定值（即全局惯性渗透率）

Discussion

建立的集成判据模型显示：最小水力梯度∝(孔隙度φ)^-2.1·(颗粒直径d₅₀)^0.7，与裂隙介质相比，多孔介质需要更高Re来激发全局k_i。该发现为页岩气开采中压裂液渗流预测提供了新参数化工具。

Conclusion

全局惯性渗透率的提出解决了传统k_i对测试条件的依赖性难题，集成判据模型可直接应用于地热开发、污染物迁移等实际场景。孔隙构型对LZs的调制作用为人工多孔材料设计提供了理论依据。