Läpäisevyys (maatieteet) - Permeability (Earth sciences)
Läpäisevyys on nesteen mekaniikka ja geotieteet (yleisesti symboloi k ) on mitta kyky huokoisen materiaalin (usein, eli kiven tai tiivistämätöntä materiaalia), jotta nesteiden kulkea sen läpi.
Väliaineen läpäisevyys liittyy huokoisuuteen , mutta myös väliaineen huokosien muotoihin ja niiden liitäntätasoon. Nestevirtoihin voidaan vaikuttaa erilaisissa litologisissa olosuhteissa kivien hauraalla muodonmuutoksella vika-alueilla ; mekanismit, joilla tämä tapahtuu, ovat vika-alueen hydrogeologian kohteena .
Läpäisevyys
Läpäisevyys on kivien ominaisuus, joka osoittaa nesteen (kaasun tai nesteen) kyvyn virrata kivien läpi. Suuri läpäisevyys antaa nesteiden liikkua nopeasti kivien läpi. Kallion paine vaikuttaa läpäisevyyteen. Mittayksikkö kutsutaan Darcy , nimetty Henry Darcy (1803-1858). Hiekkakivien läpäisevyys voi vaihdella alle yhdestä yli 50000 millidarksiin (md). Läpäisevyys on yleisemmin kymmeniä - satoja millidarcioita. Kivi, jonka huokoisuus on 25% ja läpäisevyys 1 md, ei tuota merkittävää vesivirtaa. Tällaisia "tiukkoja" kiviä stimuloidaan yleensä keinotekoisesti (murtuvat tai happamoituvat) läpäisevyyden luomiseksi ja virtauksen aikaansaamiseksi.
Yksiköt
SI yksikkö läpäisevyys on m 2 . Käytännön yksikkö läpäisevyys on Darcy (d), tai enemmän Tavallisimmin millidarcy (md) (1 darcy 10 -12 m 2 ). Nimi kunnioittaa ranskalaista insinööriä Henry Darcyä, joka kuvaili ensin veden virtausta hiekkasuodattimien läpi juomaveden saamiseksi. Läpäisevyyden arvot sandstones vaihtelevat tyypillisesti murto-osan darcy useita darcys . Joskus käytetään myös cm 2: n yksikköä (1 cm 2 = 10-4 m 2 10 8 d).
Sovellukset
Käsite läpäisevyys on tärkeä määritettäessä virtausominaisuuksia hiilivetyjen on öljyn ja kaasun säiliöt, ja pohjaveden in pohjavesiesiintymiin .
Jotta kalliota voidaan pitää hyödynnettävänä hiilivetysäiliönä ilman stimulaatiota, sen läpäisevyyden on oltava yli noin 100 md (riippuen hiilivetyjen luonteesta - matalammat läpäisykykyiset kaasusäiliöt ovat edelleen hyödynnettävissä kaasun matalamman viskositeetin vuoksi öljy). Kivet, joiden läpäisevyys on huomattavasti alle 100 md, voivat muodostaa tehokkaita tiivisteitä (katso öljygeologia ). Kiinteiden hiekkojen läpäisevyys voi olla yli 5000 md.
Käsitteellä on myös monia käytännön sovelluksia geologian ulkopuolella, esimerkiksi kemian tekniikassa (esim. Suodatus ), samoin kuin maa- ja vesirakentamisessa, kun määritetään, sopivatko maa-alueen olosuhteet rakentamiseen.
Kuvaus
Läpäisevyys on osa Darcyn lain suhteellisuusvakiota, joka liittyy purkautumiseen (virtausnopeus) ja nesteen fysikaalisiin ominaisuuksiin (esim. Viskositeetti ) huokoiseen väliaineeseen kohdistuvaan painegradienttiin:
- (lineaariselle virtaukselle)
Siksi:
missä:
- on nesteen nopeus huokoisen väliaineen läpi (ts. keskimääräinen virtausnopeus laskettuna ikään kuin neste olisi ainoa vaihe huokoisessa väliaineessa) (m / s)
- on väliaineen läpäisevyys (m 2 )
- on nesteen dynaaminen viskositeetti (Pa · s)
- on käytetty paine- ero (Pa)
- on huokoisen väliaineen kerroksen paksuus (m)
Luonnossa esiintyvissä materiaaleissa läpäisevyysarvot vaihtelevat monien suuruusluokkien yli (katso alla olevan taulukon esimerkki tästä alueesta).
Suhde hydrauliseen johtavuuteen
Huokoisen väliaineen läpi kulkevan veden virtauksen globaalia suhteellisuusvakiota kutsutaan hydrauliseksi johtavuudeksi . Läpäisevyys on osa tätä, ja se on kiinteälle luurangolle ja itse huokoisen väliaineen mikrorakenteelle ominainen ominaisuus, riippumatta väliaineen huokosten läpi virtaavan nesteen luonteesta ja ominaisuuksista. Tämän avulla voidaan ottaa huomioon lämpötilan vaikutus huokoisen väliaineen läpi virtaavan nesteen viskositeettiin ja käsitellä muita nesteitä kuin puhdasta vettä, esim . Väkevöityjä suolaliuoksia , öljyä tai orgaanisia liuottimia . Kun otetaan huomioon tutkitun järjestelmän hydraulijohtokyvyn arvo, läpäisevyys voidaan laskea seuraavasti:
- missä
- on läpäisevyys, m 2
- on hydraulinen johtavuus, m / s
- on nesteen dynaaminen viskositeetti, Pa · s
- on nesteen tiheys, kg / m 3
- on painovoimasta johtuva kiihtyvyys, m / s 2 .
Päättäväisyys
Läpäisevyys määritetään tyypillisesti laboratoriossa soveltamalla Darcyn lakia vakaan tilan olosuhteissa tai yleisemmin soveltamalla erilaisia ratkaisuja diffuusioyhtälöön epävakaissa virtausolosuhteissa.
Läpäisevyys on mitattava joko suoraan (käyttäen Darcyn lakia) tai arvioimalla käyttämällä empiirisesti johdettuja kaavoja. Joillekin huokoisen väliaineen yksinkertaisille malleille läpäisevyys voidaan kuitenkin laskea (esim . Samanlaisten pallojen satunnainen tiivis pakkaus ).
Läpäisevyysmalli, joka perustuu putkivirtaan
Joka perustuu Hagen-Poiseuille yhtälö varten viskoosia virtausta putkessa, permeabiliteetti voidaan ilmaista seuraavasti:
missä:
- on luonnollinen läpäisevyys [pituus 2 ]
- on dimensioton vakio, joka liittyy virtausreittien kokoonpanoon
- on keskimääräinen, tai tehokas huokosten halkaisija [pituus].
Absoluuttinen läpäisevyys (alias sisäinen tai spesifinen läpäisevyys)
Absoluuttinen läpäisevyys tarkoittaa läpäisevyyttä huokoisessa väliaineessa, joka on 100-prosenttisesti kyllästetty yksivaiheisella nesteellä. Tätä voidaan kutsua myös sisäiseksi permeabiliteetiksi tai spesifiseksi permeabiliteetiksi. Nämä termit viittaavat laatuun, jonka mukaan kyseinen läpäisevyysarvo on väliaineen intensiivinen ominaisuus , ei heterogeenisen materiaalilohkon tilakeskiarvo; ja että se on vain materiaalirakenteen (eikä nesteen) funktio. Ne erottavat nimenomaisesti arvon suhteellisen läpäisevyyden arvosta .
Kaasujen läpäisevyys
Joskus kaasujen läpäisevyys voi olla jonkin verran erilainen kuin samassa väliaineessa olevien nesteiden läpäisevyys. Yksi ero johtuu kaasun "liukastumisesta" kiinteän aineen rajapinnassa, kun kaasun keskimääräinen vapaa reitti on verrattavissa huokoskokoon (noin 0,01 - 0,1 μm vakiolämpötilassa ja -paineessa). Katso myös Knudsenin diffuusio ja konstriktiivisuus . Esimerkiksi läpäisevyyden mittaaminen hiekkakivien ja liuskekivien läpi tuotti arvot vedelle 9,0 × 10 −19 m 2 - 2,4 × 10 −12 m 2 ja typpikaasulle välillä 1,7 × 10 −17 m 2 - 2,6 × 10 −12 m 2 . . Kaasun läpäisevyys säiliö Rock ja lähde kallio on tärkeää öljy tekniikan , kun otetaan huomioon optimaalinen uuttamalla liuskekaasun , tiukka kaasu , tai coalbed metaani .
Läpäisevyyssensori
Mallista permeabiliteetti anisotrooppisia media, läpäisykyky tensorin tarvitaan. Paine voidaan kohdistaa kolmeen suuntaan, ja kumpaankin suuntaan läpäisevyys voidaan mitata (Darcyn lain kautta 3D: nä) kolmessa suunnassa, mikä johtaa 3: 3-tensoriin. Tensori toteutetaan käyttämällä 3: sta 3- matriisia, jotka ovat sekä symmetrisiä että positiivisia (SPD-matriiseja):
- Tensori on symmetrinen Onsagerin vastavuoroisissa suhteissa .
- Tensori on määritelty positiivisesti, koska käytetty energia ( nestevirtauksen ja negatiivisen paineen gradientin sisäinen tulo) on aina positiivinen.
Läpäisevyyssensori on aina diagonalisoitavissa (on sekä symmetrinen että positiivinen selvä). Ominaisvektorit tuottaa pääsuunnat virtauksen, jossa virtaus on yhdensuuntainen paineen gradientti, ja ominaisarvot ovat pääasiallinen permeabiliteetit.
Yleisten sisäisten läpäisevyyksien vaihteluväli
Nämä arvot eivät riipu nesteen ominaisuuksista; katso samasta lähteestä johdetussa taulukossa hydraulisen johtavuuden arvot , jotka ovat ominaisia materiaalille, jonka läpi neste virtaa.
Läpäisevyys | Pervious | Puoliläpäisevä | Läpäisemätön | ||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Kiinteä hiekka ja sora | Hyvin lajiteltu sora | Hyvin lajiteltu hiekka tai hiekka ja sora | Erittäin hienoa hiekkaa, lietettä, löysiä , savea | ||||||||||
Kiinteä savi ja orgaaninen | Turve | Kerroksinen savi | Ilmatonta savea | ||||||||||
Kiinteät kivet | Erittäin murtuneet kivet | Öljysäiliö kallioi | Tuore hiekkakivi | Tuore kalkkikivi , dolomiitti | Tuore graniitti | ||||||||
k (cm 2 ) | 0,001 | 0,0001 | 10 −5 | 10 −6 | 10 −7 | 10 −8 | 10 −9 | 10 −10 | 10 −11 | 10 −12 | 10 −13 | 10 −14 | 10 −15 |
k (m 2 ) | 10 −7 | 10 −8 | 10 −9 | 10 −10 | 10 −11 | 10 −12 | 10 −13 | 10 −14 | 10 −15 | 10 −16 | 10 −17 | 10 −18 | 10 −19 |
k (millidarcy) | 10 +8 | 10 +7 | 10 +6 | 10 +5 | 10000 | 1000 | 100 | 10 | 1 | 0,1 | 0,01 | 0,001 | 0,0001 |
Katso myös
- Vikavyöhykkeen hydrogeologia
- Hydraulinen johtavuus
- Hydrogeologia
- Tunkeutuminen
- Öljygeologia
- Suhteellinen läpäisevyys
- Klinkenberg-korjaus
- Betonin sähköisen resistiivisyyden mittaus
Alaviitteet
Viitteet
- Wang, HF, 2000. Lineaarisen poroelastisuuden teoria sovelluksilla geomekaniikkaan ja hydrogeologiaan, Princeton University Press. ISBN 0-691-03746-9
Ulkoiset linkit
- Määritetään läpäisevyys
- Huokoisten väliaineiden räätälöinti läpäisevyyden hallitsemiseksi
- Huokoisten aineiden läpäisevyys
- Graafinen kuvaus erilaisista virtausnopeuksista erilaisten läpäisevyyksien kautta
- Verkkopohjainen huokoisuus- ja läpäisevyyslaskuri, annettu virtauksen ominaisuudet
- Monivaiheinen nestevirta huokoisissa väliaineissa
- Floridan menetelmä betonin resistanssin testaamiseksi sen läpäisevyyden sähköisenä indikaattorina