Description:

"УД К 556.342 Ары" А.Г. Физические основы фильтрации подземных вод. - M.: Недра, 1984. 101 с. Впервые рассмотрен процесс фильтрации жидкости в пористой среде с учетом энергии взаимодействия между молекулами жидкости и поверхностью минерального скелета вмещающих пород. Изложен физический смысл понятий течения жидкости, вязкости, напора, диффузии и т.д., приведены свойства минерального скелета водовмещающих пород, основные сведения по физическим и молекулярным свойствам воды. Описан механизм течения в капиллярных трубках и с позиций молекулярно-кинетической теории в условиях взаимодействия твердой и жидкой фаз. Даны примеры применения закона ламинарной фильтрации для расчета притока к водозаборным сооружениям. Для гидрогеологов, инженеров-геологов, гидрогеохимиков, нефтяников. Будет полезна также преподавателям вузов и студентам. Табл. 8, ил. 27, список лит.-50 назв. Предисловие К настоящему времени сложилось представление о том, что процесс фильтрации аналогичен таким явлениям как течение жидкости в трубах, электрический ток, распространение тепла в твердом теле и т. д., для которых интенсивность потока прямо пропорциональна градиенту потенциала. Справедливость этих представлений подтверждается многочисленными экспериментальными данными, полученными в лабораторных условиях, а также опытом успешного решения разнообразных задач практической гидрогеологии, в основу которых положен закон Дарси. Использование постулата прямолинейной зависимости расхода потока от градиента напора позволило создать сравнительно несложный математический аппарат для практических расчетов: притоков подземных вод к различным водозаборным сооружениям, прогнозирования утечек из водохранилищ и каналов, оценки запасов подземных вод, составления технологических схем разработки нефтяных и газовых месторождений и др. Наряду с этим имеются не менее многочисленные факты, показывающие, что прогнозы, базирующиеся на законе фильтрации Дарси, не оправдываются, если речь идет о весьма низких скоростях потока. Более тщательные эксперименты, проведенные еще в конце прошлого века и многократно повторенные вплоть до настоящего времени, подтверждают, что прямолинейная зависимость между градиентом напора и расходом потока является аппроксимацией тем более грубой, чем меньший градиент напора. Из этого следует, что имеется довольно большой класс гидрогеологических задач, при решении которых нелинейностью закона фильтрации можно пренебречь без ущерба для достоверности оценки. Наряду с этим есть задачи, где такое пренебрежение либо приводит к абсурдным результатам, либо создает неоправданно высокий запас надежности, что влечет за собой необоснованное увеличение трудовых и материальных затрат. Пренебрежение нелинейностью наносит не меньший вред и качеству теоретических построений при интерпретации результатов геолого-гидрогеопогических работ, что, безусловно, отражается на достоверности практических выводов и рекомендаций. Таким образом, установление зависимости между скоростью фильтрации и градиентом напора, описывающей результаты экспериментов с меньшим расхождением, чем прямолинейная, является резервом, использование которого повысит эффективность геологоразведочных работ и может привести к снижению себестоимости строительства гидротехнических сооружений, нефтяных и газовых промыслов и т. д. В соответствии с изложенным возникает задача детерминирования процесса фильтрации с целью выяснения количественной зависимости между градиентом напора и скоростью фильтрации во всем диапазоне скоростей ламинарного потока. С этой целью в предлагаемой работе рассматривается процесс фильтрации с точки зрения современных физических представлений о строении жидкости и твердого тела, об их взаимодействии на поверхностях соприкосновения. Это вызвало необходимость затронуть некоторые вопросы молекулярной физики, молекулярно-кинетической теории жидкости, теории пластических деформаций, теории адгезии и т. д. Предлагаемую трактовку процесса фильтрации следует рассматривать как модель, построенную на широком известных и практически проверенных физических понятиях, удовлетворительно описывающих его механизм. Большую помощь в подготовке книг оказали В.В. Шаньков, им написаны раздел 7.2 и частично разделы 7.1, 7.3 и 7.4. Пользу принесли беседы и дискуссии по затронутым в работе вопросам с Л.В. Боревским. Автор считает своим долгом выразить этим товарищам искреннюю благодарность. 1. Эволюция взглядов на основной закон течения жидкости в пористой среде Середина XIX столетия отмечена двумя весьма значительными открытиями в области гидравлики. На основании серии экспериментальных исследований Пуазейль установил, что расход жидкости, протекающей через трубку круглого сечения, диаметр которой во много раз меньше длины, прямо пропорционален перепаду давления на концах трубки и обратно пропорционален ее длине: \( q = \frac{A_r (P_1 - P_2)}{\lambda} \), где \( q \) расход потока жидкости; \( A_r \) - коэффициент пропорциональности для данной трубки; \( P_1 \) и \( P_2 \) - соответствующие давления на концах трубки; \( \lambda \) - длина трубки. Физический смысл коэффициента пропорциональности Пуазейля не рассматривался и был раскрыт позже Стоксом, который, применив закон вязкостного трения Ньютона, установил зависимость между расходом потока и градиентом давления: \( q = \frac{2\pi r^4 (P_1 - P_2)}{\mu \lambda} \), где \( r \) радиус трубки; \( \mu \) - коэффициент динамической вязкости жидкости. В 1856 г. Дарси провел серию экспериментов по фильтрации воды через песок, помещенный в трубу, и получил аналогичный выражению (1-1) результат, сформулировав его в виде: \( q = k \cdot A_f \), где \( k \) константа; \( A_f \) - площадь поперечного сечения трубы. Коэффициент пропорциональности Дарси назвал коэффициентом фильтрации. Столь близкая аналогия между формулами (1-2) и (1-3) позволила впоследствии считать, что физико-механические процессы течения жидкости в тонкой трубке и в пористой среде идентичны. Такое предположение позволило использовать аппарат трубной гидравлики для описания процессов фильтрации. Однако детерминировать величину коэффициента пропорциональности в формуле Дарси на основе закона внутреннего трения Ньютона не удалось ввиду невозможности представить пористую среду в доступном для анализа виде. Аналогия между зависимостями (1-2) и (1-3) становится полной, если положить, что \( A_f = \pi r^2 \) и \( k = \frac{r^2}{\mu} \). Но такая замена справедлива только в случае перехода от течения в трубке к те..." Ключевые слова: молекулярнокинетический позиция, место, табла, ож н, сп ер, фильтрационный поток, фаулер, ор, ось капилляр, положение, твёрдый поверхность, давление, гидравлический градиент, потенциальный минимум, саттар, начальный, ол, размер, влияние, усилие, период, скорость течение, масса, исследование, твёрдый, поверхностный, муратов, градиент, зависимость, равновесие, деформация, ст ь, прямой линия, скорость осцилляция, раздел, последний, первоначальный форма, энергия активация, порода, коэффициент фильтрация, ориентационный взаимодействие, обратно пропорционально, физик, скорость фильтрация, падение напор, скворцов, вопрос, поверхность жидкость, работа, газовый фаза, рис, величина, градиент напор, градиент фильтрация, точка, конденсированный среда, расход поток, ст, молекула находящийся, относительно, жидкий, мочь, физический, малый, тонкодисперсный грунт, подвижность, водозаборный сооружение, падение давление, весьма, размер слагающий, расход жидкость, свойство, градиент давление, ион, капиллярный трубка, жидкий вода, проницаемость, направление, процесс, постоянный, тело, ол ь, дальний порядок, ен ия, перемещение молекула, формула, течение жидкость, движение, друг, твердый поверхность, следовательно, ул, объём, ось галерея, поле, сопротивление течение, иды, расстояние, фильтрация вода, твердый, приведенный, должный, равновесный состояние, фильтрация, коэффициент, активация, условие, переход, китайгородский, капилляр, количество, исходный точка, направление сокращаться, формула тейс, элементарный объем, счёт, недра, совершенный скважина, результат, сила, пьезометрический уклон, песок, теоретический прямой, опыт, омы, вода, состояние, дарси, поверхность, экспериментальный, взаимодействие, лундин, точка пласт, счет вовлечение, поток жидкость, скорость, поверхностный натяжение, энергия взаимодействие, молекула жидкость, стенка галерея, уравнение, вывод, жидкий фаза, твердый тепа, скважина, образец, закон дарси, единица, учет, глинистый, связь, взаимодействие жидкость, ул яр, гравитационный поле, вид, расход, близкий сосед, радиус, период трансляция, фаза, энергия, поверхность твердый, агрегатный состояние, определяющий роль, площадь, пластический деформация, поверхность контактирующий, объем, процесс фильтрация, точка находящийся, твёрдый тело, аналогичный, ат р, течение, молекула, газ, коэффициент пропорциональность, слой, молекула приходящийся, учёт, решение, поверхностный явление, наличие, массоперенос, дисперсный среда, пористый среда, значение, вып, жидкость, поток, равный, вт ом, квадратический скорость, сдвигающий усилие, величина постоянный, воды, расчет, сечение, эксперимент, вещество, количество вода, начальный градиент, пора, напор, частица, достаточный, время, молекулярный, фильтрационный, рассматриваемый, следующий соображение, процесс происходящий, коробов, случай, структура, среда, внешний, серия эксперимент, увеличение, ом, плоский щель, неподвижный молекула, вие, ана, полюс диполь, вязкость, план размер, трубка, поверхностный сила, ребиндер, минерал, ось, полученный, грунт, трансляция, константа взаимодействие, температура, порядок, межмолекулярный расстояние, образ, закон, соответствие, стенка, ида, ама, сила приходящийся, следующий, исходный положение, ол ул, расчёт