多孔介质是一种由固体物质组成的骨架和大量微小空隙构成的物质体系。这些空隙可以由液体、气体或者两者混合占据,且相对于某一相而言,其他相则弥散在其内部。多孔介质的空隙既可以是相互连通的,也可以是部分连通、部分不连通的。这种特性使得多孔介质对于渗流力学的研究至关重要,因为
流体在这种介质中呈现出渗流的运动方式。
多孔介质的空隙尺寸非常微小,比表面积也非常大。例如,
砂岩的
地层孔隙直径通常在1微米到500微米之间,而毛细血管的内径一般为5~15微米。此外,多孔介质的比表面积数值巨大,如砂岩的比表面积一般达到105平方米/立方米的数量级。这一特征对流体渗流时的表面分子力作用、多孔介质的
吸附、过滤、传热和扩散等过程有着显著的影响。
多孔介质可以根据成因和组成进行分类。按照成因,可分为天然多孔介质和人造多孔介质。天然多孔介质包括地下多孔介质和生物多孔介质,前者如岩石和土壤,后者如人体和动物体内的微细血管网络和组织间隙以及植物体的根、茎、枝、叶等。人造多孔介质种类繁多,如过滤设备内的滤器,铸造砂型,陶瓷、砖瓦、木材等建筑材料,活性炭、催化剂、鞍形填料和玻璃纤维等的堆积体等。按照微小空隙的形态和结构,多孔介质还可以分为孔隙性多孔介质、裂缝性多孔介质和多重性多孔介质。孔隙性多孔介质包括两类:一类是孔隙在各个方向相互连通,无明显隶属层次关系的,如
砂岩、土壤、人造颗粒状材料的堆积体等;另一类是孔隙呈树枝状分布,有明显隶属层次关系的,如微细血管网络。裂缝性多孔介质内的空隙主要为微小裂缝,如裂缝性的
石灰岩和
白云岩等。当多孔介质内兼有多重形态的微小空隙时,被称为多重性多孔介质,如裂缝-孔隙系统的
碳酸根岩层。
孔隙度指的是多孔介质内微小空隙的总体积与其外表体积的比率。具体可分为有效孔隙度和绝对孔隙度。有效孔隙度指相互连通的微小空隙的总体积与外表体积的比率,而绝对孔隙度则是所有微小空隙的总体积与外表体积的比率。孔隙度是影响多孔介质内
流体容量和流体渗流状况的重要参数。
浸润性描述的是固体和两种流体(两种非互溶液体或液体与气体)在三相接触面处流体浸润固体表面的现象。这是由于三相的表面分子层能量平衡所致。浸润性可以用固体液体之间的
极性差异来衡量,极性差异越小,就越容易发生浸润。浸润性对多孔介质中流体运动的规律及相关生产过程有重要影响。
毛细管压力是在多孔介质的微小空隙中,两种非互溶流体分界面两侧存在的压力差,即非浸润相的压力与浸润相的压力之差。毛细管压力受
流体表面张力、浸润角和界面
曲率的影响。在流体驱替过程中,毛细管压力既可能是驱动力,也可能是流动的阻力。毛细管压力的存在会影响多孔介质内的流体运动规律,因此是渗流力学及相关工程技术必须考虑的因素。
渗透率是反映多孔介质渗透性强弱的量。多孔介质允许流体通过相互连通的微小空隙流动的性质称为渗透性。渗透率与孔隙度之间不存在固定的关系,而是与孔隙大小及其分布等因素密切相关。渗透率值由达西渗流定律确定。渗透率可分为绝对渗透率、有效渗透率和相对渗透率。渗透率是渗流力学及相关工程技术的一项重要基础数据,它表征渗流过程的特征。