颗粒及作用在颗粒上的力

颗粒物质可通过各种化学反应而产生。例如，为水驱开发而注入的海水与油层盐水混合发生成盐反应、腐蚀过程中元素硫的存在。颗粒物质也可因轻质气溶解和释放造成热动力条件和流体组分的变化，从而导致沉淀产生。一旦各种颗粒被孔隙介质中流动的流体所携带，那么颗粒就以扩散、吸附、沉积和水动力4种主要方式运移。微粒传输将受分子力、电动相互作用、表面张力、流体压力、摩擦力和重力6种因素的影响。

随着微粒沿着孔隙介质中的弯曲流动通道移动，它们将在孔隙骨架内被捕获、滞留和沉淀。结果，孔隙骨架的结构发生不利变化，使孔隙度和渗透率减小（图4－16、图4－17、图4－18）。这种现象常称做地层伤害，以渗透率损害来衡量。各种颗粒的作用可分为内部作用和外部作用两种，外部作用发生在井底表面上，内部作用发生在孔隙介质内，可将其分为以下3组：

图4－16　各种颗粒的作用

（1）孔隙表面作用。包括沉淀和脱落。

（2）孔喉作用。包括堵塞（屏蔽、桥接、封闭）和非堵塞。

（3）孔隙体积作用。包括原位泥饼形成、原位泥饼损耗、运移、生成和消耗（化学反应，岩石形变和破碎，胶结物化学溶解造成颗粒释放，凝聚崩解）以及相间传输或交换。

沉淀在孔隙介质中的净颗粒数量表示为：

孔隙骨架中瞬时颗粒数量＝孔隙骨架中初始颗粒数量＋沉淀在孔隙表面上的净颗粒数量＋沉淀在孔喉的净颗粒数量。

颗粒通过水动力移动、胶质排出、胶结物化学溶解或岩石压缩、破碎和形变而使岩石颗粒失去整体性造成的颗粒释放以及化学的和物理－化学的4种主要方式生成，并通过表面沉淀（物理－化学的）、孔喉堵塞（物理卡堵）、孔隙充填和内部滤饼形成（物理的）及屏蔽和外部滤饼形成（物理的）的方式滞留颗粒。

图4－17　孔喉堵塞机理
（a）堵塞和封闭；（b）限流；（c）桥塞

图4－18　孔隙介质中的颗粒作用

Ives（1985）将作用在流动悬浮颗粒上的各种力分为3类：①与传输机理有关的力；②与吸附机理有关的力；③与分离机理有关的力。并用有关的无量纲变量组术语来表征它们。

4．5．1．1　与传输机理有关的力

控制悬浮颗粒特性的有关重要参数为：d和D分别为颗粒和孔隙介质颗粒的直径；ρs为颗粒密度；ρ和μ分别表示携带液的密度和黏度；va为对流速度；g为重力加速度；T为绝对温度。

（1）惯性力。颗粒惯性迫使它保持直线运动。惯性力可用无量纲变量组表示为（Ives，1985）：）

（2）重力。由于颗粒和携带液之间的密度差，遵循Stokes定律，故颗粒趋向于按重力方向运动。球形颗粒进行Stokes运动的速度为

若颗粒轻，则重力向上作用，因而表现为浮力。若颗粒重，则重力向下作用，颗粒趋于沉降。用Stokes定律和对流速度联系起来的重力，用无量纲数组表示为（Ives，1985）：

（3）离心力。离心力是由外部加速度产生的。以角速度w和半径R产生的离心力用无量纲形式表示为：

（4）扩散力。直径小于1mm的小颗粒在液体介质中易于作不规则状运动，且毫无规律地分散，这种现象称为布朗运动。微粒进行布朗运动的扩散率由Einstein（McDowell　＆Boyer等，1986）给出：

扩散力可用佩克莱特数表示为对流速度与平均布朗速度之比（Ives，1985）：

式中：K——波尔兹曼常数，K＝1．38×10－23。

（5）水动力。水动力是流体的剪切力和压力（Wojtanowicz等，1987、1988）。Ives（1985）说明在流体流动过程中，颗粒周围可能形成次循环流动，这会使作用在颗粒上的水动力失去平衡，从而使颗粒穿过流动场而运动。Ives（1985）认为还没有精确表达水动力的无量纲（变量）数组。Ives（1985）指出雷诺数可由下式得出：

它的其他形式，例如与剪切梯度、颗粒和液体间的相对速度、旋转颗粒的角速度，以及液体脉动频率联系起来。Khilar和Fogler（1987）用以下方程来表示球形颗粒脱离孔隙表面的水动力举升力：

式中：us——下滑速度（m／s）；

　　　K——颗粒附近的线性化速度梯度；

　　　d——球形颗粒直径（μm）。

4．5．1．2　与吸附机理有关的力

这些力作用在颗粒上，此时它们在颗粒表面附近相距不到1μm（Ives，1985），这些力的特征无量纲（变量）数组描述如下。

（1）London－Vander Waals力。这是吸引力，是由于原子和分子的电子特征所产生的电磁波所致，它表示为（Ives，1985）：

式中：——扩散力除以πd乘积的无量纲波长；

Fn——假设不同形式的（s－2）／¯λ，且小于或大于1的函数。

（2）摩擦阻力和水动力稀释。靠近颗粒表面遭受的流动阻力，因为当它们吸附于颗粒表面时必须使液体在其表面呈径向分散（Ives，1985；Khilar和Fogler，1987）。

4．5．1．3　与分离机理有关的力

（1）剪切力。它是一种摩擦力或阻力。当沉积颗粒上流动液体的剪应力产生的剪切力大于吸附在颗粒表面上的剪切力时，这些粒子就可以脱离并移动（Ives，1985）。

（2）静电双层力。这些力是通过不同pH值和离子强度的离子条件产生的。当颗粒和颗粒表面携带相同符号（“＋”或“－”）的静电荷时，它们互相排斥。其排斥力表示为（Ives，1985）：

式中：s——无量纲间隔距离，以径向间隔距离除以颗粒半径（d／2）表示；

　　　k——德拜（Debye）倒数双层厚度（μm）；

　　　d——颗粒直径（μm）。

离子强度高，则双层厚度小，因而k大。

（3）博恩（Born）排斥力。它是由于电子云重叠结果产生的（Wojtanowicz等，1987、1988）。