Гидравлическая дисперсия

Гидравлическая дисперсия, это процесс рассеивания вещества, сочетающий диффузию и конвекцию и зависящий от неравномерности поля скоростей во внутрипоровом пространстве (на молекулярном уровне), неоднородности и гетерогенности среды (на макро- и региональном уровне). В соответствии с этим при гидрогеохимической миграции выделяют микро- и макродисперсию).

Микродисперсия обусловлена характером эпюры распре­деления скорости фильтрации в каждой поре  и движе­нием воды по порам, имеющим различные ориентацию и размеры, В ре­зультате этого происходят отклонение локальных скоростей движения струек от средней по величине и направлению, отставание или уско­рение движения элементарных струек, имеющих разную концентра­цию мигранта , и рассеивание вещества, т. е. уменьшение его концентрации по направлению переноса . Рассеи­вание может быть и результатом разветвления и слияния элементар­ных струек при точечном поступлении вещества. По мере их движения с одновременным увеличением общего сечения, через которое они идут, наблюдается уменьшение концентрации ве­щества относительно Фиксированного точечного источника его по­ступления.

Схемы проявления гидравлической дисперсии при сплошном и то­чечном  поступлении мигранта в водоносный пласт

где 1— минеральное зерно; 2 — стрелки, величина которых отражает неравномерность поля скорости движения во внутрипоровом пространстве.

Установлено, что в гомогенных средах продольная мик­родисперсия заметно проявляется лишь в лабораторных условиях. Большее внимание следует уделять изучению поперечной дис­персии в натурных условиях.

В породах с гетерогенно-блоковой структурой, а также при на­личии в пластах в плане и в разрезе макронеоднородностей размером 0,1—1 м и более проявляется макродисперсия вещества. При упорядоченной неоднородности, например в слои­стых пластах, ускоренное продвижение вод с повышенной концентра­цией по хорошо проницаемым пластам приводит к появлению концен­трационных «языков» внутри слоистой системы . Счи­тается, что в хорошо проницаемых пластах миграция осуществляется продольной гидродисперсией, а при значительной скорости фильтра­ции (V > 0) — конвективным путем. В слабопроницаемых разделяющих слоях она протекает путем поперечной дисперсии и диффузии. Массоперенос в такой многослоистой толще характе­ризуется обобщенным коэффициентом дисперсии который для случая, когда влияние диффундирующего раствора распространяется на всю мощность слабопроницаемого слоя т₀, определяется выраже­нием:

Где δ₂—геометрический параметр, обобщенно характеризующий среду, в которой протекает процесс макродисперсии, и зависящий от соотношения мощностей хорошо- и слабопроницаемых слоев (m, m₀) и их пористостей (п, п₀).

На дисперсию вещества в потоке влияет также гетерогенность пород, которая обусловливается их структурностью, литолого-фаци- альным замещением, наличием тупиковых пор и разрывных наруше­ний. Такое строение часто имеют пласты закарстованных известня­ков, трещиноватых песчаников и аргиллитов, лёссовидные и глини­стые породы с зонами повышенной проницаемости разного генезиса. При неупорядоченной гетерогенности пород используют гетерогенно- блоковую модель среды , представляя породу как мозаичную квазиоднородную систему из слабопроницаемых блоков, прорезан­ных крупными хорошо проницаемыми каналами. Конвективный перенос вещества осуществляется главным образом по каналам, а обмен веществом между каналами и блоками идет по диф­фузионному механизму и конвективным путем со скоростью, опреде­ляемой относительной проницаемостью блоков. В этом случае пара­метрами процесса переноса будут активная пористость каналов п, скорость фильтрации V, коэффициент массообмена α и коэффициент макродисперсии D.

Схемы формирования макродисперсии в многопластовой (слоистой) системе и при гетерогенно-блоковой структуре пласта

где  1,2 — слои (1 — хорошо проницаемый» 2 — слабопроницаемый); 3,4 — направление по токов (3 — конвективного, 4 — диффузионного); 5 — линия положения концентрационного фронта  6 — граница расчетного элемента.