油田水文地质学绪论、第一章.ppt

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1、,油田水文地质学Hydrogeology of Oilfield,石油大学（北京）盆地与油藏研究中心2006年9月,1、油田水文地质学的涵义 油田水文地质学是研究含油气区（盆地）地下水（油田水）与油气关系的学科。它研究含油气区（盆地）地下水（油田水）的形成、运动和分布规律，同时还研究地下水在油气生成、运移、聚集、保存和破坏，以及在油气开发过程中的作用。油田水文地质学含油气盆地流体分析 含油气盆地流体动力学,一、油田水文地质学的涵义、研究对象和研究内容,2、研究对象 含油气区（盆地）地下水与油气3、研究内容（1）含油气区（盆地）地下水（油田水）的形成过程和赋 存条件 含油气区（盆地）地下水（油田

2、水）的赋存条件 含水介质（孔隙、裂隙和溶穴）油田水的埋藏条件 含油气区（盆地）地下水（油田水）的水化学特征 地下水（油田水）的物理性质：温度、密度、黏度等 地下水（油田水）的化学成分：常量组分、微量组分、同位素组成 地下水（油田水）化学成分的形成作用和形成机理：溶滤作用、蒸发浓缩作用、混合作用、脱碳酸作用等,含油气区（盆地）地下水（油田水）的水动力环境和水动力特征 地下水（油田水）的水动力环境：静水环境/动水环境、常压/超压环境等 地下水（油田水）运动的驱动力：压实作用、重力作用、构造作用、超压和热力作用等 地下水（油田水）的运动特征：运动方向、运动强度、运动方式、运动距离等,（2）地下水对油

3、气形成和分布的影响 地下水对油气生成的影响 地下水化学成分对油气生成的影响 地下水盐度对油气生成的影响 地下水对油气运移和聚集的影响 地下水对油气运移动力的影响 地下水对油气运移方向和方式的影响 地下水对油气运移强度的影响 地下水对油气聚集部位的影响 地下水对油气聚集量的影响,地下水对油气藏保存和破坏的影响 地下水对油气的冲刷作用方式 地下水对油气藏的冲刷强度 地下水对油气藏的冲刷量 地下水对油气储集层物性的影响 地下水对成岩作用的影响 水岩相互作用与储集层物性 水岩相互作用与次生孔隙的形成和分布,（3）地下水对油气藏开发的影响地下水对油气钻探的影响 地下水的异常压力与钻前预测 地下水盐度和水

4、化学成分与泥浆的配置地下水对油气开采的影响 地下水动力场与剩余油的分布 注入水的运移与驱油效果和剩余油的分布 注入水地下水储层的相互作用对储层物 性的影响,1、油田水文地质学是水文地质学与石油地质学的交叉学科，是利用水文地质学基本原理解决石油地质学方面的问题。2、油田水文地质学是地质学的一部分，与构造地质学、矿物学、沉积岩石学与岩相古地理等学科关系密切。盆地构造和演化控制着地下水的形成与分布盆地的沉积与岩石性质影响地下水的形成与分布3、油田水文地质学还与水力学、地下水动力学、水文地球化学、钻井工程、采油工程、测井等学科有一定的联系。,二、油田水文地质学与其它学科的关系,三、油田水文地质学的发展

5、概况,1、油田水文地质学科萌芽和形成时期（20世纪初20世纪50年代）（1）Munn(1909)、Rich（1923）利用实验研究流动的水对石油在地层分布影响，提出了石油运移的水力说（2）Illing(1923)研究水和石油通过粗细交替砂层的渗流机理（3）前苏联从20世纪30年代开始进行有关油田水的系统研究，1935年苏林编著了苏联油田水一书，后来（40年代）相继完成了天然水系中的油田水、油田水文地质学，建立了油田水文地质学科,（4）（1940，1953）提出了地下流体势的概 念，建立了相应的计算公式，并根据流体势分布判断 油、气、水的运动方向，解释油气运移、聚集问题，从而把地下流体运移的研究

6、建立在科学的基础上；（5）苏哈列夫对前苏联含油气区的地下水进行了大量研究，50年代先后出版了油矿水文地质学（1955），水文地质与油气田水（1959）；（6）国内在石油地质专业开始设立油田水文地质学必 修课程，但教材采用前苏联的教材，各油田矿区相继 建立了油田水化学分析实验室几各种油田水文地质研 究机构。,2、油田水文地质学科发展时期（20世纪60年代20世纪 70年代）（1）国内在参照前苏联教材的基础上，北京石油学院石油地质教研室刘方槐、李慈君（1961）编著了油气田水文地质学教材，对推动我国油田水文地质学的教学、科研和生产实践具有重要的作用；（2）卡尔采夫1969年出版了古水文地质学，提出

7、了水文地质旋回与水交替次数的概念，试图将地下水交替作用定量化；（3）苏哈列夫对前苏联含油气区的地下水进行了大量研究，出版了油气田水文地质学（1979）；（4）年出版了油田水地球化学，对油田水的地球化学问题进行了全面深入的分析，并在1980年出版的石油地质学进展（2）中，发表了“油田卤水”一文，文中结合美国实例对古水化学分析方法进行了探讨；,（5）K.Magara等70年代研究了地下流体的异常压力问题，探讨了压实作用与地下流体的运移等问题；（6）J.Toth从70年代始，研究了沉积盆地的重力流，并特别强调地下水的穿层流，以及与油气运移和聚集的关系，建立了石油水文地质学（Petroleum）；（7

8、）.（）提出将盆地演化划分为幼年期、中年期和老年期，并探讨了各个时期地下水的动力学特征；（8）Berg(1975)、Schowalter(1979)讨论了油气运移和聚集过程中浮力、毛细管力和水动力的关系；（9）Cordell(1977)研究了各种圈闭油气聚集过程中油、气、水的运移过程,3、油田水文地质学科拓展和壮大时期（20世纪80年代至今）年代以来，油田水文地质学的研究内容不断深入，研究领域不断扩大，从研究含油气区的地下水与油气藏的形成与分布扩展到含油气盆地的流体动力学与油气藏的形成与分布。（1）前苏联学者卡普钦科（1983）出版了 油气聚集理论的水文地质学基础 一书，全面和系统地讨论了地下

9、水与油气藏的形成和分布；（2）Dahlberg（1982）出版了 Applied hydrodynamics in petroleum exploration一书，将水动力学的理论与方法应用于油气勘探，提出了UVZ法则，并在1995年再次出版了 Applied hydrodynamics in petroleum exploration 的第二版；（3）Cheery GarvenMark Person,Ge Shimin,（4）TothBachu（5）C.Bethke（6）Ortoleva（7）Hanor（8）I.Lerche and R.O.Thomsen(1994),Hydrodynami

10、cs of Oil and Gas（9）国内先后出版了刘方槐等（1991）、邸世祥等（1991）和杨绪充（1993）三本油田水文地质学，杨绪充（1993）还出版了含油气区地下温压环境，刘崇禧等（1988）出版了水文地球化学找油理论与方法,四、油田水文地质学的研究意义,1、在油气勘探中的意义（1）通过研究油气田的地下水动力特征，了解油气的运移和聚集特征，以及油气的保存和破坏情况，指导油气勘探；（2）通过研究油气田的地下水化学特征，一方面有助于认识地下水动力特征，另一方面有助于了解水岩相互作用特征，从而有效地进行储层评价，此外，还有助于应用水文地球化学探矿法（化探）寻找油气，进行油气远景评价,2、

11、在油气井钻探中的意义通过了解含水层的埋藏深度、压力大小、水的物理化学特征，才能有效地保证油气井的正常钻进。高压含水层对钻井影响很大，往往会引起井喷，影响进尺，严重时还会使得整个井报废。,3、在油气开发中的意义（1）通过了解油气与地下水的水力联系，了解地下水的运动特征，才能制定出更合理的水驱油、聚合物驱油等开采方案；（2）了解注入水的配伍性，研究注入水与储层介质的相互作用机制，防止某些矿物发生沉淀，以破坏原生孔隙结构，给油气开采造成很大困难；（3）在油气开采时，了解侵入水的来源，设计盐水处理方案以及防止腐蚀等问题，地下水化学成分、压力和温度等资料非常有用。,4、油气田地下水的利用（1）高矿化的油

12、气田地下水可提取有用矿物的工业原料。如四川盆地、江汉盆地油田水中含有Li、I、Br、Ce、Rb等有用矿物的工业原料；（2）油田深部的地下水多为热水，可用于生活、医疗、农业等。,五、油田水文地质学讲授的主要内容,第一部分：水文地质学基础地下水的赋存条件、运动特征和补给、径流、排泄，以及地下水化学成分和形成作用第二部分：含油气区（盆地）地下水的基本特征与油气运聚含油气区（盆地）水文地质条件、含油气区（盆地）地下水的水化学特征及其形成作用、含油气区（盆地）地下水动力特征与油气成藏第三部分：水文地质在油气勘探和开发中的应用地下流体势及其在油气运聚中的应用（UVZ法则）、在储层评价中的应用、在油气开发中

13、的应用,六、油田水文地质学课程主要参考资料,1王大纯、张人权等，水文地质学基础，地质出版社，19952刘方槐、颜婉荪编，油气田水文地质原理，石油工业出版社，19913杨绪充编，油气田水文地质学，石油大学出版社，19934杨绪充著，含油气区地下温压环境，石油大学出版社，19935邸世祥编，油田水文地质学，西北大学出版社，1991,6卡普钦科著，贺忠林译，油气聚集理论的水文地质基础，石油工业出版社，19917E.C.戴尔勃格著，王学礼译，石油勘探实用水动力学，石油工业出版社，19928刘崇禧，孙世雄编著，1988，水文地球化学找油理论与 方法，地质出版社 9J.M.Verweij,1993,Hyd

14、rocarbon migration systems analysis,Developments in Petroleum Science,35,ELSEVIER 10高锡兴编著，中国含油气盆地油田水，石油工业出版 社，1994,11地质学报、地质论评、石油学报、沉积学报、地球科学、石油天然气地质、石油勘探与开发、石油实验地质等刊物有关地下水与油气运移和聚集方面的论文。12“AAPG.Bulletin”,“Journal of Petroleum Geology”,“Journal of Petroleum Geoscience”,“Marine and Petroleum Geology”,

15、“Journal of Geophysics”,“Journal of American Sciences”,“Applied Geochemistry”,“Basin Research”,“Journal of Geochemical Exploration”等刊物有关地下水与油气运移和聚集方面的论文。,第一章 地下水的赋存和运动,在地壳表层10余公里范围内，都或多或少地存在着各种空隙（包括孔隙、裂隙和溶隙），这为地下水的赋存提供了必要的空间条件。就广义而言，地下水不仅存在于岩石的空隙之中，也可存在于岩石的骨架之中，因此地壳表层就好象是饱含着地下水的“海绵”。在沉积盆地，就体积而言，沉积盆地

16、中约20%是由地下水组成的（Hanor，1993），因此，地下水是盆地流体中数量最大，分布最广，作用最大的一种流体，且其温度、压力和化学组成变化范围很大，因此研究地下水的赋存、运动及化学组成是研究盆地流体（包括油气）运动的基础。,第一节 地下水的赋存形式,一、地下水的存在形式,1、重力水（自由水）：在重力作用下能自由运动的地下水。它是一种重要的液态水，能充满岩石中所有的大小孔隙，并在地壳中自由运动。重力水能从泉眼中流出地面，也能从井孔中被抽出地面或自溢出地面，为极重要的供水水源。重力水能形成地下径流，由补给区经过长距离的运动流向排泄区。重力水在地下运动时服从达西定律。,2、薄膜水（弱结合水）：

17、在吸着水外围以薄膜形式发展变厚的过程中形成的。它是由静电引力或分子力支撑的，厚度可达几百个水分子直径。薄膜水不受重力的影响，也不传递压力，但可以由薄膜较厚的地方向薄膜较薄的地方移动，直到各处的薄膜厚度相等为止。,3、吸着水（吸附水、强结合水）：以单独的水分子状态包围在岩石颗粒表面的水。这种水靠水分子对岩石的吸附力而停留在岩石的颗粒上，其吸附力常可高达101325MPa。因此停留在岩石中的吸着水只能在将岩石加热时才能被排出。吸着水不受重力作用的影响，密度大，在零下78度时不结冰，没有溶解能力，不传导静水压力，不导电。,4、气态水：以水蒸气的形式储存在地下的水。它和大气中所含的水蒸气完全一样，并和

18、大气中的水蒸气相联系。它的活动性很大，可以随着空气一起在岩石空隙中运动。,5、固态水：岩石中温度在零度以下的重力水，即以冰的形态出现的重力水，常分布在季节性或永久性冻结地区。,6、毛细水：存在于岩石毛细孔隙中或孔道狭窄部分的水。岩石中的细小孔隙如自然界的毛细管。水在其中能产生毛细运动。因此，在地下水面以上便形成了一个普遍的毛细上升带。毛细上升现象是地下水对孔壁的吸附力和水的表面张力二者与毛细管中水的重力产生平衡作用的结果。毛细水能够传递静水压力，具有溶解能力，其性质近似普通水。在多孔介质中毛细水的运动不服从达西定律，而受毛细管力的控制。,7、岩石骨架中的水：指保存于矿物结晶格架中，已成为矿物组

19、成部分的水。（1）结晶水：当矿物中水的组成比例固定不变时称结晶水，如石膏（CASO4.2H2O）等矿物中的水。（2）当所含水的比例可变且较易脱出时称沸石水，如蛋白石（SiO2.nH2O）、方沸石（NaAl2Si4O2.nH2O）等矿物中的水。（3）一些水以（OH）或（H）的形式参与矿物组分，互相结合紧密，只有当矿物结构破坏后，并加热到400至500度时才能分离出来，这种水称为结构水，如水铝石（AlO.OH）、白云母（K、H2Al2Si2O3）等矿物中的水。,二、包气带和饱水带、含水层和隔水层,1、包气带和饱水带 在地表以下一定深度处存在着地下水面。地下水面以上，称之为包气带（非饱和带）；地下水

20、面以下，称为饱水带（饱和带）。,自上而下包气带分为：土壤水带、中间带和毛细水带,饱水带岩石空隙全部为液态水充满，既有自由水，又有结合水。由于饱水带中的地下水连续分布，能够传递静水压力，故在水头差的作用下，可以发生连续运动。,2、含水层和隔水层 饱水带岩层按其透过和给出水的能力，可划分为含水层和隔水层。（1）含水层是指能够透过并给出相当数量水的岩层。隔水层则是不能透过并给出水，或透过和给出水的数量微不足道的岩层。空隙细小的岩层（如泥岩层）含的几乎都是结合水，结合水在平常条件下不能移动，这类岩层实际上起着阻隔水透过的作用，所以为隔水层。而空隙较大的岩层（如砂岩层），主要含有自由水，在水头差作用下能

21、够透过和给出水，就构成了含水层。,（2）应当注意的几个问题：含水层与隔水层划分的相对性含水层和隔水层在一定条件下可 相互转化岩层的透水性往往具有各向异 性，很难用层来表示，用含水带 可能更好。,根据地下水的埋藏条件和含水层的介质类型对地下水分类。地下水的埋藏条件：含水岩层在地质剖面中所处的部位及受隔水层（弱透水层）限制的情况。据此可将地下水分为包气带水、潜水和承压水（层间水、地层水）。按含水介质（空隙）类型，可将地下水分为孔隙水、裂隙水和岩溶水。,三、地下水分类,表1 地下水分类表,四、上层滞水和潜水,1、上层滞水,（1）当包气带中存在局部隔水层时，在局部隔水层上积聚具有自由水面的自由水，这便

22、是上层滞水。（2）上层滞水最接近地表，接受大气降水补给，以蒸发形式排泄或向隔水底板边缘排泄。（3）水量一般不大，动态变化比较显著，当分布范围较小而补给不很经常时，不能终年保持有水，只在缺水地区才能成为供水水源。（4）容易受到污染,2、潜水（1）定义：饱水带中第一个具有自由表面的含水层中的水称为潜水。,（2）埋藏特征：潜水没有隔水顶板，或只有局部的隔水顶板。潜水的表面为自由水面，称作潜水面；从潜水面到隔水底板的距离为潜水含水层的厚度。潜水面到地面的距离为潜水的埋藏深度。潜水含水层厚度与潜水面埋藏深度随潜水面的升降而发生相应的变化。,（3）补、径、排特征：在潜水的全部分布范围都可以通过包气带接受大

23、气降水、地表水补给。潜水在重力作用下由水位高的地方向水位低的地方径流。潜水的排泄，除了流入其它含水层外，主要有两种排泄方式，一类为径流排泄，即径流到地形低洼处，以泉、泄流等形式向地表或地表水体排泄，另一类为蒸发排泄，即通过土面蒸发或植物蒸腾的形式进入大气。,（4）潜水的动态变化大，具明显的季节变化特点。丰水季节或年份，潜水接受的补给量大于排泄量，潜水面上升，含水层厚度增大，埋藏深度变小。干旱季节排泄量大于补给量，潜水面下降，含水层厚度减小，埋藏深度变大。（5）潜水积极参与水循环，资源易于补充恢复，但受气候影响，且含水层厚度一般比较有限，其资源通常缺乏多年调节性。（6）潜水的水质主要取决于气候、

24、地形和岩性条件。湿润气候及地形切割强烈的地区，有利于潜水的径流排泄，往往形成含盐量不高的淡水。干旱气候下由细粒组成的盆地平原，以蒸发排泄为主，常形成含盐高的咸水。潜水容易受到污染。,（7）潜水位、潜水等水位线图、潜水流向、潜水水力坡度,潜水的基本特点：与大气圈、地表水圈联系密切，积极参与水循环根本原因：埋藏特征位置浅且上面没有连续的隔水层,1、定义：充满于两个隔水层之间的含水层中的水叫作层间水，亦称地层水、承压水。,五、层间水（承压水、地层水),承压水,2、埋藏条件：层间水含水层上部的隔水层称作隔水顶板，或叫限制层。下部的隔水层叫做隔水底板。顶底板之间的距离为含水层厚度。,3、补给、径流、排泄

25、：层间水受隔水层的限制，与大气圈、地表水圈的联系较弱。当顶底板隔水性能良好时，它主要通过含水层出露地表的补给区（这里的水实际上已转为潜水）获得补给，并通过范围有限的排泄区排泄。当顶底板为半隔水层时，它还可通过半隔水层，从上部或下部的含水层获得补给，向上部或向下部含水层排泄。,越流补给,4、动态特征：无论在哪一种情况下，层间水参与水循环都不如潜水那样积极。因此，气候、水文因素的变化对层间水的影响较小，层间水动态比较稳定。5、层间水在很大程度上和潜水一样来源于现代渗入水（大气降水、地表水的渗入）。但是，由于层间水的埋藏条件使其与外界的联系受到限制，在一定条件下，在含水层中可以保留年代很古老的水，有

26、时甚至保留沉积物沉积时的水（例如，在海相沉积物中保留下当时的海水，在湖相沉积物中保留下当时的湖水）。总的说来，层间水资源不象潜水资源那样容易补充、恢复，但由于其含水层厚度一般较大，往往具有良好的多年调节性能。,6、将某一层间含水层水头相等的各点连线，即得等水头线。在图上根据钻孔水头资料绘出等水头线，便得到等水头线图。和潜水等水头线一样，根据层间水等水头线可以确定层间水的流向和水力梯度。,（1）对于潜水，由等水头线构成的测势面既表示地上水面，又代表含水层的顶面（即潜水面）。而层间水只有当井孔穿透上覆隔水层达到含水层顶面时，才会在井孔中才会在井孔中出现。在水头高度处并不存在实际的地下水面，由等水头

27、线构成的测势面是一个虚构的面，钻孔打至这个高度是取不到水的，必须打到含水层的顶面才能见水。因此等水头线图通常要附以含水层顶板等高线。,（2）仅仅根据等水头线图，无法判断层间含水层和其它水体的补给关系。任一层间含水层接受其它水体的补给，必须同时具备两个条件，缺一不可：第一，水体（地表水，潜水或其它层间含水层）的水头必须高于此层间含水层的水头；第二，水体与该含水层之间必须有联系通道。同样，在排泄时也应具备这两个条件，只不过层间含水层的测压水位必须高于其它水体的水头罢了。层间含水层在地形适宜处露出地表时，可以泉或溢流形式排向地表或地表水体。也可以通过导水断裂带向地表或其它含水层排泄。当层间含水层的顶

28、底板为半隔水层时，只要有足够的水头差，也可以通过半隔水层与其上下的水体发生水力联系。,7、在接受补给或进行排泄时，层间含水层对水量增减的反应与潜水含水层不同。（1）潜水获得补给时，随着水量增加，潜水面抬高，含水层厚度加大；进行排泄时，水量减少，潜水面下降，含水层厚度变薄。层间含水层则不同，由于隔水顶底板的限制，水充满于含水层中，上覆岩层的压力是由含水层骨架与含水层中的水共同承担的。当层间含水层接受补给时，水量增加，含水层骨架原来所承担的一部分上覆层压力转移给水来承担，从而导致层间水水头增大。由此可见层间水在接受补给时主要表现为水头上升，而含水层的厚度并无明显改变。当然，如果层间含水层的顶底板为

29、半隔水层，层间水水头上升时，一部分水量可由含水层转移到相邻的半隔水层中去。,（2）因排泄而减少水量时，层间含水层的水头会降低。水少承担的那一部分压力转移给含水层骨架来承担。这时当顶底板为半隔水层时，还将有一部分水由半隔水层转移到含水层中。如果层间含水层的补给与排泄处于平衡状态时，则其水头将保持稳定不变。,8、层间水的水质变化很大，从淡水到含盐量很高的卤水（含盐量高于50g/l）都有。层间水的补给、径流、排泄条件愈好，参加水循环愈是积极，水质就愈接近入渗的大气降水及地表水，为含盐量低的淡水。补给、径流、排泄条件愈差，水循环愈是缓慢，水与含水岩层接触时间愈长，从岩层中溶解得到的盐类愈多，水的含盐量

30、就愈高。有的层间水含水层与外界几乎不发生联系，保留着经过浓缩的古海水，其含盐量可达到n100g/l。我国某些陆相含油气盆地的深部层间水有时也具有这种高含盐量特征。,8、层间水与潜水的转化,六、地下水的补给、排泄和径流,1、地下水的补给,含水层或含水系统从外界获得水量的作用过程为补给。补给来源主要有大气降水、地表水、凝结水和其它含水层的水。（1）大气降水的补给 一般情况下，大气降水入渗补给含水层的水量仅占降水量的20%50%，其余的降水通过各种途径耗失了。,（2）地表水的补给河流与地下水的补给关系沿着河流纵断面有所变化。,（3）凝结水的补给在某些地方，水蒸气的凝结对地下水的补给具有一定的意义。一

31、般情况下，凝结形成的水相当有限。（4）其它补给形式隔水层分布不稳定时，在其缺失部位相邻的含水层便通过“天窗”发生水力联系。,切穿隔水层的导水断层往往成为岩石含水层之间的联系通路含水层之间的另一种联系方式是越流,2、地下水的排泄 含水层失去水量的作用过程称为排泄。地下水通过泉（点状排泄）、向河流泄流（线状排泄）及蒸发（面状排泄）等形式向外界排泄。此外，一个含水层的水可向另一个含水层排泄。此时，对后者来说，即是从前者获得补给。,（1）泉 泉是地下水的天然露头，在地形面与含水层或含水通道相交点地下水出露成泉。山区及丘陵的沟谷与坡脚常可见泉，而在平原地区很少有。根据补给泉的含水层的性质，可将泉分为上升

32、泉及下降泉两大类。上升泉由层间含水层补给，下降泉由潜水或上层滞水补给。根据出露原因，下降泉可分为侵蚀泉、接触泉与溢出泉。,（2）泄流地下水有进也集中排泄于河流、湖底及海底，这类水下泉与一般的区另是出露于水下而不在地面。在更多的情况下，地下水是分散排入地表水体中。当河流切割含水层时，地下水便沿河呈线状排泄。（3）蒸发地下水的蒸发排泄包括地面蒸发和叶面蒸发两种情况。1）地面蒸发 地下水沿毛细孔隙上升，在潜水面之上形成一个毛细水带。当潜水埋藏不深，毛细水带离地面较近，大气相对温度较低时，毛细弯液面上的水不断由液态变为气态，逸入大气。潜水则源源不断地通过毛细作用上升补给，使蒸发不断进行。2）叶面蒸发

33、植物在生长过程中，经由根系吸收水分，并通过叶面蒸发逸失。叶面蒸发也叫蒸腾。,3、地下水径流 在地球重力作用下地下水由补给 区流向排泄区的作用过程称为径流。许多沉积盆地的地下水经常处于不断的径流之中，径流是连结补给与排泄的中间环节。它实际上是一种地下水重力流。,地下水的排泄区总是分布在地形相对较低下的地方，因此，从总体上说，地下水的径流受地形的控制，由高处流向低处。不同的地质及气候条件会影响地下水径流的强度与水质。例如，浅部侵蚀基准面以上径流最为强烈，水的矿化底很低；向深部，随着循环途径增长，径流变弱，矿化度增大。,干旱地区细土堆积平面的潜水，为典型的渗入-蒸发型循环。水分及盐分输送到排泄区后，

34、水分蒸发耗失，盐分就地积聚。长期循环的结果，使补给区的水土淡化脱盐，排泄区的地下水咸化，土壤发生盐渍化。,层间水均属于渗入-径流型循环。赋存水的地质构造规模愈小，后期的构造与侵蚀破坏愈强烈，补给愈丰富，含水层透水性愈好，则径流愈强烈，水的矿化度愈低。,第二节 地下水运动的基本规律,1、渗流与渗流场地下水在岩石空隙中的运动称为渗流(渗透).发生渗流的区域称为渗流场。由于受到介质的阻滞，地下水的流动远较地表水为缓慢。2、层流与紊流 在岩层空隙中渗流时，水的质点作有秩序的、互不混杂的流动，称作层流运动。在具狭小空隙的岩石（如砂、裂隙不很宽大的基岩）中流动时，重力水受介质的吸引力较大，水的质点排列较有

35、秩序，故均作层流运动。水的质点无秩序地、互相混杂的流动，称为紊流运动。在宽大的空隙中（大的溶穴、宽大裂隙），水的流速较大时，容易呈紊流运动。,一、基本概念,3、稳定流和非稳定流 水在渗流场内运动，各个运动要素（水位、流速、流向等）不随时间改变时，称作稳定流。运动要素随时间变化的水流运动，称作非稳定流。严格地讲，自然界中地下水都属于非稳定流。但是，为了便于分析和运算，也可以将某些运动要素变化微小的渗流，近似地看作稳定流。,1、达西定律1856年，法国水力学家达西（H.Darcy）通过大量的实验，得到线性渗透定律。实验是在装有砂的圆筒中进行的（图4-1）。水由筒的上端加入，流经砂柱，由下端流出。上

36、游用溢水设备控制水位，使实验过程中水头始终保持不变。在圆筒的上下端各设一根测压管，分别测定上下两个过水断面的水头。下端出口处设管嘴以测定流量。,二、重力水运动的基本规律,根据实验结果，得到下列关系式：Q=KWh/L=KWI(4-1)式中：Q渗透流量（出口处流量，即为通过砂柱各断面的流量）；W过水断面（在实验中相当于砂柱横断面积）；h水头损失（h=H1-H2，即上下游过水断面的水头差）；L渗透途径（上下游过水断面的距离）；I水力梯度（相当于h/L，即水头差除以渗透途径）；K渗透系数。此即达西公式。,从水力学已知，通过某一断面的流量Q 等于流速V与过水断面w的乘积，即：Q=WV(4-2)即V=Q/

37、W。据此及公式（4-1），达西定律也可以另一种形式表达之：V=KI(4-3）V 称作渗透流速，其余各项意义同前。,2、渗透流速（V）,实际流速（u）,3、水力梯度（I）水力梯度I为沿渗透途径水头损失与相应渗透途径长度的比值。水在空隙中运动时，必须克服水与隙壁以及流动快慢不同的水质点之间的摩擦阻力（这种摩擦阻力随地下水流速增加而增大），从而灌消耗机械能，造成水头损失。因此，水力梯度可以理解为水流通过单位长途渗透途径为克服摩擦阻力所耗失的机械能。从另一个角度，也可以将水力梯度理解为驱动力，即克服摩擦阻力使水以一定速度流动的力量。既然机械能消耗于渗透途径上，因此求算水力梯度I时，水头差必须与相应的渗

38、透途径相对应。,4、渗透系数(K)从达西定律V=K/I可以看出，水力梯度I是无因次的，故渗透系数K的因次与渗透流速V相同，一般采用m/d或cm/s为单位。令I=1，则V=K。即渗透系数为水力梯度等于1时的渗透流速。水力梯度为定值时，渗透系数愈大，渗透流速就愈大；渗透流速为一定值时，渗透系数愈大，水力梯度愈小。由此可见，渗透系数可定量说明岩石的渗透性能。渗透系数愈大，岩石的透水能力愈强。,渗透系数(K):K=akr/kr_-渗透率m2-流体粘度 mPa.sa 常数,三、饱水粘性土中水的运动规律,不少研究者曾进行了饱水粘性土室内渗透试验，并得出了不同的结果Kufilek,1969；Miller e

39、t al.，1963；Olsen，1966。根据这些试验结果，粘性土渗透流速V与水力梯度I主要存在三种关系：,(1)V-I关系为通过原点的直线，服从达西定律；(2)V-I曲线不通过原点，水力梯度小于某一值I0时无渗透；大于I0时，起初为一向I轴凸出的曲线，然后转为直线；(3)V-I曲线通过原点，I小时曲线向I轴凸出，I大时为直线。,对于图4-9(c)的V-I曲线，可从直线部分引一切线交于I轴，截距L0称为起始水力梯度。V-I曲线的直线部分可用罗查的近似表达式表示Poza，1950：V=K(I-I0)结合水是一种非牛顿流体，是性质介于固体与液体之间的异常液体，外力必须克服其抗剪强度方能使其流动。,盖层的封闭性与结合水的运动？低渗透砂岩中的石油运移和成藏?,四、层间水运动的基本微分方程,