WO2017217565A1 - Method for calculating permeability of porous medium by means of tortuous hydraulic diameter - Google Patents
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
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- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/08—Investigating permeability, pore-volume, or surface area of porous materials
Definitions
- the technical idea of the present invention relates to a method for calculating permeability, and more particularly, to a method for calculating the permeability of a porous medium using a torsion hydraulic diameter.
- the hydraulic fracturing cracks are gradually closed with cracks or the support is recessed or broken down according to the change of the stress distribution of the strata as the production progresses, accompanied by a change in geometrical specifications such as porosity or gap. This is directly linked to the change in permeability of hydraulic fracturing cracks, the effect of which is known to be quite significant (Shin et al., 2012b).
- the hydraulic fracturing cracks are mainly distributed in the vicinity of the production wells and serve to transport a large amount of fluid under high pressure gradient.
- the flow through the initial crack of production exhibits the characteristics of turbulent flow, often referred to as the Non-Darcy effect, and gradually transitions to laminar flow as the yield decreases.
- the permeability of hydraulic fracturing cracks 1) more precise definitions of permeability characteristics and correlations should be identified, 2) applicable to both turbulent and laminar flow regimes, and 3) geometrical changes due to crack closure.
- the technical problem of the present invention is to provide a method for calculating the permeability of a porous medium using a torsional hydraulic diameter for laminar flow and turbulent flow in consideration of geometric and frictional loss characteristics.
- Method for calculating the permeability of the porous medium for achieving the above technical problem, providing a porosity of the porous medium; Calculating a hydraulic diameter of the porous medium; Providing a coefficient of friction of the porous medium; Calculating the degree of torsion of the porous medium; Calculating the torsional hydraulic diameter of the porous medium as a function of the degree of torsion using the hydraulic diameter and the degree of torsion; And calculating the permeability of the porous medium using the porosity, the torsional hydraulic diameter, the coefficient of friction, and the degree of torsion.
- the hydraulic diameter may have the following relationship with the torsion degree.
- D hT is the torsional hydraulic diameter
- D h is the hydraulic diameter without considering the degree of torsion
- T is the degree of torsion
- the hydraulic diameter may have the following relationship with the torsion degree.
- D hT is the torsional hydraulic diameter
- D h is the hydraulic diameter without considering the degree of torsion
- L is the straight length of the porous medium
- L e is the length of the internal void flow path
- S is the specific surface area
- ⁇ is the Porosity
- the coefficient of friction may be a function of the degree of torsion.
- the friction coefficient may have the following relationship with the torsion degree.
- f vT is the coefficient of friction for the flow rate v as a function of torsion
- f uT is the coefficient of friction for the flow rate u as a function of torsion
- f u is the coefficient of friction without considering the degree of torsion
- T is the degree of torsion
- D hT is the torsional hydraulic diameter
- ⁇ is the density
- ⁇ P / L e is the pressure gradient over the length of the internal void flow path
- v is the flow rate of the fluid through the internal void flow path
- u is the flow rate of the fluid
- ⁇ P / L is the Pressure gradient over straight length
- ⁇ is the porosity of the porous medium
- the friction coefficient may have the following relationship with the torsion degree.
- f uT is the coefficient of friction for the flow rate u as a function of the degree of torsion
- f u is the coefficient of friction without considering the degree of torsion
- L is the straight length of the porous medium
- L e is the length of the internal void flow path
- T Torsion degree
- D hT is the torsional hydraulic diameter
- ⁇ is the density
- ⁇ P / L is the pressure gradient with respect to the linear length of the porous medium
- v is the flow rate of the fluid through the internal void flow path
- u is the flow rate of the fluid
- ⁇ P / L is straight Pressure gradient over length
- ⁇ is the porosity of the porous medium
- the transmittance may be configured to include the coefficient of friction as a function of the torsion and the Reynolds number as a function of the torsion.
- the transmittance may have the following relationship.
- k GEPT is the geometrical permeability considering the degree of torsion
- v is the flow velocity of the fluid through the internal pore channel
- D hT is the torsional hydraulic diameter
- ⁇ is the porosity of the porous medium
- T is the degree of torsion
- f vT is the degree of torsion Coefficient of friction for flow rate v as a function of Re vT is Reynolds number for flow rate v as a function of torsion degree
- the transmittance may have the following relationship.
- k GEPT is the geometric equivalent transmission considering the degree of torsion
- u is the flow velocity of the fluid
- D hT is the torsional hydraulic diameter
- f uT is the function of the torsional friction coefficient for the flow rate u
- Re vT is a function of the torsional Reynolds commission for flow rate u
- the transmittance may comprise a Reynolds number that is a function of the torsion.
- the transmittance may include a Reynolds number having the following relationship with the torsion.
- Re vT is the Reynolds number for flow rate v as a function of torsion
- Re uT is the Reynolds number for flow rate u as a function of torsion
- Re u is the Reynolds number without considering torsion
- T is the degree of torsion
- ⁇ is the density
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- u is the flow rate of the fluid
- D hT is the torsional hydraulic diameter
- ⁇ is the viscosity of the fluid
- the transmittance may have the following relationship with the torsion.
- Re uT is the Reynolds number for the flow rate u as a function of the degree of torsion
- Re u is the Reynolds number without considering the degree of torsion
- T is the degree of torsion
- ⁇ is the density
- u is the flow rate of the fluid
- D hT is the torsion Hydraulic diameter
- ⁇ is the viscosity of the fluid
- the degree of torsion may take into account the length of the internal void flow path of the porous medium.
- the degree of twisting may have the following relationship.
- T is the degree of torsion
- L is the straight length of the porous medium
- L e is the length of the internal void flow path of the porous medium.
- the flow rate of the fluid in the porous medium can be expressed as a function of the torsional hydraulic diameter, the coefficient of friction as a function of the degree of torsion, and the Reynolds number as a function of the degree of torsion have.
- the flow rate of the fluid in the porous medium may have the following relationship.
- u is the flow rate of fluid
- ⁇ is the viscosity of the fluid
- D hT is the torsional hydraulic diameter
- ⁇ is the porosity of the porous medium
- T is the degree of torsion
- v is the flow rate of the fluid through the internal pore channel
- f vT is the torsional Coefficient of friction for flow rate v as a function of degrees
- Re vT is the Reynolds number for flow rate v as a function of torsion degree
- ⁇ P / L is the pressure gradient for the straight length
- the flow rate of the fluid in the porous medium may have the following relationship.
- u is the fluid velocity
- ⁇ is the viscosity of the fluid
- D hT is the torsional hydraulic diameter
- ⁇ is the porosity of the porous medium
- T is the degree of torsion
- u is the flow rate of the fluid
- f uT is the function of the degree of torsion the coefficient of friction for u
- Re uT is the Reynolds number for the flow rate u as a function of the degree of torsion
- ⁇ P / L is the pressure gradient for the straight length
- the transmittance may have the following relationship.
- k GEP is the geometric equivalent transmittance
- D hT is the torsion hydraulic diameter
- f uT is the coefficient of friction as a function of torsion
- Re uT is the Reynolds number as a function of torsion
- subscript "1" is the first model
- Subscript "2" is the second model
- the transmittance may have the following relationship.
- k GEP is the geometrical permeability
- D hT is the torsional hydraulic diameter
- f is the coefficient of friction
- Re uT is the Reynolds number as a function of torsion
- T is the degree of torsion
- ⁇ is the porosity of the porous medium
- subscript "1" is the first model
- subscript "2" is the second model
- the transmittance may have the following relationship.
- k GEP is the geometric equivalent transmittance
- D hT is the torsion hydraulic diameter
- subscript "1" is the first model and subscript "2" is the second model
- the porosity may have a value ranging from 40% to 60%.
- f uT Re uT may have a numerical value ranging from 156 to 171.
- the porosity, the hydraulic diameter, and the coefficient of friction are equivalent variables from the coefficient of friction derived for a straight cylindrical flow path to exhibit the geometric and frictional loss characteristics of the porous medium. Can be converted to
- the step of calculating the hydraulic diameter may be performed by using a cylindrical capillary tube that generates an equivalent frictional loss with respect to the frictional loss of the pores of the porous medium.
- the friction coefficient may be a Darcy friction coefficient.
- the permeability may be calculated by applying variables representing the geometric and friction loss characteristics of the porous medium, and the permeability may be calculated for not only laminar flow but also turbulent flow. Can be.
- the method of calculating permeability according to the technical concept of the present invention enables more reliable permeability analysis, and in particular, it is possible to properly consider geometric characteristics of each rock such as friction coefficient, hydraulic diameter, and torsion degree, thereby allowing porosity according to each rock phase. Permeability correlations can be presented as appropriate.
- the method of calculating the permeability of the porous medium according to the technical concept of the present invention can be applied more effectively in the analysis of the strata where the geometrical characteristics are distinguished from the general sandstone, such as dense sandstone, natural cracks, fracture cracks, and the like.
- the method for calculating the permeability of the porous medium according to the technical idea of the present invention can be applied to various porous media, for example, the porous medium is sandstone, silt, carbonate rock, cracked rock, porous biological tissue, porous mechanical components, or porous It may include an electronic component.
- FIG. 2 shows the pressure contours and streamlines of the three simple crack models at an average velocity of 0.0822 m / s from CFD simulation.
- 3 is a graph comparing permeability of CFD simulations, Kozeni-Carmen analysis, and GEP analysis.
- Rubinstein and Torquato (1989) used an ensemble-average formulation to derive a rigid energy representation of the permeability by deriving the Darcy law in the micro realm. Whitaker (1996) also found a volume averaged Navier-Stokes that can determine the permeability tensor of the Darcy's law and the correction tensor of the forkheimer. The relationship was derived. Mei and Auriault (1991) have considered rigid porous media as incompressible Newtonian fluids with constant density, suggesting that the inertial forces are local, although weak, rather than globally.
- Equation 3 is composed of six terms from the left side, the abnormal term on the left side, the pressure term on the convective and right side, the gravity term, the friction loss term, and the diffusion term. The last two terms on the right side are known as Darcy and Brinkmann, respectively.
- Equation 4 Equation 3 can be arranged in a form very similar to the Darcy relation, and through comparison with the Darcy relation, the basic mathematical definition of the transmittance is presented as Equation 5 (Bear, 1975; Burmeister, 1993; Kaviany, 1995).
- Equation 5 the development of Equation 5 has been presented in other previous studies and documents, including Brumeister (1993), and has been widely used for the theoretical review and expansion of permeability based on laminar flow (Bear, 1975; Kaviany, 1993). 1995; Jurgawczynski, 2007).
- Equation 5 introduces an incompressible laminar flow relation, known as Hagen-Poiseuille, for the wall shear stress analysis of Equation 2, and thus has a limitation in that it cannot be applied to turbulent flow.
- Equation 5 the transmittance is simply ⁇ A p , which is in the form of the product of the porosity and the cross-sectional area of the medium. This satisfies only a very simple quantitative relationship with respect to the porosity of the porous medium and cannot reflect the various geometric and rheological properties of the actual pores.
- Equation 5 can be applied only to a very simple form of laminar flow which can be completely approximated by a horizontal straight cylinder introduced during its development.
- porous pores composed of them are not only curvature or tortuosity, but also divergence and conjunction. Same very complex structural and geometrical characteristics.
- the geometrical properties of these porous media in addition to the flow resistance due to the turbulence effect of the transition of flow conditions, are a key factor in directly affecting the frictional losses of the fluid.
- the basic definition of permeability of Equation 5 is only meaningful in terms of presenting a physical concept of permeability based on an ideal flow model, and can be regarded as an ideal maximum permeability of the target porous medium.
- Kozeny (1927) quantified the hydraulic diameter of a porous medium defined as a function of porosity and specific surface area in order to quantitatively consider the flow loss due to the geometrical characteristics of the porous medium. 6 is presented.
- Kozeny (1927) presented a specific surface area as a function of particle shape coefficient and average diameter, assuming a particle of a porous medium as a sphere, as shown in Equation 7 below.
- Kozeny (1927) suggested '6 as the effective particle shape factor (C s ) for spherical particles of the same size in the process of deriving this equation, but this is a recent experimental study on actual sandstones.
- Equation 8 the relation of the final hydraulic diameter expressed by introducing the relation of Equation 7 into Equation 6 and the transmittance relation of Cogeny applied to Equation 5 can be summarized as in Equation 8.
- Equation 11 Combining the derivation process of Equation 11, it can be seen that the cozeni-carmen relation is defined by combining the concept of hydraulic diameter and torsion of Kozeni with the basic definition of permeability of Equation 5 derived from the laminar flow theory. have.
- the Cozeni-Carmen relation was used as the theoretical basis of many previous studies, and is more widely known in the form of Equation 13 (Carman, 1937; Bear, 1975; Carrier, 2003).
- Hitchcock Based on Hitchcock's home Is substituted into Equation 11 (Carman, 1937).
- the degree of torsion is more appropriately expressed as a function of porosity, so a method of estimating torsion based on porosity may be more useful (Bear, 1975).
- the measurement of specific surface area required for derivation of the porous hydraulic diameter also includes the statistical method proposed by Chalkett et al.
- the cozeni-carmen relationship is one of the most widely used permeability relations and is the theoretical basis of many subsequent studies. Nevertheless, the Cogeny-Carmen relation still has limitations in reflecting the various geometrical characteristics of the actual porous media.
- the Cozeni-Carmen equation expresses the characteristics of porous flows only as a function of the receiving diameter, torsion and porosity, and only these variables affect the flow loss such as roughness, arrangement, size distribution, anisotropy and heterogeneity of the actual porous particles. This is because it is impossible to consider all geometric properties. For example, suppose that two media with irregular, varying shape, porous media with various particle size distributions, and relatively simple and homogeneous particle distributions have the same specific surface area and porosity.
- the Cozeni-Carmen relation will exclude the particle surface roughness or structural features of the two media and will calculate the same hydraulic diameter and torsion based on the same specific surface area and porosity, resulting in the same permeability values. Of course, this is not appropriate, and ultimately, the permeability should be expressed in a form that allows for proper consideration of porosity, torsion, hydraulic diameter, and various geometrical characteristics that affect the flow loss of each medium.
- the Cogeny-Carmen relation assumes that the porous flow is a laminar flow model through a capillary bundle with an equivalent hydraulic diameter and torsion.
- the porosity, the average particle diameter, and the shape coefficient were introduced into the hydraulic diameter definition to reflect the geometric characteristics of the voids.
- Table 1 shows equivalent flow models for each material used in the previous studies and the present invention.
- Equation 5 the basic definition of permeability of Equation 5 (Burmeister, 1993). That is, as shown in B of Table 1, a porous medium composed of solid particles having various sizes, shapes and structures is equivalently represented as a straight cylindrical capillary tube having an equivalent pore diameter, D p , most simply set to have the same pore volume. Can be.
- the basic definition of permeability of Equation 5 is derived based on this simplest and ideal flow model, and as a result, the maximum value of permeability for the corresponding porosity is calculated.
- Equation 14 is substituted into Equation 2, which is a momentum equation of porous flow, and both sides are divided by A p , and Equation 2 can be summarized as Equation 15 below.
- Equation 17 can be seen to have the same form as the Darcy-Weissbacher equation representing the loss relation of the general pipe flow, and accordingly Equation 17 can be thought of as a representation of the porous flow of the Darcy-Weissbacher equation have.
- the pore channel diameter (D p ), flow velocity (v), and pressure gradient (dP / dx) of Equation 17 are as shown on the right side of Equation 17 for the models (D) and (E) of Table 1 below.
- Cogeni's hydraulic diameter and torsion may be replaced by modified pressure gradients and flow rates of Cogeni and Carmen, depending on consideration.
- Equation 18 defines the Friction Factor of Porous Flow (f) of the porous flow.
- Equation 18 is a relation that can express the loss characteristics of various media based on the friction coefficient calculated based on the physical quantity of the porous flow which can be measured by the general method. This is a way to overcome the limitations of the application or the limitation of reliability, as the existing theories are expressed on the basis of constant coefficients, difficult to measure, or expressed on the basis of low physical reliability.
- Equation 18 the friction coefficient definition of the porous flow based on the (E-III) model of Table 1 was derived as shown in Equation 18.
- the coefficient of friction derived must have the same rheological correlation as the original porous medium, that is, (CI) of Table 1. Therefore, if the friction coefficient for the Darcy relation and the (E-III) model, which are general relations representing the (CI) flow in Table 1, are combined as in Equation 19 for the same pressure gradient condition, Equation 20 is derived. can do. If this is again summarized as a function of the friction coefficient f and the Reynolds number Re, it can be summarized in the form of Equation 21 below.
- Equation 21 (b) is a relational expression expressed on the basis of the relationship between the friction coefficient f and the Reynolds number (Re ue ) in terms of equivalent void flow paths presented in the model (E-III) of Table 1. Needs to be.
- Equation 21 is a permeability relationship newly derived through the introduction of the Darcy friction coefficient so that it can be applied irrespective of various geometrical characteristics and flow ranges of the porous medium. It is named as GEP (Geometry Equivalent Permeability) relation.
- Equation 21 (b) expressed by the relationship between the friction coefficient f and the Reynolds number Re v in terms of the equivalent void flow path based on the Cozeni-Carmen flow model Model D is used as the basic relational expression.
- Equation (22) can be obtained by incorporating Hizecock's assumption of the hydraulic diameter definition and Carmen's introduction of the torsion degree in the same manner as the cogene-Carmen relation derivation process of Equation (13).
- Equation 23 can be confirmed that the Cogeny-Carmen relation is the same as Equation 13, which is an expression for the case that is applied to the laminar flow of the porous medium consisting of spherical particles of the same size.
- each of the flow paths having the same shape is maintained at the same constant value without change even in the laminar flow region as well as when the flow path size changes, so that the flow rate changes only in accordance with the difference in hydraulic diameter.
- the f u Re u relation of any particular porous flow should have the same constant value regardless of the size change of the porous flow path (hydraulic diameter) in the laminar flow region, and a partial change in geometric characteristics such as porosity.
- the same kind of media should be maintained at similar values for.
- looking at the friction coefficient definitions presented in Equations (17) and (18) it can be concluded that the friction coefficient relationship based on Cogeni's hydraulic diameter definition is difficult to satisfy. This is because the definition of the hydraulic diameter constituting Equation 18 does not strictly correlate with the porosity and the degree of torsion and thus cannot satisfy this relationship.
- Equation 18 introduces Cogeni's hydraulic diameter definition, pressure gradient relationship, and Carmen's torsion degree to the friction coefficient relationship of the porous flow derived from Equation 16. It is the result derived from applying the modified flow rate relationship.
- Cogeni first defined the hydraulic diameter of the porous medium and newly proposed the concept of the torsion degree to modify the pressure gradient term.
- the increase in torsion means the increase in the length of the equivalent pore channel, and the porosity of the target medium cannot be changed.
- the degree of torsion of the porous medium should be correlated not only with the flow velocity and pressure gradient, but also with the hydraulic diameter as suggested by Cogeny and Carmen.
- the hydraulic diameter D hT in consideration of the degree of torsion of the porous medium may be represented by Equation 24 from the basic correlation between the porosity and the degree of torsion and the hydraulic diameter.
- the equation (25) is a newly defined in consideration of the twist of the porous medium is also the hydraulic diameter, was named the "twist hydraulic diameter (D hT, Tortuous Hydraulic Diameter), in order to distinguish it from general hydraulic diameter.
- the co-Zeni hydraulic diameter such as Equation 6, Equation 7, and Equation 8, modified
- Equation 17 regarding the friction coefficient definition should be modified again based on the relationship of Equation 25.
- the final definition of the Friction Factor of Porous Flow (f), which is the definition of the friction coefficient from the rheological point of view of the porous medium, can be derived as shown in Equation 26.
- the apparent friction coefficient may be defined based on the average flow velocity (u) of the medium and the pressure drop per linear length (P / L) of the medium in the macroscopic view of the porous medium (the apparent flow rate through the medium).
- Equation 28 which is the Weisbach friction flow relation (Darcy-Weisbach relation) can be derived.
- Equation 27 representing the final geometric equivalent transmission relation can be obtained by correlating Equation 27 with the Darcy-Weisbach relation in the same manner as in the derivation of Equation 20.
- Equation 28 (b) has the same form as the Darcy frictional flow relation in general pipe flow.
- the Darcy friction coefficient-Reynolds number relationship presented in the form of f uT Re uT has a unique constant value for pipes or media having the same geometrical properties.
- Equation 28 derived from this study is a generalized frictional flow equation that can be extended to porous flows, and the flow loss characteristics of any porous medium or pipe can be specified by the unique f uT Re uT value and D hT . have. This is meaningful in that it additionally presents the characteristic variables that govern the porous flow characteristics such as permeability and strictly suggests each definition and correlation.
- Equation 28 and Equation 29 are based on the 'f uT Re uT ' relationship, which can express the flow loss characteristics of the target medium regardless of the flow size as well as the size of the flow path.
- Figure 1 shows three analytical models assuming a simple crack filled with spherical particles in a shale structure.
- (a) is a 50% void model
- (b) is a 40% void model
- (c) is a 60% void model.
- FIG. 2 shows the pressure contours and streamlines of the three simple crack models at an average velocity of 0.0822 m / s from CFD simulation.
- (a) is a 50% void model
- (b) is a 40% void model
- (c) is a 60% void model.
- the particle arrangement, distribution, and size were set to be kept as similar as possible in order to examine only the effect of the porosity change and the flow zone transition in the same type of media (rock phase, fracture crack).
- a porous medium having a porosity of 50% filled with spherical particles having the same diameter between two parallel plates is used as a reference crack model (a), and a crack model having a porosity of 40% filled with three large and small spherical particles ( b) and spherical particles of the same size as model (a) were coarsely filled into three models of crack model (c) having a porosity of 60%.
- the dimensions of the two parallel plates are equal in width and length in the length of 1 mm (L) x 1 mm (W), and the upper and lower plates are vertically 0.1 mm (H) in all three models.
- the size and quantity of spherical particles filled in the plate were set differently to satisfy the porosity condition of each model.
- the model (a) is a reference model assuming that there are 100 0.098 mm single diameter beads and 50% porosity.
- model (b) 0.098 mm diameter is 100, 0.048 mm is 162 and 0.014 mm 324 pieces, a 40% porosity model using a total of three beads, model (c) was set to a model with a porosity of 60% using 81 0.098 mm single diameter beads, the same as the reference model.
- the target fluid was assumed to be gaseous pure methane, considering that this study focuses on the shale gas reservoir, the density was set to 0.6679 kg / s and the viscosity to 0.00001087 kg / ms.
- CFD modeling and analysis is based on steady-state analysis based on Ansys-Fluent commercial CFD simulation software, and the DNS (Direct Numerical Simulation) method is introduced because the size of the analysis grid is very small at micrometer level. .
- the DNS Direct Numerical Simulation
- FIG. 2 is a CFD analysis result of each model in the case of a flow condition having an average flow rate of 0.0822 m / s, and shows pressures, streamlines, and flow rate distributions to help understand the flow patterns of the models.
- Table 2 shows the CFD simulation and GEP analysis results of the reference model (a) having a porosity of 50%.
- model (a) In order to consider the analysis results for the hydraulic fracturing crack model and to examine the application of geometric equivalent permeability, the analysis results of the model (a) with a porosity of 50%, which is the reference model of the present study, will be reviewed first.
- the major CFD analysis results for model (a) are presented in the left part of Table 2, and the geometric equivalent permeability analysis results are presented in the right part of the table.
- the pressure drop of each of the five mass flows in the medium was derived first. Based on this, the permeability of each analysis case was calculated using the differential equation.
- Equation 28 another essential factor required for the calculation of permeability based on the geometrical permeability relationship is the torsional hydraulic diameter D hT of the target medium.
- the torsional hydraulic diameter is a combination of the torsion degree and the hydraulic diameter definition of the basic porous media defined by Cogeni, and can be derived by using the relational formula for calculating the general hydraulic diameter.
- the definition of the hydraulic diameter of the basic porous medium is shown in Equation 6, and the definition of this as a spherical particle has been presented in Equation 8.
- Table 3 shows the geometric parameters including the torsional hydraulic diameter for each model.
- T ⁇
- the Reynolds number, Re uT for each analysis case of each model can be calculated.
- the coefficient of friction, f uT of model (a) with a porosity of 50%, which is the reference model of this analysis, can be derived from Equation 26. have.
- the f uT Re uT and f u Re u analysis results for each analysis condition of the model (a) are presented in the right part of Table 2, and the transmittances are based on the calculated f uT Re uT and f u Re u , respectively.
- Equation 29 and Equation 21 can be recalculated. It is natural here that the recalculated permeability has the same result as the CFD analysis, and is presented only to verify the calculations performed and to confirm the correlation between each characteristic variable. Rather, it should be noted here that the calculated f uT Re uT and f u Re u values remain at their respective constants substantially constant in the laminar flow region (Re uT ⁇ 1) of the porous flow. Conversely, this assumes that the critical Reynolds number of the crack model (a) is approximately in the range of Re uT ⁇ 1 , which can be seen to be in the range similar to the critical Reynolds number of porous flows presented in several previous studies (Rose). , 1945; Bear, 1975; Nield & Bejan, 1992).
- models (b) and (c) are models that simulate the case where the shape and arrangement of the particles (a) and particles are almost similar, but the porosity is different.
- Model (b) adds two small spherical particles inside to reduce porosity, and model (c) has the same size as model (a) but reduces the number of beads to achieve an increase in porosity.
- the actual distribution of the support of the hydraulic fracturing cracks or the particle distribution of the general porous medium will be much more structurally complex than the models. However, due to this complexity, the same kind of actual media (stratum, fracture cracks) will have a higher similarity in pore structure such as particle size, shape, arrangement, etc. It is not extreme that this approach is considered to be valid enough for the actual medium.
- Table 4 shows the results of CFD simulation and GEP analysis of the reference model (b) with a porosity of 40%.
- Table 5 shows CFD simulation and GEP analysis results of the reference model (c) with a porosity of 60%.
- Table 4 summarizes the CFD analysis and the geometric equivalent transmittance analysis results for the model (b) with 40% porosity
- Table 5 summarizes the analysis results for the model (c) with 60% porosity.
- the left part of Table 4 and Table 5 summarizes the CFD analysis results for each flow condition of the two models, and the right part is the torsion hydraulic diameter and coefficient of friction for each analysis case through the same process as the model (a). -The Reynolds number relationship is calculated and presented.
- the results of calculating the permeability for the flow conditions of each model to which the geometric equivalent permeability relation equation presented by Equation 29 is applied are shown on the right side of each table.
- the f uT Re uT relationship representing the flow loss of each analytical model for the laminar flow region is 165 in model (a), model (b) is 169, model (c) is 157, and 10 to 20% between each model. It can be seen that, despite the significant porosity change of the level, it remains almost constant. At this time, the transmission rate calculated based on the GEP relational expression is a little subtle differences in 2-3% levels based on the geometry of the difference is the indicated or, derived f uT Re uT relationship among the similar model, according to the porosity difference similar model Sufficient results were confirmed to confirm that they remained similar.
- f u Re u which is the relationship between the friction coefficient of the porous flow and the Reynolds number, varies greatly by about 30% from 203 to 268 in the laminar flow region. This is due to the fact that the initial definition of the geometric equivalent transmittance presented by Equation 21 is based on the Cozeni hydraulic diameter, which does not strictly satisfy the relation between the torsion and the hydraulic diameter for the porosity.
- this study successfully derived geometric permeability relations and related characteristic variable definitions and relations based on the f uT Re uT relationship in order to extend and apply the f Re-based flow analysis technique to the general flow analysis.
- Equation 31 can be obtained by concatenating the geometric equivalent transmittance relations for the two conditions based on Equation 29. .
- Equation 31 assumes that the model (a), which is the reference model of the present study, is the case of condition 1, and the model (b), which is the analysis target, is the case of condition 2, and Equation 31 is based on the model (a).
- Equation 31 can be finally summarized as Equation 32 since the f uT Re uT relationship must remain the same (similar) for the same (similar) medium.
- 3 is a graph comparing permeability of CFD simulations, Kozeni-Carmen analysis, and GEP analysis.
- FIG. 3 is a graph of CFD analysis results (k), geometric equivalent transmittance analysis (GEP), and Coseny-Carmen relations of Equation 13 for all analysis models and flow conditions performed in this review. It is presented.
- a solid line indicates a CFD analysis
- a thick dotted line indicates a geometric equivalent transmittance analysis result
- a thin dotted line indicates a Cozeni-Carmen relation analysis result.
- Model (a) with 50% porosity is a reference model, so the geometric equivalent transmittance (k GEP ) analysis for model (b) with CFD and GEP analysis showing the same permeability values and the porosity reduced to 40%.
- the error level was about 2% in the laminar flow region and 14% in the whole region including the turbulent region.
- model (c) which has a porosity of 60% and an increase of about 10% compared to the reference model
- the error was about 5% in the laminar flow region and up to 22% in the turbulent flow region.
- the geometric equivalent transmittance relation yields a very good analysis result in the laminar flow region, but the error is somewhat increased in the turbulent region.
- the pressure gradient in the flow zone that produces the maximum error is the result of analysis at unrealistically high pressure conditions of about 650 bar and 1300 bar per unit length (1m), respectively.
- the CFD analysis for each model with varying porosity showed good agreement with the analysis results of the geometric equivalent permeability relationship that defined the correlation with the torsion hydraulic diameter based on the f uT Re uT relationship.
- the new torsional hydraulic diameter and the friction coefficient definition of the porous media can be used to properly express the porous flow characteristics, and the geometric equivalent permeability relations based on this method can be used in the case of changing geometric characteristics such as porosity or flow conditions. To show that it can.
- the permeability of the hydraulic fracturing cracks in the shale reservoir is very important in terms of the productivity analysis of the photosphere.
- Hydraulic fracturing cracks have a large geometric specification, and because of the high pressure gradient, the flow rate through the fracturing cracks is also relatively high.
- the permeability changes continuously as the geometrical conditions of the crack change due to the change of the strata stress during the production period. Therefore, it is very urgent to derive a new method of calculating the permeability to consider the non-dachy effect of the geometrical change of the hydraulic fracturing crack and the high pressure gradient around the production well.
- a new definition of the friction coefficient and hydraulic diameter of porous media was derived based on the previous studies of Cogeni and Carmen.
- the porosity, the hydraulic diameter, and the coefficient of friction can be converted into equivalent variables from the coefficient of friction derived for a straight cylindrical flow path to exhibit the geometrical and frictional loss characteristics of the porous medium.
- the calculating of the hydraulic diameter may be performed by using a cylindrical capillary tube generating friction loss equivalent to the friction loss of the pores of the porous medium.
- the friction coefficient may be a Darcy friction coefficient.
- the porous medium may include materials having various porosities, and may include, for example, sandstone, silt, carbonate rock, cracked rock, porous biological tissue, porous mechanical components, or porous electronic components.
- the method of calculating the permeability of the porous medium according to the technical idea of the present invention can be implemented as follows.
- Method for calculating the permeability of the porous medium providing a porosity of the pores of the porous medium; Calculating the hydraulic diameter of the pores of the porous medium; Providing a coefficient of friction of the porous medium; Calculating the degree of torsion of the porous medium; Calculating a torsion hydraulic diameter which is a function of the torsion degree using the hydraulic diameter and the torsion degree; And calculating the permeability of the porous medium using the porosity, the torsional hydraulic diameter, the coefficient of friction, and the degree of torsion.
- Computer-readable storage media includes all types of storage devices on which data readable by a computer system is stored. Examples of computer-readable storage media include ROM, RAM, CD-ROM, DVD, magnetic tape, floppy disks, optical data storage, flash memory, and the like, and also in the form of carrier waves (for example, transmission over the Internet). It also includes implementations.
- the computer readable storage medium can also be distributed over network coupled computer systems so that the computer readable code is stored and executed in a distributed fashion.
- the program or code stored in the storage medium means that a computer or the like is expressed as a series of instruction commands used directly or indirectly in an apparatus having an information processing capability to obtain a specific result.
- the term computer is used to mean all devices having an information processing capability for performing a specific function by a program including a memory, an input / output device, and an arithmetic device, despite the name actually used.
- the storage medium comprises the steps of providing a porosity of the pores of the porous medium; Calculating the hydraulic diameter of the pores of the porous medium; Providing a coefficient of friction of the porous medium; Calculating the degree of torsion of the porous medium; Calculating a torsion hydraulic diameter which is a function of the torsion degree using the hydraulic diameter and the torsion degree; And calculating the permeability of the porous medium using the porosity, the torsional hydraulic diameter, the friction coefficient, and the degree of torsion, when performing the method of calculating the permeability of the porous medium in a computer.
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Abstract
The present invention provides a method for calculating the permeability of a porous medium with respect to a laminar flow and a turbulent flow, in view of geometric characteristics and friction loss characteristics. A method for calculating the permeability of a porous medium, according to an embodiment of the present invention, comprises the steps of: providing the porosity of pores of a porous medium; calculating the hydraulic diameter of the pores of the porous medium; providing the friction coefficient of the porous medium; calculating the tortuosity of the porous medium; calculating the tortuous hydraulic diameter, which is a function of the tortuosity, by means of the hydraulic diameter and the tortuosity; and calculating the permeability of the porous medium by means of the porosity, the tortuous hydraulic diameter, the friction coefficient and the tortuosity.
Description
본 발명의 기술적 사상은 투과도 산출방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 비틀림 수력직경을 이용한 다공성 매질의 투과도 산출방법에 관한 것이다.The technical idea of the present invention relates to a method for calculating permeability, and more particularly, to a method for calculating the permeability of a porous medium using a torsion hydraulic diameter.
다공성 매질의 투과도 산정은 석유가스 개발 분야는 물론, 원자력, 생체역학, 토목 등 다양한 학문 분야에서 오랜 기간 주요한 연구주제였다. 그럼에도 불구하고, 다양한 종류의 암석이나 균열, 생체 세포 등 각 매질의 기하학적 특성을 적절히 고려할 수 있고, 층류는 물론 난류를 포함한 모든 유동영역에 적용될 수 있는 일반화된 투과도 산정 방법은 확립되어 있지 못하다(Sahimi, 2011).Estimation of permeability of porous media has been a major research topic for a long time in the fields of oil and gas development, as well as various academic fields such as nuclear power, biomechanics and civil engineering. Nevertheless, the geometric characteristics of each medium such as various types of rocks, cracks, and living cells can be properly taken into account, and no generalized permeability estimation method has been established that can be applied to all flow regions including laminar and turbulent flows (Sahimi). , 2011).
최근, 셰일가스를 필두로 치밀가스(Tight Gas), 석탄층메탄가스(CBM, Coal Bed Methane) 등과 같은 비전통자원(unconventional resources)의 개발이 활발하여 해당 산업은 물론 유관산업에 큰 영향을 미치고 있다. 대표적인 비전통저류층인 셰일저류층은 치밀한 셰일 암석과 자연균열 및 지지체를 복합한 수압파쇄 균열 등이 혼합되어 있어, 이를 일반적인 다공질유동 이론으로 해석하는 것에는 한계가 있다(Cipolla et al., 2010). 그러므로, 지지체(propant)가 복합된 수압파쇄 균열을 비롯한 다양한 매질의 기하학적 특성을 고려할 수 있고, 유동영역에 상관없이 적용될 수 있는 투과도 해석방법 도출이 절실하다(Shin et al., 2012a).Recently, the development of unconventional resources such as tight gas and coal bed methane (CBM), including shale gas, has been greatly affecting the relevant industries as well as related industries. The typical non-traditional storage layer, the shale reservoir layer, is a mixture of dense shale rocks, hydrocracking cracks combined with natural cracks and supports, and thus there is a limit to interpreting it as a general porous flow theory (Cipolla et al., 2010). Therefore, it is possible to consider the geometrical characteristics of various media, including hydraulic fracturing cracks in which props are complex, and derivation of permeability analysis methods that can be applied regardless of the flow area is necessary (Shin et al., 2012a).
다공질 유동의 유동학적 관계는 일반적으로 다르시(Darcy) 관계식이나 포크헤이머(Forchheimer) 관계식 등으로 대표되고 있다. 그러나 이들 관계식은 유량과 투과도의 단순한 비례관계를 제시할 뿐, 투과도를 지배하는 특성변수나 그들의 상관관계를 제시하고 있지는 못하다. 이에 따라, 투과도는 실험을 통해 직접 측정되거나, 공극률 등과의 대비를 통해 근사적으로 추정되는 것이 일반적이다. 결과적으로, 이는 대상 저류층의 다양한 종류의 암석에 대한 수많은 실험의 수행을 요구하게 되어, 현실적으로 상당한 비용과 시간소비를 요구하게 된다. 특히, 지지체가 복합된 수압파쇄 균열의 경우는 지지체 분포특성의 규명과 실험모델의 구현 및 투과도 실험 모두가 매우 어렵고 까다로운 작업이다. 아울러, 특정 공극률과 지지체 분포 및 유동조건에 대한 실험이 수행된 경우에도, 다른 기하학적 조건이나 유동조건에 대한 또 다른 실험의 수행이 요구되는 것이 현실이다. 나아가, 수압파쇄 균열은 생산의 경과에 따른 지층의 응력분포 변화에 따라 점차적으로 균열이 닫히거나 지지체가 함몰 또는 파쇄되어 공극률이나 간극과 같은 기하학적 제원의 변화가 동반된다. 이는 수압파쇄 균열의 투과도 변화로 직접 연계되며, 그 영향이 상당히 중대한 것으로 알려져 있다(Shin et al., 2012b). 이와 더불어, 수압파쇄 균열은 주로 생산정의 인근에 분포하여 높은 압력구배를 받고 대량의 유체를 수송하는 역할을 하게 된다. 이에 따라, 생산초기 균열을 통과하는 유동은 흔히 비-다르시(Non-Darcy) 효과로 불리는 난류유동의 특성을 보이고, 생산량의 감소에 따라 점차적으로 층류유동으로 천이되게 된다. 결과적으로, 수압파쇄 균열의 투과도 산정을 위해서는 1) 보다 엄밀한 투과도 특성변수 정의와 상관관계가 규명되어야 하며, 2) 난류와 층류 유동영역 모두에 적용할 수 있고, 3) 균열 닫힘에 따른 기하학적 변화에 동반된 투과도 변화를 고려할 수 있는 새로운 투과도 관계식의 도출이 절실히 요구된다.The rheological relationships of porous flows are generally represented by the Darcy or Forchheimer equations. However, these relations only suggest a simple proportional relationship between flow rate and permeability, but do not suggest characteristic variables or their correlations that govern permeability. Accordingly, the transmittance is generally measured directly through an experiment, or is generally estimated by contrast with porosity. As a result, this requires the execution of numerous experiments on various types of rock in the target reservoir, which in reality requires considerable cost and time consumption. In particular, in the case of the hydraulic fracturing cracks in which the support is combined, it is very difficult and difficult to identify both the support distribution characteristics, the implementation of the experimental model, and the permeability experiment. In addition, even when experiments are performed on specific porosity, support distribution, and flow conditions, it is a reality to perform another experiment on other geometric or flow conditions. Further, the hydraulic fracturing cracks are gradually closed with cracks or the support is recessed or broken down according to the change of the stress distribution of the strata as the production progresses, accompanied by a change in geometrical specifications such as porosity or gap. This is directly linked to the change in permeability of hydraulic fracturing cracks, the effect of which is known to be quite significant (Shin et al., 2012b). In addition, the hydraulic fracturing cracks are mainly distributed in the vicinity of the production wells and serve to transport a large amount of fluid under high pressure gradient. Accordingly, the flow through the initial crack of production exhibits the characteristics of turbulent flow, often referred to as the Non-Darcy effect, and gradually transitions to laminar flow as the yield decreases. As a result, in order to calculate the permeability of hydraulic fracturing cracks, 1) more precise definitions of permeability characteristics and correlations should be identified, 2) applicable to both turbulent and laminar flow regimes, and 3) geometrical changes due to crack closure. There is an urgent need for derivation of a new permeability relationship to account for the accompanying permeability changes.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 기하학적 특성 및 마찰손실특성을 고려하여 층류 유동 및 난류 유동에 대한 비틀림 수력직경을 이용한 다공성 매질의 투과도 산출방법을 제공하는 것이다.The technical problem of the present invention is to provide a method for calculating the permeability of a porous medium using a torsional hydraulic diameter for laminar flow and turbulent flow in consideration of geometric and frictional loss characteristics.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.However, these problems are exemplary, and the technical idea of the present invention is not limited thereto.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 다공성 매질의 투과도 산출방법은, 다공성 매질의 공극률을 제공하는 단계; 상기 다공성 매질의 수력 직경을 산출하는 단계; 상기 다공성 매질의 마찰계수를 제공하는 단계; 상기 다공성 매질의 비틀림도를 산출하는 단계; 상기 수력 직경과 상기 비틀림도를 이용하여 비틀림도의 함수인 상기 다공성 매질의 비틀림 수력 직경을 산출하는 단계; 및 상기 공극률, 상기 비틀림 수력 직경, 상기 마찰계수, 및 상기 비틀림도를 이용하여 상기 다공성 매질의 투과도를 산출하는 단계;를 포함한다.Method for calculating the permeability of the porous medium according to the technical idea of the present invention for achieving the above technical problem, providing a porosity of the porous medium; Calculating a hydraulic diameter of the porous medium; Providing a coefficient of friction of the porous medium; Calculating the degree of torsion of the porous medium; Calculating the torsional hydraulic diameter of the porous medium as a function of the degree of torsion using the hydraulic diameter and the degree of torsion; And calculating the permeability of the porous medium using the porosity, the torsional hydraulic diameter, the coefficient of friction, and the degree of torsion.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 수력 직경은 상기 비틀림도와 하기의 관계를 가질 수 있다.In some embodiments of the present invention, the hydraulic diameter may have the following relationship with the torsion degree.
(여기에서, DhT는 비틀림 수력 직경, Dh는 비틀림도를 고려하지 않은 수력 직경, T는 비틀림도임)Where D hT is the torsional hydraulic diameter, D h is the hydraulic diameter without considering the degree of torsion, and T is the degree of torsion
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 수력 직경은 상기 비틀림도와 하기의 관계를 가질 수 있다.In some embodiments of the present invention, the hydraulic diameter may have the following relationship with the torsion degree.
(여기에서, DhT는 비틀림 수력 직경, Dh는 비틀림도를 고려하지 않은 수력 직경, L은 다공성 매질의 직선길이, Le는 내부 공극유로의 길이, S는 비표면적, Φ는 다공성 매질의 공극률임)Where D hT is the torsional hydraulic diameter, D h is the hydraulic diameter without considering the degree of torsion, L is the straight length of the porous medium, L e is the length of the internal void flow path, S is the specific surface area, and Φ is the Porosity)
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 마찰계수는 상기 비틀림도의 함수일 수 있다.In some embodiments of the present invention, the coefficient of friction may be a function of the degree of torsion.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 마찰계수는 상기 비틀림도와 하기의 관계를 가질 수 있다.In some embodiments of the present invention, the friction coefficient may have the following relationship with the torsion degree.
(여기에서, fvT는 비틀림도의 함수로서 유속 v에 대한 마찰계수, fuT는 비틀림도의 함수로서 유속 u에 대한 마찰계수, fu는 비틀림도를 고려하지 않은 마찰계수, T는 비틀림도, DhT는 비틀림 수력 직경, ρ는 밀도, ΔP/Le은 내부 공극유로 길이에 대한 압력구배, v는 내부 공극 유로를 통한 유체의 유속, u는 유체의 유속, ΔP/L은 다공성 매질의 직선 길이에 대한 압력구배, Φ는 다공성 매질의 공극률임)Where f vT is the coefficient of friction for the flow rate v as a function of torsion, f uT is the coefficient of friction for the flow rate u as a function of torsion, f u is the coefficient of friction without considering the degree of torsion, and T is the degree of torsion , D hT is the torsional hydraulic diameter, ρ is the density, ΔP / L e is the pressure gradient over the length of the internal void flow path, v is the flow rate of the fluid through the internal void flow path, u is the flow rate of the fluid, ΔP / L is the Pressure gradient over straight length, Φ is the porosity of the porous medium)
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 마찰계수는 상기 비틀림도와 하기의 관계를 가질 수 있다.In some embodiments of the present invention, the friction coefficient may have the following relationship with the torsion degree.
(여기에서, fuT는 비틀림도의 함수로서 유속 u에 대한 마찰계수, fu는 비틀림도를 고려하지 않은 마찰계수, L은 다공성 매질의 직선길이, Le는 내부 공극유로의 길이, T는 비틀림도, DhT는 비틀림 수력 직경, ρ는 밀도, ΔP/L은 다공성 매질의 직선길이에 대한 압력구배, v는 내부 공극 유로를 통한 유체의 유속, u는 유체의 유속, ΔP/L은 직선 길이에 대한 압력구배, Φ는 다공성 매질의 공극률임)Where f uT is the coefficient of friction for the flow rate u as a function of the degree of torsion, f u is the coefficient of friction without considering the degree of torsion, L is the straight length of the porous medium, L e is the length of the internal void flow path, and T is Torsion degree, D hT is the torsional hydraulic diameter, ρ is the density, ΔP / L is the pressure gradient with respect to the linear length of the porous medium, v is the flow rate of the fluid through the internal void flow path, u is the flow rate of the fluid, ΔP / L is straight Pressure gradient over length, Φ is the porosity of the porous medium)
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 투과도는 상기 비틀림도의 함수인 상기 마찰계수와 상기 비틀림도의 함수인 레이놀즈 수를 포함하여 구성될 수 있다.In some embodiments of the present invention, the transmittance may be configured to include the coefficient of friction as a function of the torsion and the Reynolds number as a function of the torsion.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 투과도는 하기의 관계를 가질 수 있다.In some embodiments of the present invention, the transmittance may have the following relationship.
(여기에서, kGEPT 는 비틀림도를 고려한 기하등가투과도, v는 내부 공극 유로를 통한 유체의 유속, DhT는 비틀림 수력 직경, Φ는 다공성 매질의 공극률, T는 비틀림도, fvT는 비틀림도의 함수로서 유속 v에 대한 마찰계수, RevT는 비틀림도의 함수로서 유속 v에 대한 레이놀즈 수임)Where k GEPT is the geometrical permeability considering the degree of torsion, v is the flow velocity of the fluid through the internal pore channel, D hT is the torsional hydraulic diameter, Φ is the porosity of the porous medium, T is the degree of torsion, and f vT is the degree of torsion Coefficient of friction for flow rate v as a function of Re vT is Reynolds number for flow rate v as a function of torsion degree)
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 투과도는 하기의 관계를 가질 수 있다.In some embodiments of the present invention, the transmittance may have the following relationship.
(여기에서, kGEPT 는 비틀림도를 고려한 기하등가투과도, u는 유체의 유속, DhT는 비틀림 수력 직경, fuT는 비틀림도의 함수로서 유속 u에 대한 마찰계수, RevT는 비틀림도의 함수로서 유속 u에 대한 레이놀즈 수임)Where k GEPT is the geometric equivalent transmission considering the degree of torsion, u is the flow velocity of the fluid, D hT is the torsional hydraulic diameter, f uT is the function of the torsional friction coefficient for the flow rate u, and Re vT is a function of the torsional Reynolds commission for flow rate u)
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 투과도는 상기 비틀림도의 함수인 레이놀즈 수를 포함할 수 있다.In some embodiments of the invention, the transmittance may comprise a Reynolds number that is a function of the torsion.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 투과도는 상기 비틀림도와 하기의 관계를 가지는 레이놀즈 수를 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the transmittance may include a Reynolds number having the following relationship with the torsion.
(여기에서, RevT는 비틀림도의 함수로서 유속 v에 대한 레이놀즈 수, ReuT는 비틀림도의 함수로서 유속 u에 대한 레이놀즈 수, Reu는 비틀림도를 고려하지 않은 레이놀즈 수, T는 비틀림도, ρ는 밀도, v는 내부 공극 유로를 통한 유체의 유속, u는 유체의 유속, DhT는 비틀림 수력 직경, μ는 유체의 점도임)Where Re vT is the Reynolds number for flow rate v as a function of torsion, Re uT is the Reynolds number for flow rate u as a function of torsion, Re u is the Reynolds number without considering torsion, and T is the degree of torsion , ρ is the density, v is the flow rate of the fluid through the internal void flow path, u is the flow rate of the fluid, D hT is the torsional hydraulic diameter, μ is the viscosity of the fluid)
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 투과도는 상기 비틀림도와 하기의 관계를 가지는 가질 수 있다. In some embodiments of the present invention, the transmittance may have the following relationship with the torsion.
(여기에서, ReuT는 비틀림도의 함수로서 유속 u에 대한 레이놀즈 수, Reu는 비틀림도를 고려하지 않은 레이놀즈 수, T는 비틀림도, ρ는 밀도, u는 유체의 유속, DhT는 비틀림 수력 직경, μ는 유체의 점도임)Where Re uT is the Reynolds number for the flow rate u as a function of the degree of torsion, Re u is the Reynolds number without considering the degree of torsion, T is the degree of torsion, ρ is the density, u is the flow rate of the fluid, and D hT is the torsion Hydraulic diameter, μ is the viscosity of the fluid)
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 비틀림도는 다공성 매질의 내부 공극유로 길이를 고려할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the degree of torsion may take into account the length of the internal void flow path of the porous medium.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 비틀림도는 하기의 관계를 가질 수 있다.In some embodiments of the present invention, the degree of twisting may have the following relationship.
(여기에서, T 는 비틀림도, L은 상기 다공성 매질의 직선 길이, Le는 상기 다공성 매질의 내부 공극유로의 길이임)Where T is the degree of torsion, L is the straight length of the porous medium, and L e is the length of the internal void flow path of the porous medium.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 다공성 매질 내의 유체의 유속은, 상기 비틀림 수력 직경, 상기 비틀림도의 함수인 상기 마찰계수, 및 상기 비틀림도의 함수인 레이놀즈 수에 대한 함수로 표현될 수 있다.In some embodiments of the present invention, the flow rate of the fluid in the porous medium can be expressed as a function of the torsional hydraulic diameter, the coefficient of friction as a function of the degree of torsion, and the Reynolds number as a function of the degree of torsion have.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 다공성 매질 내의 유체의 유속은 하기의 관계를 가질 수 있다.In some embodiments of the present invention, the flow rate of the fluid in the porous medium may have the following relationship.
(여기에서, u는 유체의 유속, μ는 유체의 점도, DhT는 비틀림 수력 직경, Φ는 다공성 매질의 공극률, T는 비틀림도, v는 내부 공극 유로를 통한 유체의 유속, fvT는 비틀림도의 함수로서 유속 v에 대한 마찰계수, RevT는 비틀림도의 함수로서 유속 v에 대한 레이놀즈 수, ΔP/L은 직선 길이에 대한 압력구배임)Where u is the flow rate of fluid, μ is the viscosity of the fluid, D hT is the torsional hydraulic diameter, Φ is the porosity of the porous medium, T is the degree of torsion, v is the flow rate of the fluid through the internal pore channel, f vT is the torsional Coefficient of friction for flow rate v as a function of degrees, Re vT is the Reynolds number for flow rate v as a function of torsion degree, ΔP / L is the pressure gradient for the straight length)
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 다공성 매질 내의 유체의 유속은 하기의 관계를 가질 수 있다.In some embodiments of the present invention, the flow rate of the fluid in the porous medium may have the following relationship.
(여기에서, u는 유체의 유속, μ는 유체의 점도, DhT는 비틀림 수력 직경, Φ는 다공성 매질의 공극률, T는 비틀림도, u는 유체의 유속, fuT는 비틀림도의 함수로서 유속 u에 대한 마찰계수, ReuT는 비틀림도의 함수로서 유속 u에 대한 레이놀즈 수, ΔP/L은 직선 길이에 대한 압력구배임)Where u is the fluid velocity, μ is the viscosity of the fluid, D hT is the torsional hydraulic diameter, Φ is the porosity of the porous medium, T is the degree of torsion, u is the flow rate of the fluid, and f uT is the function of the degree of torsion the coefficient of friction for u, Re uT is the Reynolds number for the flow rate u as a function of the degree of torsion, ΔP / L is the pressure gradient for the straight length)
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 투과도는 하기의 관계를 가질 수 있다.In some embodiments of the present invention, the transmittance may have the following relationship.
(여기에서, kGEP 는 기하등가투과도, DhT는 비틀림 수력 직경, fuT는 비틀림도의 함수인 마찰계수, ReuT는 비틀림도의 함수인 레이놀즈 수이고, 아래 첨자 "1"은 제1 모델이고, 아래 첨자 "2"는 제2 모델임)Where k GEP is the geometric equivalent transmittance, D hT is the torsion hydraulic diameter, f uT is the coefficient of friction as a function of torsion, Re uT is the Reynolds number as a function of torsion, and subscript "1" is the first model Subscript "2" is the second model)
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 투과도는 하기의 관계를 가질 수 있다.In some embodiments of the present invention, the transmittance may have the following relationship.
(여기에서, kGEP 는 기하등가투과도, DhT는 비틀림 수력 직경, f는 마찰계수, ReuT는 비틀림도의 함수인 레이놀즈 수, T는 비틀림도, Φ는 상기 다공성 매질의 공극률이고, 아래 첨자 "1"은 제1 모델이고, 아래 첨자 "2"는 제2 모델임)Where k GEP is the geometrical permeability, D hT is the torsional hydraulic diameter, f is the coefficient of friction, Re uT is the Reynolds number as a function of torsion, T is the degree of torsion, Φ is the porosity of the porous medium, and the subscript "1" is the first model, subscript "2" is the second model)
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 투과도는 하기의 관계를 가질 수 있다.In some embodiments of the present invention, the transmittance may have the following relationship.
(여기에서, kGEP 는 기하등가투과도, DhT는 비틀림 수력 직경, 아래 첨자 "1"은 제1 모델이고, 아래 첨자 "2"는 제2 모델임)( Wherein k GEP is the geometric equivalent transmittance, D hT is the torsion hydraulic diameter, subscript "1" is the first model and subscript "2" is the second model)
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 공극률은 40% 이상 60% 이하의 범위의 수치를 가질 수 있다.In some embodiments of the present invention, the porosity may have a value ranging from 40% to 60%.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 공극률의 범위 내에서 fuT ReuT 는 156 내지 171 범위의 수치를 가질 수 있다.In some embodiments of the present disclosure, within the range of the porosity, f uT Re uT may have a numerical value ranging from 156 to 171.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 공극률, 상기 수력 직경, 및 상기 마찰계수는, 상기 다공성 매질의 기하학적 특성 및 마찰손실특성을 나타내도록, 직선 원통형 유로에 대하여 도출되는 마찰계수로부터 등가 변수들로 변환될 수 있다.In some embodiments of the invention, the porosity, the hydraulic diameter, and the coefficient of friction are equivalent variables from the coefficient of friction derived for a straight cylindrical flow path to exhibit the geometric and frictional loss characteristics of the porous medium. Can be converted to
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 수력 직경을 산출하는 단계는, 상기 다공성 매질의 상기 공극의 마찰손실에 대하여 등가의 마찰손실을 발생하는 원통형 모세관을 이용하여 이루어질 수 있다.In some embodiments of the present invention, the step of calculating the hydraulic diameter may be performed by using a cylindrical capillary tube that generates an equivalent frictional loss with respect to the frictional loss of the pores of the porous medium.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 마찰계수는 다르시(Darcy) 마찰계수가 적용될 수 있다.In some embodiments of the present invention, the friction coefficient may be a Darcy friction coefficient.
본 발명의 기술적 사상에 따른 다공성 매질의 투과도 산출방법은 상기 다공성 매질의 기하학적 특성 및 마찰손실특성을 나타내는 변수들을 적용하여 투과도를 산출할 수 있으며, 층류 유동 뿐만 아니라 난류 유동에 대하여도 투과도를 산출할 수 있다. 본 발명의 기술적 사상에 따른 투과도 산출방법은 보다 신뢰성 있는 투과도 분석을 가능하게 하고, 특히 마찰계수나 수력직경, 비틀림도 등 각 암석의 기하학적 특성변수를 적절히 고려할 수 있게 함으로써, 각각의 암상에 따른 공극률-투과도 상관관계를 적절히 구분하여 제시할 수 있다. 특히, 다공성 매질의 마찰계수와 비틀림 수력직경을 새롭게 정의하여 다공질 유동의 특성 변수 상관관계를 규명할 수 있는 기하등가투과도 관계식을 성공적으로 제시할 수 있다. 이를 기반으로 다공성 유동에 적용할 수 있는 일반화된 다르시 마찰유동 관계식으로 확장할 수 있다. 또한, 수압파쇄균열에 대한 전산유체해석을 수행하여 본 발명에서 도출된 관계식들이 유효함을 확인하고 적용사례를 제시할 수 있다.In the method of calculating the permeability of a porous medium according to the technical idea of the present invention, the permeability may be calculated by applying variables representing the geometric and friction loss characteristics of the porous medium, and the permeability may be calculated for not only laminar flow but also turbulent flow. Can be. The method of calculating permeability according to the technical concept of the present invention enables more reliable permeability analysis, and in particular, it is possible to properly consider geometric characteristics of each rock such as friction coefficient, hydraulic diameter, and torsion degree, thereby allowing porosity according to each rock phase. Permeability correlations can be presented as appropriate. In particular, it is possible to successfully present the geometrical permeability relationship to define the correlation between the characteristic variables of porous flows by newly defining the friction coefficient and torsional hydraulic diameter of porous media. Based on this, it can be extended to the generalized Darcy friction flow relation that can be applied to porous flow. In addition, it is possible to confirm the validity of the relational expressions derived from the present invention by performing computational fluid analysis on the hydraulic fracturing cracks and to present examples of application thereof.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 따른 다공성 매질의 투과도 산출방법은 치밀사암 등이나 자연균열, 파쇄균열 등과 같이 기하학적 특성이 일반적인 사암과 구분되는 지층의 분석에서 보다 효과적으로 적용될 수 있다. 또한 본 발명의 기술적 사상에 따른 다공성 매질의 투과도 산출방법은 다양한 다공성 매질에 적용될 수 있고, 예를 들어 상기 다공성 매질은 사암, 실트, 탄산염암, 균열 암석, 다공성 생체조직, 다공성 기계부품, 또는 다공성 전자부품을 포함할 수 있다.In addition, the method of calculating the permeability of the porous medium according to the technical concept of the present invention can be applied more effectively in the analysis of the strata where the geometrical characteristics are distinguished from the general sandstone, such as dense sandstone, natural cracks, fracture cracks, and the like. In addition, the method for calculating the permeability of the porous medium according to the technical idea of the present invention can be applied to various porous media, for example, the porous medium is sandstone, silt, carbonate rock, cracked rock, porous biological tissue, porous mechanical components, or porous It may include an electronic component.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The effects of the present invention described above have been described by way of example, and the scope of the present invention is not limited by these effects.
도 1은 셰일 구조에서의 구형 입자들로 채워진 단순 균열을 가정한 세가지 분석 모델들을 도시한다.1 shows three analytical models assuming a simple crack filled with spherical particles in a shale structure.
도 2는 CFD 시뮬레이션으로부터 평균 속도 0.0822 m/s에서의 세가지 단순 균열 모델의 압력 등고선(pressure contours) 및 유선들(streamlines)을 도시한다.FIG. 2 shows the pressure contours and streamlines of the three simple crack models at an average velocity of 0.0822 m / s from CFD simulation.
도 3은 CFD 시뮬레이션, 코제니-카르멘 분석, 및 GEP 분석의 투과도를 비교한 그래프이다.3 is a graph comparing permeability of CFD simulations, Kozeni-Carmen analysis, and GEP analysis.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Embodiments of the present invention are provided to more fully explain the technical idea of the present invention to those skilled in the art, and the following embodiments may be modified in many different forms, and The scope of the technical idea is not limited to the following examples. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the inventive concept to those skilled in the art.
이에 본 연구에서는, 투과도에 영향을 미치는 특성변수를 적절히 규명, 보완하고자 선행연구자들의 주요 이론을 먼저 조사, 검토하였다. 다음으로, 다양한 매질의 기하학적 특성을 고려할 수 있고 유동조건의 변화에 상관없이 적용이 가능한 투과도 관계식을 도출하고자, 다공성 매질의 마찰계수와 수력직경을 새롭게 정의하여 이를 기반으로 한 기하등가투과도 (GEP, Geometry Equivalent Permeability) 관계식을 도출하였다. 이후, 도출된 특성변수의 정의와 관계식들의 유효성을 검증하고 적용사례를 제시하고자, 지지체가 복합된 단순한 수압파쇄 균열에 대한 CFD 해석을 수행하여 그 결과를 비교, 검토하였다.In this study, the main theories of previous researchers were first investigated and reviewed to properly identify and supplement the characteristic variables affecting the permeability. Next, in order to derive permeability relations that can consider the geometric characteristics of various media and can be applied regardless of flow conditions, the geometric equivalent permeability (GEP) based on the newly defined friction coefficient and hydraulic diameter of porous media Geometry Equivalent Permeability relationship was derived. Then, to verify the definitions of the derived characteristic variables and the validity of the relations and to present examples of application, CFD analysis was performed on simple hydraulic fracture cracks with support, and the results were compared and examined.
투과도 관계식과 특성변수 조사 및 검토Investigation and review of permeability relations and characteristic variables
투과도에 대한 선행연구자들의 이론적 접근방법으로는 공극률과 같이 상대적으로 쉽게 측정이 가능한 다른 암석물성을 기반으로 투과도를 유추하는 방법이 대표적이다(Nelson, 1994). 역사적으로, 이러한 최초의 접근은 하젠(Hazen, 1892)에 의한 포화된 사암에 대한 투과도 측정에 대한 경험적 관계식의 도출이었다. 이후, 코제니(Kozeny, 1927) 와 카르멘(Carman, 1937, 1938, 1956)은, 코제니-카르멘(Kozeny-Carman) 관계식으로 널리 알려진, 암석 공극을 유관(tube)으로 상사한 모델을 기반으로 한 관계식을 제시한 바 있다. 또한, 패터슨(Paterson, 1983)과 왈쉬(Walsh)와 브레이스(Brace, 1984)는 다공질을 통과하는 유동을 다른 관경을 가진 유관 꾸러미를 통과하는 유동으로 가정하는 등가 채널(channel) 모델을 도출한 바 있다. 그 밖에도 아치도우(Achdou)와 아젤라네다(Avellaneda, 1992)는 코제니-카르멘 모델을 보다 견고히 할 수 있는 'dc 투과도(dc-permeability)' 산정 방법을 제안하고자 전기적 측정법(electrical measurement)을 통해 동적, 정적 투과도상의 공극 거칠기와 공극 크기 분포의 영향을 분석하였다. 이상에서 언급한 것과 같은 투과도를 암석과 공극의 다양한 특성변수와 상관시키고자 하는 다양한 시도에 부가하여, 암석 입자와 광물학적 조성, 비표면적과 수포화도 및 시추정 로그 모델(Nelson, 1994) 등과 같은 많은 다른 부류의 접근도 여러 차례 시도된 바 있다. 다른 측면에서, 투과도의 물리학적 의미와 수학적 기본 관계식 및 이들의 확장에 대한 접근 역시, 여러 선행연구자들에 의하여 제시된 바 있다(Bear, 1975; Burmeister, 1993; Kaviany, 1995). 루빈스테인(Rubinstein) 과 토르쿠아토(Torquato, 1989)는 조화평균 관계(ensemble-average formulation)를 활용하여 마이크로 영역에서의 다르시 법칙을 유도함으로써 투과도의 엄밀한 에너지적 표현을 도출하였다. 또한, 위타커(Whitaker, 1996)는 다르시 법칙의 투과도 텐서(permeability tensor)와 포크헤이머 수정 텐서(correction tensor)를 결정할 수 있는 체적 평균(volume averaged)된 나비에-스토크스(Navier-Stokes) 관계식을 유도한 바 있다. 메이(Mei) 와 아우리아울트(Auriault, 1991)는 강체 다공성 매질을 상수 밀도를 갖는 비압축성 뉴톤 유체로 고려하여 관성력이, 전역적으로 보다는 비록 약하더라도 지역적으로 더 중요하다는 점을 제시한 바 있다.The theoretical approach of the previous researchers on the permeability is to infer the permeability based on other relatively easy-to-measure rock properties such as porosity (Nelson, 1994). Historically, this first approach has been an empirical relationship to the permeability measurements for saturated sandstone by Hazen (1892). Later, Kozeny (1927) and Carmen (Carman, 1937, 1938, 1956), based on a model resembling a rock cavity as a tube, widely known as the Kozeny-Carman relation, A relationship has been presented. In addition, Paterson (1983), Walsh (Balsh), and Brace (1984) derive an equivalent channel model that assumes that the flow through the porous flows through a related bundle with different diameters. have. In addition, Archdou and Azellaneda (1992) proposed a method of estimating the 'dc-permeability' to further solidify the Cogeni-Carmen model. The effects of pore roughness and pore size distribution on the static permeability were analyzed. In addition to the various attempts to correlate permeability with the various characteristic variables of rock and voids as mentioned above, rock particles and mineralogy, specific surface area and saturation, and logarithmic log model (Nelson, 1994) Many other classes of approaches have been tried several times. In other respects, the physical meaning of permeability and the mathematical basic relations and approaches to their expansion have also been proposed by several previous researchers (Bear, 1975; Burmeister, 1993; Kaviany, 1995). Rubinstein and Torquato (1989) used an ensemble-average formulation to derive a rigid energy representation of the permeability by deriving the Darcy law in the micro realm. Whitaker (1996) also found a volume averaged Navier-Stokes that can determine the permeability tensor of the Darcy's law and the correction tensor of the forkheimer. The relationship was derived. Mei and Auriault (1991) have considered rigid porous media as incompressible Newtonian fluids with constant density, suggesting that the inertial forces are local, although weak, rather than globally.
가장 기본적인 투과도 정의의 도출과정을 살펴보면, 다공성 매질의 공극을 수평의 직선 원통형 모세관으로 등가모델화 하고, 다공질 유동의 운동량 방정식을 전개하는 것에서 시작되었다 (Bear, 1975; Burmeister, 1993; Kaviany, 1995). 선행연구에서 도입된 공극을 통과하는 완전히 발달된 유체 유동의 x축 방향 운동량 방정식은 수학식 1과 같이 표현될 수 있다. 이 식을 공극의 단면적, "Ap= ΦA"에 대하여 적분한 후, "dA = 2πrdr"를 곱하면 수학식 2를 얻을 수 있다. 수학식 2에 층류유동을 기반으로 한 벽면 전단응력 관계식을 대입하고, 이를 Ap 로 나누면, 수학식 3으로 제시된 다공질 유동의 x축 방향 보존형 운동량 방정식을 도출할 수 있다.Derivation of the most basic definition of permeability begins with the equivalence modeling of pores in a porous medium into horizontal, straight cylindrical capillaries, and the development of the momentum equation for porous flows (Bear, 1975; Burmeister, 1993; Kaviany, 1995). The equation of the x-axis momentum of the fully developed fluid flow through the void introduced in the previous study can be expressed as Equation 1. This equation is obtained by integrating this expression with respect to the cross-sectional area of the void, "A p = Φ A", and then multiplying by "dA = 2πrdr". Substituting equations for wall shear stress based on laminar flow into Equation 2 and dividing it by A p yields the x-axis direction conservation momentum equation of the porous flow as shown in Equation 3 below.
여기서, 여기서, u 는 로 정의되는 면적평균속도(area-averaged velocity)이고, up는 로 정의되는 공극의 평균유동속도(average pore velocity) 이다. 이때, τw은 층류유동을 기반으로 한 변면전단응력으로 수학식 2에 제시된 바와 같다(Burmeister, 1993). 수학식 3은 좌측으로부터, 좌변의 비정상항, 대류항과 우변의 압력항, 중력항, 마찰손실항 및 확산항의 총 여섯 개의 항들로 구성되어있다. 우변의 마지막 두 항은 각각 다르시 항과 브린크만(Brinkmann) 확장항으로 알려져 있다. 여기서, 좌변의 비정상항과 우변의 중력항은 정상상태 수평유동에 대하여서는 제거될 수 있고, 일반적인 다공질 유동 해석에서, 좌변의 대류항과 우변의 브린크만 확산항은 영향이 매우 작아 무시될 수 있다. 결과적으로, 수학식 3은 수학식 4에 보여진 바와 같이, 다르시 관계식과 매우 유사한 형태로 정리될 수 있고, 다르시 관계식과의 비교를 통하여 투과도의 기본적인 수학적 정의가 수학식 5와 같이 제시되었다(Bear, 1975; Burmeister, 1993; Kaviany, 1995).Where u is Is the area-averaged velocity, u p is Average pore velocity, defined by. In this case, τ w is the shear shear stress based on laminar flow as shown in Equation 2 (Burmeister, 1993). Equation 3 is composed of six terms from the left side, the abnormal term on the left side, the pressure term on the convective and right side, the gravity term, the friction loss term, and the diffusion term. The last two terms on the right side are known as Darcy and Brinkmann, respectively. Here, the unsteady term on the left side and the gravity term on the right side can be eliminated for steady-state horizontal flow, and in general porous flow analysis, the convection term on the left side and the Brinkman diffusion term on the right side have very small effects and can be ignored. have. As a result, as shown in Equation 4, Equation 3 can be arranged in a form very similar to the Darcy relation, and through comparison with the Darcy relation, the basic mathematical definition of the transmittance is presented as Equation 5 (Bear, 1975; Burmeister, 1993; Kaviany, 1995).
위의 전개과정에서, 우리가 주지해야 할 것은 다르시 항의 도출이 벽면 전단응력에 기인된 마찰손실항에서 비롯된다는 점이다. 이는 물리학적 관점에서, 투과도는 다공질 유동의 벽면 전단응력이 전달되는 공극유로의 등가단면적을 표현하는 것을 의미하며, 결과적으로 투과도가 벽면 전단응력의 함수가 됨을 알 수 있다. 수학식 5의 전개과정은 브루마이스터(Burmeister, 1993)를 비롯하여 여러 다른 선행연구나 문헌들에서 제시된 것으로, 층류유동을 기반으로 한 투과도의 이론적 검토와 확장에 널리 활용되었다(Bear, 1975; Kaviany, 1995; Jurgawczynski, 2007). 그럼에도 불구하고, 수학식5가 실제의 투과도 산정을 위한 관계식으로 널리 사용되지 못하는 이유는 크게 두 가지 원인으로부터 기인된 것으로 추정할 수 있다. 우선, 수학식 5는 수학식 2의 벽면 전단응력 해석을 위해, 하겐-포이쉴리(Hagen-Poiseuille) 관계식으로 알려진 비압축성 층류유동 관계식을 도입함에 따라, 이를 난류유동에 적용할 수 없다는 한계를 가진다. 다음으로, 수학식 5에서 투과도는 단순히 공극률과 매질 단면적과의 곱의 형태인, ΦAp
로 표현되어 있는데, 이는 다공성 매질의 공극률에 대한 매우 단순한 정량적 관계만을 만족할 뿐, 실제 공극의 다양한 기하학적 특성이나 및 유동학적 특성을 전혀 반영할 수 없다. 다시 말해, 수학식 5는 이의 전개과정에서 도입된 수평의 직선형 원통관으로 완전히 근사화 될 수 있는 매우 단순한 형태의 공극의 층류유동에 대하여서만 적용이 가능하다.In the development process above, we should note that the derivation of the Darcy term results from the friction loss term due to the wall shear stress. This means that from the physical point of view, the permeability represents the equivalent cross-sectional area of the pore channel through which the wall shear stress of the porous flow is transmitted, and as a result, the permeability becomes a function of the wall shear stress. The development of Equation 5 has been presented in other previous studies and documents, including Brumeister (1993), and has been widely used for the theoretical review and expansion of permeability based on laminar flow (Bear, 1975; Kaviany, 1993). 1995; Jurgawczynski, 2007). Nevertheless, the reason why Equation 5 is not widely used as a relation for calculating the actual permeability can be presumed to be largely due to two reasons. First, Equation 5 introduces an incompressible laminar flow relation, known as Hagen-Poiseuille, for the wall shear stress analysis of Equation 2, and thus has a limitation in that it cannot be applied to turbulent flow. Next, in Equation 5, the transmittance is simply ΦA p , which is in the form of the product of the porosity and the cross-sectional area of the medium. This satisfies only a very simple quantitative relationship with respect to the porosity of the porous medium and cannot reflect the various geometric and rheological properties of the actual pores. In other words, Equation 5 can be applied only to a very simple form of laminar flow which can be completely approximated by a horizontal straight cylinder introduced during its development.
실제 다공성 매질을 구성하는 입자는 다양한 광물조성과 크기분포 및 불균질성 등을 가진 덕분에, 이들로 구성된 다공질 공극유로는 만곡(curvature)이나 비틀림(tortuosity)은 물론 분기(divergence)나 모임(conjunction) 등과 같은 매우 복잡한 구조적, 기하학적 특성을 가진다. 이러한 다공성 매질의 기하학적 특성들은, 유동조건의 천이에 따른 난류효과에 의한 유동 저항에 부가하여, 유체의 마찰손실에 직접적인 영향을 미치는 핵심적인 요소이다. 결과적으로, 수학식 5의 투과도 기본정의는 이상적인 유동모델을 기반으로 한 투과도의 물리적 개념을 제시하는 측면에서만 의미가 있으며, 실제로는 대상 다공성 매질의 이상적인 투과도 최대값으로 간주 될 수 있다. 코제니(Kozeny, 1927)는 이러한 다공성 매질의 기하학적 특성에 따른 유동손실을 정량적으로 고려하고자, 공극률과 비표면적(specific surface area)의 함수로 정의된 다공성 매질의 수력직경(hydraulic diameter)을 수학식 6과 같이 제시하였다. 여기에 코제니(Kozeny, 1927)는 아래 수학식 7과 같이, 다공성 매질의 입자를 구로 가정하여 비표면적을 입자 형상계수와 평균직경의 함수로 제시하였다. 코제니(Kozeny, 1927)는 이 식의 도출과정에서 동일한 크기의 구형 입자를 대상으로 유효 입자형상계수(Cs)로 '6을 제시하였으나, 이는 실제 사암 등의 암편을 대상으로 한 최근의 실험적 접근을 통하여 사암과 같은 일반적인 다공질 암석에 대하여서는 '4.27' 이 보다 적절한 것으로 제시되었다(Engler, 2010). 결과적으로, 수학식 7의 관계를 수학식 6에 도입하여 표현한 최종적인 수력직경의 관계식과 이를 수학식 5에 적용한 코제니의 투과도 관계식은 수학식8과 같이 정리될 수 있다.Since the particles that make up the porous medium have various mineral composition, size distribution and heterogeneity, porous pores composed of them are not only curvature or tortuosity, but also divergence and conjunction. Same very complex structural and geometrical characteristics. The geometrical properties of these porous media, in addition to the flow resistance due to the turbulence effect of the transition of flow conditions, are a key factor in directly affecting the frictional losses of the fluid. As a result, the basic definition of permeability of Equation 5 is only meaningful in terms of presenting a physical concept of permeability based on an ideal flow model, and can be regarded as an ideal maximum permeability of the target porous medium. Kozeny (1927) quantified the hydraulic diameter of a porous medium defined as a function of porosity and specific surface area in order to quantitatively consider the flow loss due to the geometrical characteristics of the porous medium. 6 is presented. Here, Kozeny (1927) presented a specific surface area as a function of particle shape coefficient and average diameter, assuming a particle of a porous medium as a sphere, as shown in Equation 7 below. Kozeny (1927) suggested '6 as the effective particle shape factor (C s ) for spherical particles of the same size in the process of deriving this equation, but this is a recent experimental study on actual sandstones. The approach suggested that '4.27' is more appropriate for general porous rocks such as sandstone (Engler, 2010). As a result, the relation of the final hydraulic diameter expressed by introducing the relation of Equation 7 into Equation 6 and the transmittance relation of Cogeny applied to Equation 5 can be summarized as in Equation 8.
코제니의 수력직경을 도입함에도 불구하고, 대부분의 실제 다공성 매질의 투과도는 수학식 8로 제시된 투과도 값보다 훨씬 낮은 값을 보일 것이다. 이는 실제의 다공질 유동이 수력직경과 같은 공극 단면적의 영향뿐만 아니라, 공극유로의 만곡이나 비틀림 등과 같은 유로의 기하학적 영향에도 크게 의존하기 때문이다. 코제니(Kozeny, 1927)는 이러한 유로변화의 영향을 고려하고자, 비틀림도(Tortuosity, T)를 최초로 정의하고 이를 압력구배항에 도입한 관계식, 수학식 9를 제시한 바 있다(Carman, 1937). 이후, 카르멘(Carman, 1937)은 코제니의 비틀림도는 압력구배항은 물론, 유속항에도 같이 고려되어야 타당함을 주장하고 수정한 관계식, 수학식 10을 제시하였다. 다시 말해, 카르멘은 비틀림도에 의한 영향을 압력구배와 유동속도 모두에 고려하여, 소위 코제니-카르멘(Kozeny-Carman) 관계식으로 널리 알려진 수학식 10의 관계식을 최종적으로 제시하였다. 여기서, 비틀림도의 정의는 관련 이론을 사용하는 선행연구자들에 따라 몇 가지 정의가 혼재되어 사용되고 있으며(Bear, 1975), 혼돈을 피하기 위해서, 본 연구에서는 코제니에 의해서 최초로 제시된 수학식 10의 정의를 사용하였다. 결과적으로, 카르멘이 수정하여 제시한 투과도의 정의는 수학식8의 코제니의 투과도 정의에 비틀림도를 곱하는 형태가 되고, 수력직경의 정의를 다시 도입하면 수학식 11과 같이 정리될 수 있다. 이 때, 다르시 관계식은 수학식 11의 투과도 정의를 도입함으로써 수학식 12와 같이 수정되어 제시될 수 있다.Despite the introduction of Cozeni's hydraulic diameter, the permeability of most actual porous media will be much lower than the permeability value given by Equation 8. This is because the actual porous flow depends not only on the influence of the pore cross-sectional area such as the hydraulic diameter, but also on the geometrical influence of the flow path such as the bending and torsion of the air gap. Kozeny (1927) proposed the relational equation (9), which first defined the torsion degree (T) and introduced it to the pressure gradient term, in order to take into account the effects of such flow changes (Carman, 1937). . Later, Carmen (1937) argued that Cogeni's torsional degree should be considered as well as the pressure gradient term as well as the velocity term and suggested modified equation (10). In other words, Carmen finally presented the so-called Kozeny-Carman relation, which is well known as the Kozeny-Carman relation, considering the influence of the degree of torsion on both the pressure gradient and the flow velocity. Here, the definition of the degree of torsion is mixed with several definitions according to previous researchers using the relevant theory (Bear, 1975), and in order to avoid confusion, the definition of Equation 10 first presented by Cogeny in this study is used. Was used. As a result, the definition of the transmittance proposed and modified by Carmen becomes a form of multiplying the transmittance definition of Cogeny of Equation 8 by the torsion degree, and can be summed up as shown in Equation 11 by introducing the hydraulic diameter definition again. In this case, the Darcy relational expression may be modified and presented as in Equation 12 by introducing a transmission definition of Equation 11.
수학식 11의 도출과정을 종합하면, 코제니-카르멘 관계식은 층류유동 이론을 기반으로 도출된 수학식 5의 투과도 기본 정의에 코제니의 수력직경과 비틀림도의 개념을 복합하여 정의된 것임을 알 수 있다. 코제니-카르멘 관계식은 많은 선행연구들의 이론적 기반으로 사용되었으며, 이 때 수학식 13과 같은 형태로 보다 널리 알려져 있다(Carman, 1937; Bear, 1975; Carrier, 2003). 수학식 13은 수학식 7에 제시된 코제니(Kozeny, 1927)의 비표면적 관계식에 동일한 평균직경 dm 을 갖는 구형입자를 가정하여 형상계수 관계는 CS = 6으로 설정하고, 비틀림도는 히치콕(Hitchcock)의 가정을 기반으로 의 관계를 수학식 11에 대입한 것이다(Carman, 1937). 그러나 최근의 많은 연구에서, 비틀림도는 공극률의 함수로 표현되는 것이 보다 적절한 것으로 밝혀져 있어, 공극률을 기반으로 한 비틀림도 산정 방안이 보다 유용할 수 있다(Bear, 1975). 또한, 다공질 수력직경의 도출에 요구되는 비표면적 계측 역시, 찰켓(Chalket et al. ,1949) 등에 의해 제안된 통계적 방법을 비롯하여, 흡착(gas adsorption) 실험 방법과 PIA(Petrographic Image Analysis) 방법 및 NMR(Nuclear Magnetic Resonance) 계측 등 다양한 방법들이 제안되어 있다. 따라서, 코제니-카르멘 관계식의 적용은 수학식 13의 상수계수를 가지는 형태보다 수학식 11의 원형을 활용하는 것이 결과의 신뢰성이나 다양한 매질에 대한 적용성 측면에서 보다 바람직하다.Combining the derivation process of Equation 11, it can be seen that the cozeni-carmen relation is defined by combining the concept of hydraulic diameter and torsion of Kozeni with the basic definition of permeability of Equation 5 derived from the laminar flow theory. have. The Cozeni-Carmen relation was used as the theoretical basis of many previous studies, and is more widely known in the form of Equation 13 (Carman, 1937; Bear, 1975; Carrier, 2003). Equation 13 assumes spherical particles having the same mean diameter d m in Kozeny's (1927) 's specific surface area equation as shown in Equation 7, and the shape coefficient relationship is set to C S = 6 and the torsion degree is Hitchcock ( Based on Hitchcock's home Is substituted into Equation 11 (Carman, 1937). However, many recent studies have found that the degree of torsion is more appropriately expressed as a function of porosity, so a method of estimating torsion based on porosity may be more useful (Bear, 1975). In addition, the measurement of specific surface area required for derivation of the porous hydraulic diameter also includes the statistical method proposed by Chalkett et al. (1949) and the like, the gas adsorption test method, the PETA (Petrographic Image Analysis) method, and the NMR. Various methods such as (Nuclear Magnetic Resonance) measurement have been proposed. Therefore, it is more preferable to use the prototype of Equation 11 than the form having the constant coefficient of Equation 13 in terms of reliability of the result or applicability to various media.
다공성 매질의 마찰계수와 수력직경에 기반한 기하등가투과도 정의Definition of geometric equivalent transmission based on coefficient of friction and hydraulic diameter of porous media
코제니-카르멘 관계식은 현재까지 제시된 투과도 관계식들 중 가장 널리 사용되고 있는 식 중의 하나로 여러 후속연구의 이론적 기반이 되고 있다. 그럼에도 불구하고, 코제니-카르멘 관계식은 실제의 다공성 매질이 갖는 다양한 기하학적 특성 반영에는 여전히 한계를 가지고 있다. 이는 코제니-카르멘 식이 다공질 유동의 특성을 수령직경과 비틀림도 및 공극률의 함수로만 표현하고 있고, 이들 변수만으로 실제 다공질 입자의 거칠기, 배열구조, 크기분포, 이방성, 불균질성 등과 같이 유동손실에 영향을 미치는 모든 기하학적 특성을 고려하는 것은 불가능하기 때문이다. 예를 들어, 불규칙하고 형상의 변화가 많으며 다양한 입자크기 분포를 가진 다공성 매질과 상대적으로 단순하고 균질한 입자 분포를 가진 두 매질이 만약 같은 비표면적과 공극률을 가진 경우를 가정하여 보자. 코제니-카르멘 관계식은 두 매질의 입자 표면 거칠기나 구조적 특징은 배제하고 동일한 비표면적과 공극률에 기반하여 동일한 수력직경과 비틀림도를 산정하게 되어, 결과적으로 동일한 투과도 값을 산출하게 될 것이다. 물론 이는 적절치 않으며, 궁극적으로, 투과도는 공극률과 비틀림도, 수력직경은 물론, 각 매질의 유동손실에 영향을 미치는 다양한 기하학적 특성을 적절히 고려할 수 있는 형태로 표현되어야 한다.The cozeni-carmen relationship is one of the most widely used permeability relations and is the theoretical basis of many subsequent studies. Nevertheless, the Cogeny-Carmen relation still has limitations in reflecting the various geometrical characteristics of the actual porous media. The Cozeni-Carmen equation expresses the characteristics of porous flows only as a function of the receiving diameter, torsion and porosity, and only these variables affect the flow loss such as roughness, arrangement, size distribution, anisotropy and heterogeneity of the actual porous particles. This is because it is impossible to consider all geometric properties. For example, suppose that two media with irregular, varying shape, porous media with various particle size distributions, and relatively simple and homogeneous particle distributions have the same specific surface area and porosity. The Cozeni-Carmen relation will exclude the particle surface roughness or structural features of the two media and will calculate the same hydraulic diameter and torsion based on the same specific surface area and porosity, resulting in the same permeability values. Of course, this is not appropriate, and ultimately, the permeability should be expressed in a form that allows for proper consideration of porosity, torsion, hydraulic diameter, and various geometrical characteristics that affect the flow loss of each medium.
유동모델의 측면에서, 코제니-카르멘 관계식은 다공질 유동을 등가의 수력직경과 비틀림도를 갖는 모세관다발을 통과하는 층류유동 모델로 가정한 것이다. 이 때, 공극의 기하학적 특성을 반영하기 위하여 수력직경의 정의에 공극률과 입자 평균직경 및 형상계수를 변수로 도입하였다. 이와 같은 수력직경의 정의와 유동모델의 가정으로 투과도의 핵심변수인 등가 공극유로의 단면적 산정은 가능하나, 입자의 구조와 배열, 거칠기 등에 좌우되는 유동저항 특성의 고려는 여전히 부족하다. 더욱이 모든 유동손실 요소를 개별적으로 측정하거나 정량적으로 평가하는 것은 현실적으로 매우 어려우며, 이를 통합하여 고려할 수 있는 특성변수의 규정과 도입이 절실하다. 따라서 투과도 관계식은 보다 쉽고 보편적인 방법으로 측정이 가능하고 유동손실과 관련된 다양한 인자를 통합적으로 고려할 수 있는 새로운 특성변수를 기반으로 제시될 필요가 있다. 궁극적으로 이를 비롯한 모든 투과도 특성변수를 포함한 일반화된 형태로 도출될 필요가 있다.In terms of the flow model, the Cogeny-Carmen relation assumes that the porous flow is a laminar flow model through a capillary bundle with an equivalent hydraulic diameter and torsion. In this case, the porosity, the average particle diameter, and the shape coefficient were introduced into the hydraulic diameter definition to reflect the geometric characteristics of the voids. It is possible to estimate the cross-sectional area of equivalent pore channel, which is a key variable of permeability, by definition of hydraulic diameter and flow model, but it is still insufficient to consider the flow resistance characteristics that depend on the structure, arrangement and roughness of particles. Moreover, it is very difficult to measure or quantitatively measure all the flow loss factors individually, and the definition and introduction of characteristic variables that can be taken into account are urgently needed. Therefore, the permeability relation needs to be presented on the basis of new characteristic variables that can be measured in an easier and more universal way and can consider various factors related to flow loss. Ultimately, it needs to be derived in a generalized form including all permeability characteristic variables.
이를 위해, 본 연구에서는 수학식 1 내지 수학식 3의 전개과정에서 도출된 "투과도는 물리학적으로 벽면 전단응력을 생성하는 공극의 등가단면적에 상당하며, 벽면 전단응력의 함수로 취급될 수 있다"라는 검토 결과에 주목하였다. 그 중에서 특히, 벽면 전단응력항의 처리를 위해 하겐-포이쉴리 관계식으로 알려진 층류 배관유동 관계식을 도입하였고, 이에 따라 도출된 관계식은 층류유동에만 유효함을 상기하였다. 이는 역으로, 다공질 유동의 운동량관계식 전개에서 벽면 전단응력항을 층류영역에서만 유효한 하겐-포이쉴리 관계식이 아니라, 난류영역에도 확장적용이 가능한 수학식 14의 다르시 마찰계수 관계식을 도입함으로써 이러한 한계를 극복할 수 있음을 의미한다. 다시 말해, 본 연구에서는 코제니-카르멘 관계식과 같은 기존의 투과도 관계식이 하겐-포이쉴리 관계식과 같은 일반적인 배관유동의 이론을 기반으로 도출되었듯이, 유동영역과 기하학적 특성에 무관하게 배관유동의 유동손실을 표현할 수 있는 다르시 마찰계수 관계를 다공질 유동해석에 도입하는 방안을 모색하고자 하였다. 결과적으로, 본 연구에서는 다공질 유동의 기하학적 특성과 유동영역 변화에 따른 유동손실을 적절히 고려할 수 있게 하고자 수학식 14에 제시된 다르시 마찰계수(Darcy's friction factor, f) 정의를 도입하였다. 이 때, Darcy 마찰계수 외에도 내부유동의 마찰손실을 기술한 이론적 접근으로는 패닝(Fanning)의 마찰계수가 있다(Bear, 1975; Muskat, 1946). 그러나 두 이론은 각 관계식이 각각 수력직경과 수력반경을 대상으로 정의되는 차이만 있어, 다르시 마찰계수는 단순히 패닝 마찰계수의 4배로 취급될 수 있으므로, 본 연구에서는 다르시 마찰계수를 기준으로 이후의 검토를 진행하였다.To this end, in the present study, "transmittance is equivalent to the equivalent cross-sectional area of voids that physically generates the wall shear stress, and can be treated as a function of the wall shear stress". The results of the review were noted. In particular, the laminar pipe flow relation, known as the Hagen-Poishley relation, was introduced for the treatment of the wall shear stress term, and it was recalled that the resulting relation was valid only for laminar flow. On the contrary, this problem is overcome by introducing the Darcy friction coefficient equation of Equation 14, which can be applied to the turbulent region instead of the Hagen-Poisley relation that is effective only in the laminar flow region. It means you can. In other words, in this study, the conventional permeability relations, such as the Cogeny-Carmen relations, were derived based on the theory of common piping flows, such as the Hagen-Poisley relations. We tried to find a way to introduce the Darcy friction coefficient relationship to the porous flow analysis. As a result, this study introduced the Darcy's friction factor (f) definition, which is presented in Equation 14, to properly consider the geometric characteristics of the porous flow and the flow loss due to the change of the flow region. At this time, in addition to the Darcy friction coefficient, the theoretical approach describing the friction loss of internal flow is Fanning's friction coefficient (Bear, 1975; Muskat, 1946). However, the two theories differ only in that each relation is defined for the hydraulic diameter and the hydraulic radius, and the Darcy friction coefficient can be treated as simply four times the panning friction coefficient. Proceeded.
표 1은 선행 연구 및 본 발명에서 사용된 각각의 물질에 대한 등가 유동모델들이다.Table 1 shows equivalent flow models for each material used in the previous studies and the present invention.
이 시점에서, 선행연구에서 다공질 유동의 이론적 해석을 위해 제안된 등가 유동모델을 전체적으로 정리, 비교하면 다음 표 1과 같이 요약될 수 있다. 수력직경과 마찰계수의 정의를 통해 표현되는 대표적인 유동으로는, 표 1의 (A)에 제시된 동심관 유동을 비롯하여, 평판, 사각, 삼각채널 및 타원 형태의 배관유동을 들 수 있다. 한 예로, 표 1의 모델 (A)는 원래 (A-I) 형태인 동심관을 대상으로, 배관 유로의 수력직경과 마찰계수 - 레이놀즈 수 관계(f Re)를 정의함으로써, (A-II)와 같은 원통형 배관유동으로 등가 표현할 수 있다. 다시 말해, 다양한 기하학적 단면 형상을 가진 배관유동의 해석은 각 유로의 수력직경과 마찰계수 정의를 통하여 등가의 유동모델로 표현하는 것으로 달성될 수 있고, 이러한 방법은 배관유동 해석분야에서 매우 보편적이고 널리 활용되고 있다. 사실상 이러한 개념은 수학식 5의 투과도 기본정의를 도출하는 REV(Representative Elementary Volume) 모델에서도 이미 도입되어 있다(Burmeister, 1993). 즉, 표 1의 B에 제시된 바와 같이, 다양한 크기, 형상과 구조를 갖는 고체입자로 구성된 다공성 매질은 가장 단순하게는 동일한 공극부피를 갖도록 설정된 등가 공극직경, Dp를 가진 직선 원통형 모세관으로 등가 표현될 수 있다. 결과적으로, 수학식 5의 투과도 기본정의는 이러한 가장 단순하고 이상적인 유동모델을 기반으로 도출된 것으로, 결과적으로 해당 공극률에 대한 투과도의 최대값을 산출하게 되는 것이다.At this point, the equivalent flow model proposed for the theoretical analysis of porous flows in previous studies can be summarized as shown in Table 1 below. Representative flows expressed through the definition of hydraulic diameter and coefficient of friction include concentric pipe flows shown in Table 1 (A) as well as pipe flows in the form of flat, square, triangular channels and ellipses. As an example, model (A) in Table 1 defines the hydraulic diameter and friction coefficient-Reynolds number relationship (f Re) of a pipe flow path for concentric pipes originally in the form of (AI), such as (A-II). It can be expressed as cylindrical pipe flow. In other words, the analysis of pipe flows with various geometric cross-sectional shapes can be achieved by representing equivalent flow models through the definition of the hydraulic diameter and friction coefficient of each flow path, which is very common and widely used in the field of pipe flow analysis. It is utilized. In fact, this concept has already been introduced in the Representative Elementary Volume (REV) model, which derives the basic definition of permeability of Equation 5 (Burmeister, 1993). That is, as shown in B of Table 1, a porous medium composed of solid particles having various sizes, shapes and structures is equivalently represented as a straight cylindrical capillary tube having an equivalent pore diameter, D p , most simply set to have the same pore volume. Can be. As a result, the basic definition of permeability of Equation 5 is derived based on this simplest and ideal flow model, and as a result, the maximum value of permeability for the corresponding porosity is calculated.
코제니와 카르멘은 유동모델 (B)가 지나치게 단순함에 따른 한계를 극복하고자, 다공성 매질에 대한 수력직경(Dh)의 개념을 새롭게 도입하고 비틀림도(T)의 정의를 추가한 표 1의 (C) 유동모델을 제안하였다. 여기서, 공극유로를 통과하는 유체의 실제 속도는 모델(B)의 등가 공극직경(Dp)에 비해 훨씬 작은 수력직경과 비틀림도 도입에 따라 증가된 유로길이에 의해 크게 증가된 속도인, ue를 가지게 됨에 주의가 필요하다. 이해의 편의를 위해, 표1의 (C) 모델을 매질의 직선길이(L)가 아닌 내부 공극유로의 길이(Le)를 기준으로 펴서 표현하면 표 1의 (D)와 같다. 결과적으로, 코제니와 카르멘은 표 1의 (D) 유동모델을 제시하였으나, 이를 통해 각 매질 유로의 기하학적 특성을 모두 표현하기에는 여전히 한계가 있다. 이에 본 연구에서는 표 1의 마지막에 제시된 다수의 주름을 가진 원통형 모세관을 가정한 유동모델, 모델 (E)를 제안하였다. 이는 기본적으로는 수력직경과 비틀림도 개념에 기반한 코제니-카르멘 관계식의 유동모델, (D) 모델과 동일한 개념을 가지나, 거칠기와 같은 공극의 기하학적 특성에 따른 추가적인 유동손실을 고려하고자 다수의 주름을 부가하여 제시된 모델이다.In order to overcome the limitations of the oversimplification of the flow model (B), Cogeni and Carmen introduced the concept of hydraulic diameter (D h ) for porous media and added the definition of the torsion degree (T). C) A flow model was proposed. Here, the actual velocity of the fluid passing through the void flow path is u e , which is significantly increased by the flow path length increased with the introduction of a much smaller hydraulic diameter and torsional degree compared to the equivalent void diameter D p of the model (B). Be careful to have For convenience of understanding, the model (C) shown in Table 1 is expressed based on the length (L e ) of the internal void flow path, not the straight line length (L) of the medium, as shown in Table 1 (D). As a result, Cogeni and Carmen presented the (D) flow model of Table 1, but there is still a limit in expressing all the geometric characteristics of each medium flow path. In this study, we propose a flow model, model (E), which assumes a cylindrical capillary tube with multiple corrugations presented at the end of Table 1. It basically has the same concept as the Cozeni-Carmen relational flow model based on the concept of hydraulic diameter and torsion, and (D) model, but a number of corrugations are considered to account for the additional flow loss due to the pore geometry such as roughness. In addition, the model is presented.
예를 들어, 어떤 특정한 유동조건에서 동일한 유동손실(투과도)을 보인 두 종류의 다공성 매질을 가정하여 보자. 하나는 표 1의 (D)로 가정될 수 있는 이상적인 구형의 동일한 입자크기로 구성된 매질이고, 다른 하나는 표 1의 (E)로 대표될 수 있는 불균질하고 다양한 크기 및 이방성이 큰 입자로 구성된 매질이다. 만약, 우연히 어떤 특정 공극률과 유동조건에서 동일한 평균유속과 압력손실이 발생한다면 두 매질의 투과도는 이 조건에서 동일한 것으로 평가된다. 그러나 두 매질이 다른 동일한 공극률이나 유동조건에 존재하는 경우에, 이 새로운 조건하에서 두 매질의 투과도가 동일한 결과를 보일 가능성은 매우 낮다. 이는 각 매질 유로의 기하학적 특성 차이에 따라 각각이 갖는 유동손실(마찰저항)의 특성이 다르기 때문으로, 이러한 유동손실 특성을 반영하기 위하여서는 기존의 수력직경의 개념에 더하여 마찰계수라는 별도의 특성변수를 도입할 필요가 있다. 결과적으로, 본 연구에서는 다공성 매질의 유동모델로 다수의 주름을 가진 원통형 모세관을 제안하고, 이의 적절한 해석과 표현을 위하여 등가 수력직경과 비틀림도는 물론 마찰계수의 개념을 추가적으로 도입하고자 시도하였다.For example, suppose two kinds of porous media show the same flow loss (permeability) under certain specific flow conditions. One is a medium composed of the same spherical particle size of an ideal spherical shape, which can be assumed as Table 1 (D), and the other is composed of particles of heterogeneous, large size and anisotropy, which can be represented by Table 1 (E). Medium. If, by chance, the same mean velocity and pressure loss occur under certain porosity and flow conditions, the permeability of the two media is estimated to be the same under these conditions. However, if the two media are present at different identical porosity or flow conditions, it is very unlikely that under these new conditions the permeability of the two media will be the same. This is because the characteristics of the flow loss (friction resistance) are different depending on the geometric characteristics of each medium flow path. In order to reflect the characteristics of the flow loss, a separate characteristic variable called friction coefficient is added to the concept of hydraulic diameter. It is necessary to introduce. As a result, this study proposes a cylindrical capillary tube with a large number of corrugations as a flow model of porous media, and attempts to introduce the concept of equivalent hydraulic diameter and torsion, as well as coefficient of friction for proper interpretation and expression.
마찰계수의 도입을 위해, 수학식 14의 다르시 마찰계수 정의를 다공질유동의 운동량방정식인 수학식 2에 대입하고 양변을 Ap로 나누면, 수학식 2는 아래 수학식 15와 같이 정리될 수 있다. 이 때, 수학식 4의 유도과정과 동일하게, 수평의 정상상태 다공질 유동을 가정하여 비정상항과 중력항을 제거하고 대류항과 브린크만(Brinkmann) 확산항을 무시하면 수학식 15는 다시 수학식 16의 형태로 축약되고, 이를 다공질 유동에 대한 마찰계수로 정리하면 수학식 17을 도출할 수 있다. 여기서, 수학식 17은 일반적인 배관유동의 손실관계를 나타내는 다르시-바이스바흐 관계식과 동일한 형태를 가짐을 알 수 있고, 이에 따라 수학식 17은 다르시-바이스바흐 관계식의 다공질 유동에 대한 표현으로 생각될 수 있다. 다음으로, 수학식 17의 공극유로 직경(Dp)과 유속(v) 및 압력구배(dP/dx)는 표 1의 (D)와 (E) 모델에 대하여, 수학식 17의 우측에 제시된 바와 같이, 코제니의 수력직경과 비틀림도 고려에 따라 수정된 코제니와 카르멘의 압력구배와 유속으로 대체될 수 있다. 이들 변수를 수학식 17의 마찰계수 관계식에 대입하여 정리하면, 다공질 유동의 다르시 마찰계수(f, Friction Factor of Porous Flow)를 정의한 관계식, 수학식 18을 얻을 수 있다. 여기서, 수학식 18을 일반적인 배관유동의 다르시-바이스바흐 관계식과 비교하면, 다공성 매질의 수력직경(Dh)과 평균유속(u) 및 직선길이 압력구배(P/L)를 기본 항으로 하여, 공극률(Φ)과 비틀림도(T)가 부가된 형태를 가진다. 요약하면, 수학식 18은 일반적인 방법으로 계측이 가능한 다공질 유동의 물리량을 바탕으로 산출된 마찰계수를 기반으로 다양한 매질의 손실특성을 표현할 수 있는 관계식이다. 이는 기존의 이론들이 상수계수를 기반으로 하거나, 측정이 어렵거나 신뢰도가 낮은 물리량을 기반으로 투과도를 표현함에 따라 적용 대상에 제한을 받거나 신뢰성에 한계를 갖는 것을 극복할 수 있는 방법이다.In order to introduce the friction coefficient, the Darcy friction coefficient definition of Equation 14 is substituted into Equation 2, which is a momentum equation of porous flow, and both sides are divided by A p , and Equation 2 can be summarized as Equation 15 below. At this time, in the same manner as the derivation process of Equation 4, when the steady state porous flow is removed and the abnormal and gravity terms are removed, the convection term and the Brinkmann diffusion term are ignored. It can be reduced to the form of Equation 16 and summarized by the coefficient of friction for the porous flow. Here, Equation 17 can be seen to have the same form as the Darcy-Weissbacher equation representing the loss relation of the general pipe flow, and accordingly Equation 17 can be thought of as a representation of the porous flow of the Darcy-Weissbacher equation have. Next, the pore channel diameter (D p ), flow velocity (v), and pressure gradient (dP / dx) of Equation 17 are as shown on the right side of Equation 17 for the models (D) and (E) of Table 1 below. Similarly, Cogeni's hydraulic diameter and torsion may be replaced by modified pressure gradients and flow rates of Cogeni and Carmen, depending on consideration. By substituting these variables into the friction coefficient relational expression of Equation 17, it is possible to obtain the relational expression (18) which defines the Friction Factor of Porous Flow (f) of the porous flow. Here, comparing Equation 18 with the Darcy-Weissbacher equation of general pipe flow, the hydraulic diameter (D h ), the average flow rate (u) and the linear length pressure gradient (P / L) of the porous medium as a basic term, Porosity Φ and torsion degree T are added. In summary, Equation 18 is a relation that can express the loss characteristics of various media based on the friction coefficient calculated based on the physical quantity of the porous flow which can be measured by the general method. This is a way to overcome the limitations of the application or the limitation of reliability, as the existing theories are expressed on the basis of constant coefficients, difficult to measure, or expressed on the basis of low physical reliability.
본 연구에서는 상기에서 표 1의 (E-III) 모델을 기반으로 한 다공질 유동의 마찰계수 정의를 수학식 18과 같이 도출하였다. 이 때, 도출된 마찰계수는 원래의 다공성 매질, 즉 표 1의 (C-I) 과 동일한 유동학적 상관관계를 가져야 한다. 그러므로, 표 1의 (C-I) 유동을 표현하는 일반적인 관계식인 다르시 관계식과 (E-III) 모델에 대한 마찰계수를 동일한 압력구배 조건에 대하여 수학식 19와 같이 연립하면, 수학식 20의 관계식을 도출할 수 있다. 이를 다시, 마찰계수(f)와 레이놀즈 수(Re)의 함수로 정리하면 다음 수학식 21의 형태로 정리될 수 있다. 여기서, 수학식 21의 (b)식은 표 1의 (E-III)모델에 제시된 등가의 공극유로 관점에서의 마찰계수(f)와 Reynolds 수(Reue)의 관계를 바탕으로 표현된 관계식임을 주지할 필요가 있다. 결과적으로, 수학식 21은 본 연구에서 다공성 매질의 다양한 기하학적 특성과 유동범위에 무관하게 적용이 가능하도록 다르시 마찰계수의 도입을 통해 새롭게 도출한 투과도 관계식으로 다른 투과도 정의와 구분하기 위해 기하등가투과도(GEP, Geometry Equivalent Permeability) 관계식으로 명명하였다.In this study, the friction coefficient definition of the porous flow based on the (E-III) model of Table 1 was derived as shown in Equation 18. At this time, the coefficient of friction derived must have the same rheological correlation as the original porous medium, that is, (CI) of Table 1. Therefore, if the friction coefficient for the Darcy relation and the (E-III) model, which are general relations representing the (CI) flow in Table 1, are combined as in Equation 19 for the same pressure gradient condition, Equation 20 is derived. can do. If this is again summarized as a function of the friction coefficient f and the Reynolds number Re, it can be summarized in the form of Equation 21 below. Here, Equation 21 (b) is a relational expression expressed on the basis of the relationship between the friction coefficient f and the Reynolds number (Re ue ) in terms of equivalent void flow paths presented in the model (E-III) of Table 1. Needs to be. As a result, Equation 21 is a permeability relationship newly derived through the introduction of the Darcy friction coefficient so that it can be applied irrespective of various geometrical characteristics and flow ranges of the porous medium. It is named as GEP (Geometry Equivalent Permeability) relation.
본 연구에서는 선행연구에서 제안된 다공성 매질의 수력직경과 비틀림도의 개념에 다공질 유동에 대한 다르시 마찰계수의 개념을 도입하여, 수학식 18의 다공질 유동의 마찰계수와 수학식 21의 기하등가투과도 관계식을 제시하였다. 도출된 관계식들은 이미 널리 알려진 관계식들을 바탕으로 엄밀한 수학적 전개를 통하여 도출하였기 때문에 이들의 유효성은 충분하다 할 수 있다. 그러나 이를 다시 한번 확인하고, 관계식을 구성하는 특성변수들의 관계를 검토하여 보고자, 코제니-카르멘 관계식과의 비교를 수행하였다. 이를 위해, 코제니-카르멘 유동모델인 모델(D)에 기반한 등가 공극유로의 관점에서의 마찰계수(f)와 레이놀즈 수(Rev) 관계로 표현된 수학식 21의 (b)를 기본 관계식으로 도입하였다. 이 식에 수학식 13의 코제니-카르멘 관계식 유도과정과 동일하게, 코제니의 수력직경 정의와 카르멘이 비틀림도의 계산을 위해 도입한 히치콕의 가정을 도입하면 수학식 22를 얻을 수 있다. 수학식 22에 다시, 코제니가 적용한 입자 형상계수 관계 CS = 6 을 도입하고, 원통형 유로(모세관)에 대한 층류유동의 마찰계수와 레이놀즈 수 조합인 f Rev = 64 를 적용하면 수학식 23을 얻을 수 있다. 여기서, 수학식 23은 코제니-카르멘 관계식이 동일한 크기의 구형입자로 구성된 다공성 매질의 층류유동에 적용되는 경우에 대한 표현인 수학식 13과 동일한 것을 확인할 수 있다.In this study, the Darcy friction coefficient for porous flow was introduced to the hydraulic diameter and torsion degree of the porous medium proposed in the previous study, and the friction coefficient of the porous flow of Equation 18 and the geometric equivalent permeability relationship of Equation 21 Presented. Since the derived relations are derived through strict mathematical development based on the well-known relations, their validity may be sufficient. However, to confirm this again, and to examine the relationship between the characteristic variables constituting the relation, the comparison with the cozeni-carmen relation was performed. To this end, Equation 21 (b) expressed by the relationship between the friction coefficient f and the Reynolds number Re v in terms of the equivalent void flow path based on the Cozeni-Carmen flow model Model D is used as the basic relational expression. Introduced. Equation (22) can be obtained by incorporating Hizecock's assumption of the hydraulic diameter definition and Carmen's introduction of the torsion degree in the same manner as the cogene-Carmen relation derivation process of Equation (13). In Equation 22, if Cogeni applies the particle shape coefficient relationship C S = 6 and f Re v = 64, which is a combination of the friction coefficient and Reynolds number of the laminar flow for the cylindrical flow path (capillary), Can be obtained. Here, Equation 23 can be confirmed that the Cogeny-Carmen relation is the same as Equation 13, which is an expression for the case that is applied to the laminar flow of the porous medium consisting of spherical particles of the same size.
결과적으로, 본 연구에서 도출된 수학식 21의 기하등가투과도 정의가 적절함을 상기의 비교를 통하여 추가적으로 검증하였다. 이는 역으로, 코제니-카르멘 관계식은 원통형 층류유동을 기준으로 한 마찰계수와 레이놀즈 수 관계 (f Rev = 64)를 정의될 수 있는 특정한 유동에만 한정되어 적용이 가능한 관계식임을 의미하는 결과이다. 실제의 배관유동은 유로의 형상, 표면의 거칠기 및 유로의 축소나 확대 등의 유로의 구조적 변화에 따라 상당히 다양한 유동손실 특성을 갖는다(White, 2001). 유동학적으로 이러한 내부유동의 손실특성을 표현하는 가장 대표적인 방법이 수력직경과 마찰계수의 관계를 기반으로 하는 것이다. 즉, 수력직경이 유동저항을 받는 유로의 표면적을 정량적으로 표현하는 것이라면 마찰계수와 레이놀즈 수 관계는 유동저항의 강도를 정량적으로 표현하는 것으로 이들의 조합을 통해서 유동손실이 적절히 표현될 수 있다. 상대적으로 단순한 기하학적 특성을 갖는 일반적인 유관인 평판, 삼각채널, 동심관 등의 유동학적 해석도 수력직경은 물론 각각의 마찰손실에 대한 정량적 표현이 필수적으로 요구된다. 하물며, 훨씬 복잡한 기하학적 특성을 갖는 다공성 매질의 유동학적 표현이 수력직경만으로 표현되기는 매우 어려우며, 다공질 유로의 비틀림도는 물론 마찰계수를 고려할 수 있도록 표현되는 것이 필수적이다. 결론적으로, 본 연구에서는 마찰계수와 레이놀즈 수 관계를 기반으로 한 기하등가투과도 관계식을 도출함으로써 다공성 매질의 기하학적 특성을 반영하고 유동영역에 무관한 새로운 투과도 산정방법을 제시한 것이다.As a result, it is further verified through the above comparison that the geometric equivalent transmission definition of Equation 21 derived from this study is appropriate. On the contrary, the Cogeny-Carmen relation is a result that is applicable only to a specific flow which can define the friction coefficient and Reynolds number relation (f Re v = 64) based on the cylindrical laminar flow. Actual pipe flows vary considerably depending on the shape of the flow path, roughness of the flow path, and structural changes in the flow path, such as shrinkage or expansion of the flow path (White, 2001). Rheologically, the most representative way to express the loss characteristics of internal flow is based on the relationship between hydraulic diameter and friction coefficient. That is, if the hydraulic diameter is quantitatively expressing the surface area of the flow path subjected to flow resistance, the friction coefficient and the Reynolds number relationship are quantitatively expressing the strength of the flow resistance. Rheological analysis of flat plates, triangular channels, concentric tubes, etc., which are generally related with relatively simple geometrical characteristics, requires quantitative representation of each friction loss as well as hydraulic diameter. Furthermore, it is very difficult for the rheological representation of a porous medium with much more complicated geometrical characteristics to be expressed only by hydraulic diameter, and it is necessary to express the friction coefficient as well as the torsion of the porous flow path. In conclusion, this study proposes a new method of calculating the permeability independent of the flow region by reflecting the geometric characteristics of porous media by deriving the geometric equivalent permeability relationship based on the relationship between friction coefficient and Reynolds number.
그러나 여기서, 수학식 21의 기하등가투과도 관계식의 도출에도 불구하고, 관련된 특성변수에 대하여 중요하게 검토되어야 할 사항이 하나 더 있다. 본 연구에서 다공질 유동의 마찰계수를 도입하고자 한 근본적인 이유는 각 다공성 매질이 가지는 유동학적 특성을 매질의 수력직경과 연계하여 보다 적절히 특성화하고자 함이었다. 이를 위해서는, 수학식 21에서 fu Reu 로 표현되는 마찰계수와 레이놀즈 수 관계가 각 다공성 매질에 대하여서는 고유한 상수 값으로 특정될 수 있어야 한다. 예를 들어, 일반적으로 층류영역에 대한 원통형 배관의 다르시 마찰계수와 레이놀즈 수 관계는 '64'이고, 사각형 채널은 약 '57', 삼각형 채널은 '51' 등과 같이 각각의 고유한 상수 값을 가진다. 아울러, 각각은 동일한 형상의 유로에 대하여서는 층류영역에서는 물론, 유로의 크기가 변화하는 경우에도 변함이 없이 동일한 상수 값으로 유지되어, 수력직경의 차이에 따라서만 유량이 변화하게 된다. 이러한 개념을 다공질 유동에 차용하면, 어떤 특정한 다공질 유동의 fu Reu 관계도 층류영역에서는 다공질 유로(수력직경)의 크기변화에 무관하게 동일한 상수 값을 가져야 하며, 공극률 등의 기하학적 특성의 부분적 변화에 대하여서도 동일한 종류의 매질은 유사한 값으로 유지되어야 한다. 그러나 수학식 17과 수학식 18로 제시된 마찰계수 정의를 살펴보면, 코제니의 수력직경 정의를 기반으로 한 마찰계수 관계는 이러한 관계를 만족시키기에 어려움이 있음을 짐작할 수 있다. 이는 수학식 18을 구성하는 수력직경의 정의가 공극률과 비틀림도와 서로 엄밀히 상관되지 못하여 이러한 관계를 만족할 수 없기 때문이다.However, here, despite the derivation of the geometric equivalent transmittance relation of Equation 21, there is one more matter that should be considered important for the related characteristic variables. The fundamental reason for introducing friction coefficient of porous flow in this study was to characterize the rheological properties of each porous medium in relation to the hydraulic diameter of the medium. For this purpose, the relationship between the coefficient of friction and the Reynolds number represented by f u Re u in Equation 21 must be able to be specified as a unique constant value for each porous medium. For example, the relation between Darcy's coefficient of friction and Reynolds number of cylindrical pipes for laminar flow area is generally '64', and the rectangular channel has its own constant value such as '57' and triangular channel '51'. . In addition, each of the flow paths having the same shape is maintained at the same constant value without change even in the laminar flow region as well as when the flow path size changes, so that the flow rate changes only in accordance with the difference in hydraulic diameter. Employing this concept in porous flows, the f u Re u relation of any particular porous flow should have the same constant value regardless of the size change of the porous flow path (hydraulic diameter) in the laminar flow region, and a partial change in geometric characteristics such as porosity. The same kind of media should be maintained at similar values for. However, looking at the friction coefficient definitions presented in Equations (17) and (18), it can be concluded that the friction coefficient relationship based on Cogeni's hydraulic diameter definition is difficult to satisfy. This is because the definition of the hydraulic diameter constituting Equation 18 does not strictly correlate with the porosity and the degree of torsion and thus cannot satisfy this relationship.
수학식 18의 도출과정을 다시 살펴보면, 수학식 18은 수학식 16으로 도출된 다공질 유동의 마찰계수 관계에 수학식 17에 제시된 코제니의 수력직경 정의와 압력구배 관계 및 카르멘이 비틀림도를 도입하여 수정한 유속관계를 적용하여 도출된 결과식이다. 관련된 도출이력을 살펴보면, 우선 코제니가 다공성 매질의 수력직경을 정의하고 비틀림도의 개념을 새롭게 제안하여 압력구배항을 변형하였다. 이후, 카르멘은 코제니의 비틀림도 개념을 압력구배항은 물론 유속항에도 추가적으로 적용하여 코제니-카르멘 관계식을 제시하였다. 결과적으로, 코제니와 카르멘은 다공성 매질에 대한 비틀림도 개념을 유속항과 압력구배항에 성공적으로 도입하였으나, 이때 수력직경의 정의도 공극률은 물론 비틀림도와도 엄밀히 상관되어야 함에도 불구하고 비틀림도 도입에 따른 수력직경에 대한 새로운 정의는 제시하지 못하였다. 이에, 본 연구에서는 다공성 매질의 수력직경을 비틀림도와 상관시켜 변형한 새로운 정의를 제시하고, 이를 통해 수학식 18과 수학식 21로 제시된 다공성 매질의 마찰계수 및 등가투과도 관계식의 완결성을 제고하고자 시도하였다.Looking back at the derivation process of Equation 18, Equation 18 introduces Cogeni's hydraulic diameter definition, pressure gradient relationship, and Carmen's torsion degree to the friction coefficient relationship of the porous flow derived from Equation 16. It is the result derived from applying the modified flow rate relationship. In the related derivation history, Cogeni first defined the hydraulic diameter of the porous medium and newly proposed the concept of the torsion degree to modify the pressure gradient term. Later, Carmen applied Cozeni's torsional concept to pressure gradient terms as well as flow rate terms to suggest the Cozeni-Carmen relation. As a result, Cogeni and Carmen successfully introduced the concept of torsion for porous media into the velocity and pressure gradient terms, but the definition of hydraulic diameter must be closely correlated with the torsionality as well as the porosity. A new definition of hydraulic diameter was not presented. Therefore, in this study, a new definition is proposed in which the hydraulic diameter of a porous medium is correlated with the torsional degree, and through this, an attempt was made to improve the completeness of the friction coefficient and equivalent permeability relationship of the porous medium represented by Equations 18 and 21. .
표 1의 (C), (D) 혹은 (E)로 제시된 유동모델을 살펴보면, 비틀림도의 증가는 등가 공극유로의 길이 증가를 의미하고, 대상 매질의 공극률은 변화될 수 없으므로 그 결과는 수력직경의 변화로 귀결되어야 한다. 그러므로, 다공성 매질의 비틀림도는 코제니와 카르멘이 제시한 것과 같이 유동의 속도와 압력구배와 상관됨은 물론 수력직경과도 상관되어야 한다. 결과적으로, 다공성 매질의 비틀림도를 고려한 수력직경(DhT)은 공극률과 비틀림도 및 수력직경의 기본적인 상관관계로부터 수학식 24와 같이 제시될 수 있다. 다시 말해, 다공질 유동의 등가 유동모델(모델 B 그리고 수학식 24의 기호 Φ1)인 직선형 원통관에서의 공극률(Φ = Ah L/Vb)은 비틀림도 변화를 고려하는 모델(모델 C, D, E 그리고 수학식 24의 기호 Φ2)에 적용되는 경우에도 동일한 공극률(Φ = AhT Le/Vb)로 유지되어야 하므로, 이러한 관계를 통하여 수학식 25의 수력직경(DhT)이 도출되었다. 본 연구에서, 수학식 25는 다공성 매질의 비틀림도를 고려하여 새롭게 정의된 수력직경으로, 일반적인 수력직경과 구분하기 위해서 '비틀림 수력직경(DhT, Tortuous Hydraulic Diameter)'으로 명명하였다.Looking at the flow models presented in Table 1 (C), (D) or (E), the increase in torsion means the increase in the length of the equivalent pore channel, and the porosity of the target medium cannot be changed. Must result in a change of Therefore, the degree of torsion of the porous medium should be correlated not only with the flow velocity and pressure gradient, but also with the hydraulic diameter as suggested by Cogeny and Carmen. As a result, the hydraulic diameter D hT in consideration of the degree of torsion of the porous medium may be represented by Equation 24 from the basic correlation between the porosity and the degree of torsion and the hydraulic diameter. In other words, the porosity (Φ = A h L / V b ) in a straight cylindrical tube, which is the equivalent flow model of porous flow (model B and symbol Φ1 in Equation 24), is a model that considers torsional variation (models C and D). , E, and even when applied to the symbol Φ 2 of Equation 24, the same porosity (Φ = A hT L e / V b ) must be maintained, so the hydraulic diameter D hT of Equation 25 is derived through this relationship. . In this study, the equation (25) is a newly defined in consideration of the twist of the porous medium is also the hydraulic diameter, was named the "twist hydraulic diameter (D hT, Tortuous Hydraulic Diameter), in order to distinguish it from general hydraulic diameter.
예를 들어, 상기 비틀림 수력직경(DhT) 정의에 포함된 다공성 매질의 수력직경(Dh) 정의에 있어, 수학식 6, 수학식 7, 및 수학식 8 등과 같은 코제니 수력직경, 이를 변형한 형태 및 기타 기존에 공개된 수력직경을 적용하여 비틀림 수력직경을 산정하는 경우에는 다음과 같다.For example, in the definition of the hydraulic diameter (D h ) of the porous medium included in the torsional hydraulic diameter (D hT ) definition, the co-Zeni hydraulic diameter, such as Equation 6, Equation 7, and Equation 8, modified In case of calculating the torsional hydraulic diameter by applying one type and other previously disclosed hydraulic diameter, it is as follows.
이에 따라, 마찰계수 정의에 관한 수학식 17은 수학식 25의 관계를 기반으로 다시 수정되어야 한다. 다공성 매질의 유동학적 관점에서의 마찰계수 정의인 '다공질 유동의 마찰계수(f, Friction Factor of Porous Flow)'의 최종적인 정의를 수학식 26과 같이 도출할 수 있다. 이때, 다공성 매질의 거시적 관점(매질을 통과하는 겉보기 유속)에서의 매질의 평균유속(u)과 매질의 직선길이당 압력강하(P/L)를 기준으로 한 겉보기 마찰계수가 정의될 수 있다. 본 연구에서는, 이를 별도로 '다공성 매질의 마찰계수(fuT) (Friction Factor of Porous Media)'로 정의하여 다공질 공극유로들의 평균 유속(v)을 기반으로 한 유동의 마찰계수(fvT)와 구분하고 보다 실용적인 접근을 위한 새로운 특성변수로 제시하였다. 마찰계수에 더불어, 다공질 유동특성 규명에 필수적인 인자는 레이놀즈 수이다. 따라서, 수학식 25의 비틀림 수력직경 정의를 다시 도입하면, 다공질 유동에 대한 레이놀즈 수는 수학식 27과 같이 정의될 수 있다.Accordingly, Equation 17 regarding the friction coefficient definition should be modified again based on the relationship of Equation 25. The final definition of the Friction Factor of Porous Flow (f), which is the definition of the friction coefficient from the rheological point of view of the porous medium, can be derived as shown in Equation 26. In this case, the apparent friction coefficient may be defined based on the average flow velocity (u) of the medium and the pressure drop per linear length (P / L) of the medium in the macroscopic view of the porous medium (the apparent flow rate through the medium). In this study, it separately, of the porous medium friction coefficient (f uT) (Friction Factor of Porous Media) "defined by the friction coefficient of the flow based on the average flow velocity (v) of the porous void passage in (f vT) and separated And as a new characteristic variable for a more practical approach. In addition to the coefficient of friction, an essential factor in characterizing porous flow is the Reynolds number. Thus, re-introducing the torsional hydraulic diameter definition of Eq. 25, the Reynolds number for the porous flow can be defined as Eq.
다음으로, 비틀림 수력직경을 기반으로 한 다공성 매질의 마찰계수와 레이놀즈 수의 관계를 수학식 28과 같이 정리하면, 다공질 유동의 특성변수 상관관계를 엄밀하고 다공질 유동에 확장적용이 가능하게 일반화된 다르시-바이스바흐 마찰유동 관계식(Darcy - Weisbach 관계식)인 수학식 28을 도출할 수 있다. 마지막으로, 최종적인 기하등가투과도 관계식의 도출하고자 수학식 20의 도출과정과 동일하게 수학식 27을 다르시-바이스바흐 관계식과 상관시키면 최종 기하등가투과도 관계를 표현하는 수학식 29를 얻을 수 있다.Next, the relationship between the friction coefficient and the Reynolds number of the porous medium based on the torsional hydraulic diameter can be summarized as shown in Equation 28. Equation 28, which is the Weisbach friction flow relation (Darcy-Weisbach relation) can be derived. Finally, in order to derive the final geometric equivalent transmission relation, Equation 27 representing the final geometric equivalent transmission relation can be obtained by correlating Equation 27 with the Darcy-Weisbach relation in the same manner as in the derivation of Equation 20.
결과적으로, 수학식 28의 (b)는 일반적인 배관유동에서의 다르시 마찰유동 관계식과 동일한 형태를 가짐을 알 수 있다. 이는 동일한 기하학적 특성을 가진 배관 또는 매질에 대하여 fuT ReuT의 형태로 제시된 다르시 마찰계수 - 레이놀즈 수 관계가 고유한 상수 값을 가지게 됨을 의미한다. 다시 말해, 본 연구에서 도출한 수학식 28은 다공질 유동으로도 확장 적용이 가능한 일반화된 마찰유동 관계식으로 어떤 다공성 매질 또는 배관의 유동손실특성을 고유한 fuT ReuT 값과 DhT 로 특정할 수 있다. 이는 투과도와 같은 다공질 유동특성을 지배하는 특성변수를 추가적으로 제시하고 각각의 정의와 상관관계를 엄밀하게 제시하였다는 점에서 의의가 있다. 예를 들어, 공극률과 비표면적 등이 알려진 경우는, 다공질 유동해석에서 다양하게 요구되는 수력직경이나 fuT ReuT 값 및 투과도 등의 변수가 근사적으로 추정될 수 있다. 나아가, 동일한(유사한) 매질에서 공극률과 같은 기하학적 특성변수나 유동조건이 변화되는 경우에도 투과도 변화를 근사하게 산정할 수 있는 이론적 기반을 제공한 것도 의미가 크다. 이러한 활용이 가능한 것은 근본적으로 수학식 28과 수학식 29가 유로의 크기변화는 물론, 유동영역에 무관하게 대상 매질의 유동손실 특성을 표현할 수 있는 'fuT ReuT' 관계를 기반으로 하기 때문으로, 기하등가투과도 적용을 통한 투과도 산정과정은 다음 장에서 적용사례 검토를 통하여 제시하고자 한다.As a result, it can be seen that Equation 28 (b) has the same form as the Darcy frictional flow relation in general pipe flow. This means that the Darcy friction coefficient-Reynolds number relationship presented in the form of f uT Re uT has a unique constant value for pipes or media having the same geometrical properties. In other words, Equation 28 derived from this study is a generalized frictional flow equation that can be extended to porous flows, and the flow loss characteristics of any porous medium or pipe can be specified by the unique f uT Re uT value and D hT . have. This is meaningful in that it additionally presents the characteristic variables that govern the porous flow characteristics such as permeability and strictly suggests each definition and correlation. For example, when porosity and specific surface area are known, variables such as hydraulic diameter, f uT Re uT value and permeability, which are variously required in the porous flow analysis, can be estimated approximately. Furthermore, it is significant to provide a theoretical basis to approximate changes in permeability even in the case of changing geometric characteristics such as porosity or flow conditions in the same (similar) media. This is possible because Equation 28 and Equation 29 are based on the 'f uT Re uT ' relationship, which can express the flow loss characteristics of the target medium regardless of the flow size as well as the size of the flow path. In the next chapter, we propose the process of calculating permeability through geometric equivalent transmission.
CFD 시뮬레이션을 통한 기하등가투과도 관계식들의 유효성 및 적용성 검토Examination of the validity and applicability of geometrically equivalent transmittance relations through CFD simulation
도 1는 셰일 구조에서의 구형 입자들로 채워진 단순 균열을 가정한 세가지 분석 모델들을 도시한다. (a)는 50% 공극 모델이고, (b)는 40% 공극 모델이고, (c)는 60% 공극 모델이다.Figure 1 shows three analytical models assuming a simple crack filled with spherical particles in a shale structure. (a) is a 50% void model, (b) is a 40% void model, and (c) is a 60% void model.
도 2는 CFD 시뮬레이션으로부터 평균 속도 0.0822 m/s에서의 세가지 단순 균열 모델의 압력 등고선(pressure contours) 및 유선들(streamlines)을 도시한다. (a)는 50% 공극 모델이고, (b)는 40% 공극 모델이고, (c)는 60% 공극 모델이다.FIG. 2 shows the pressure contours and streamlines of the three simple crack models at an average velocity of 0.0822 m / s from CFD simulation. (a) is a 50% void model, (b) is a 40% void model, and (c) is a 60% void model.
본 장에서는 본 연구에서 도출된 다공성 매질의 마찰계수, 비틀림 수력직경 및 기하등가투과도 관계식을 기반으로 한 다공질 유동의 특성변수 산정과 상관관계 규명 방안을 수압파쇄 균열에 대한 적용사례를 통해 제시하고자 하였다. 이를 위해, 지지체가 복합된 단순한 평판형태의 수압파쇄 균열을 가상하고, 지지체 밀도변화에 따른 공극률 변화와 압력구배 차이에 따른 유동특성 변화에 대한 전산유체역학(CFD, Computational Fluid Dynamics) 해석을 수행한 후, 동일한 대상에 대한 기하등가투과도 해석결과를 비교 검토하였다. 수압파쇄균열 해석모델은 도 1에 제시된 바와 같이 평행한 두 평판 사이에 매끈한 구형 구슬들을 채워 세 가지의 다른 공극률을 가지도록 구성하였다. 이 때, 동일한 종류의 매질(암상, 파쇄균열)에서의 공극률 변화와 유동영역 천이에 따른 영향만을 검토하고자 입자 배열과 분포 및 크기는 최대한 유사하게 유지되도록 설정하였다. 도 1과 같이, 두 평행 평판 사이에 동일한 직경을 가진 구형 입자로 채원진 공극률 50%의 다공성 매질을 기준 균열모델(a)로 하고, 크고 작은 세 가지 구형 입자로 채워진 공극률 40%의 균열모델(b)와, 모델(a)와 동일한 크기의 구형 입자가 성기게 채워져 공극률이 60%인 균열모델(c)의 세 가지 모델로 구분하였다. 두 평행 평판의 제원은 가로, 세로 길이가 1 mm (L)× 1 mm (W)로 동일하고, 상부와 하부의 두 평판은 수직으로 0.1 mm (H) 간격을 갖는 것으로 세 모델에서 모두 같다. 그러나, 평판 내부에 채워진 구형 입자의 크기와 수량은 각각 다르게 설정하여 각 모델의 공극률 조건을 만족하게 하였다. 모델(a)의 경우는 0.098 mm 단일 직경 구슬이 100개로, 공극률 50%인 것을 가정한 기준모델이며, 모델(b)의 경우는 직경 0.098 mm 가 100개, 0.048 mm 가 162개 및 0.014 mm가 324 개로, 총 세 종류의 구슬이 사용된 공극률 40% 모델이고, 모델(c) 는 기준모델과 동일한 0.098 mm 단일 직경 구슬이 81개 사용되어 공극률이 60%인 모델로 설정되었다.In this chapter, we propose a method to calculate and correlate the characteristic variables of porous flows based on the friction coefficient, torsional hydraulic diameter, and geometric equivalent permeability relationship of the porous media derived from this study. . To this end, we simulate a simple plate-type hydraulic fracturing crack in which a support is combined, and perform Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis on the change of porosity according to the support density and the change of flow characteristics according to the pressure gradient. After that, the results of the analysis of geometric equivalent permeability for the same object were compared. The hydraulic fracturing crack analysis model was configured to have three different porosities by filling smooth spherical beads between two parallel plates as shown in FIG. 1. At this time, the particle arrangement, distribution, and size were set to be kept as similar as possible in order to examine only the effect of the porosity change and the flow zone transition in the same type of media (rock phase, fracture crack). As shown in FIG. 1, a porous medium having a porosity of 50% filled with spherical particles having the same diameter between two parallel plates is used as a reference crack model (a), and a crack model having a porosity of 40% filled with three large and small spherical particles ( b) and spherical particles of the same size as model (a) were coarsely filled into three models of crack model (c) having a porosity of 60%. The dimensions of the two parallel plates are equal in width and length in the length of 1 mm (L) x 1 mm (W), and the upper and lower plates are vertically 0.1 mm (H) in all three models. However, the size and quantity of spherical particles filled in the plate were set differently to satisfy the porosity condition of each model. The model (a) is a reference model assuming that there are 100 0.098 mm single diameter beads and 50% porosity.In the case of model (b), 0.098 mm diameter is 100, 0.048 mm is 162 and 0.014 mm 324 pieces, a 40% porosity model using a total of three beads, model (c) was set to a model with a porosity of 60% using 81 0.098 mm single diameter beads, the same as the reference model.
대상 유체는 본 연구가 셰일가스 저류층에 주안점을 두고 있는 점을 감안하여 기체상태의 순수 메탄으로 가정하였으며, 밀도는 0.6679 kg/s, 점성은 0.00001087 kg/ms로 설정하였다. CFD 모델링과 해석은 Ansys - Fluent 상용 CFD 시뮬레이션 소프트웨어를 기반으로 정상상태(steady state) 해석을 수행하였으며, 해석 격자의 크기가 마이크로미터 수준으로 매우 작은 까닭에 DNS(Direct Numerical Simulation) 해석방법을 도입하였다. 이 때, 마이크로 스케일에서의 표면 거칠기 고려에 대한 이론적 정립이 현재까지는 불완전하여 적절한 모델을 사용할 수 없으므로, 본 해석에서는 고체입자 및 평판의 표면은 완전히 매끄럽고 등온상태인 것으로 가정하였다. 2차의 상류도식 공간차분 (2nd Order Upwind Spatial Discretization Scheme)을 적용하였고, 압력-속도 상관도식(Pressure-Velocity Coupling Scheme)으로는 SIMPLE 방법을 사용하였다. CFD 해석은 공극률이 다른 세 종류의 수압파쇄 균열모델에 대하여 다섯 가지의 유량조건을 동일하게 부가하여, 층류에서 난류영역에 이르는 다섯 가지 레이놀즈 수 범위에 대하여 수행되었다. 도 2는 평균유속 0.0822 m/s인 유량조건에 있는 경우에 대한 각 모델의 CFD 해석 결과로, 해당 모델의 유동양상에 대한 이해를 돕기 위해 각각의 압력과 유선 및 유속분포를 도시한 것이다.The target fluid was assumed to be gaseous pure methane, considering that this study focuses on the shale gas reservoir, the density was set to 0.6679 kg / s and the viscosity to 0.00001087 kg / ms. CFD modeling and analysis is based on steady-state analysis based on Ansys-Fluent commercial CFD simulation software, and the DNS (Direct Numerical Simulation) method is introduced because the size of the analysis grid is very small at micrometer level. . At this time, since the theoretical formulation of the surface roughness consideration at the micro-scale is incomplete until now, an appropriate model cannot be used, this analysis assumes that the surfaces of the solid particles and the flat plate are completely smooth and isothermal. The 2nd Order Upwind Spatial Discretization Scheme was applied, and the SIMPLE method was used as the Pressure-Velocity Coupling Scheme. CFD analyzes were performed for five Reynolds number ranges from laminar to turbulent, adding the same five flow conditions to three types of hydraulic fracturing crack models with different porosities. FIG. 2 is a CFD analysis result of each model in the case of a flow condition having an average flow rate of 0.0822 m / s, and shows pressures, streamlines, and flow rate distributions to help understand the flow patterns of the models.
표 2은 공극률 50%의 기준 모델 (a)의 CFD 시뮬레이션 및 GEP 분석결과들이다.Table 2 shows the CFD simulation and GEP analysis results of the reference model (a) having a porosity of 50%.
수압파쇄 균열모델에 대한 해석결과의 고찰과 기하등가투과도 적용방안 검토를 위해, 본 검토의 기준모델인 공극률 50%의 모델(a)의 해석결과를 먼저 검토하여 보자. 모델(a)에 대한 주요 CFD 해석 결과는 표 2의 좌측 부분에 제시되어 있고, 이에 대한 기하등가투과도 해석결과는 표의 우측부분에 구분하여 제시하였다. CFD 해석을 통하여 해당 매질에 다섯 종류의 질량유량이 흐를 때의 각각의 압력강하를 먼저 도출하였고, 이를 기반으로 각 해석케이스의 투과도를 다르시 관계식을 활용하여 계산하였다. 다음으로, 본 연구에서 도출된 기하등가투과도 관계식 해석을 위해서는 대상 매질에 대한 비틀림 수력직경 기반의 다르시 마찰계수와 레이놀즈 수 관계, fuT ReuT 가 필수적으로 산정되어야 한다. 이를 위해, 본 검토에서는 기준매질로 선정된 공극률 50%의 모델(a)에 대한 CFD 해석 결과를 활용하였다. 향후, 실제 현장에서의 해석을 위해서는, 최소한 하나 이상의 기준 매질(지층)에 대한 fuT ReuT 가 실험적 혹은 해석적 방법을 통하여 산출되는 것이 필수적이다. 만약, 이러한 기준 값을 산정할 수 없는 경우라면, 해당 매질과 유사한 매질 혹은 인근 지역의 지층에 대한 기존 실험 및 해석 결과를 활용하여 근사적 추정을 수행할 수 있다.In order to consider the analysis results for the hydraulic fracturing crack model and to examine the application of geometric equivalent permeability, the analysis results of the model (a) with a porosity of 50%, which is the reference model of the present study, will be reviewed first. The major CFD analysis results for model (a) are presented in the left part of Table 2, and the geometric equivalent permeability analysis results are presented in the right part of the table. Through CFD analysis, the pressure drop of each of the five mass flows in the medium was derived first. Based on this, the permeability of each analysis case was calculated using the differential equation. Next, in order to analyze the geometric equivalent permeability relations derived from this study, the torsional hydraulic diameter-based Darcy friction coefficient, Reynolds number relation, and f uT Re uT must be estimated. For this purpose, this study utilized the CFD analysis results for the model (a) with a porosity of 50%. In the future, for real field analysis, it is essential that f uT Re uT for at least one reference medium (stratum) be calculated through experimental or analytical methods. If this reference value cannot be calculated, an approximate estimate can be made using existing experimental and analytical results for a medium similar to that medium or for strata in nearby areas.
수학식 28 혹은 수학식 29에 제시된 바와 같이, 기하등가투과도 관계식에 기반한 투과도 산정을 위해서 요구되는 또 하나의 필수적인 인자는 대상 매질의 비틀림 수력직경, DhT이다. 비틀림 수력직경은 코제니가 정의한 기본적인 다공성 매질의 수력직경 정의에 비틀림도를 복합한 것이므로 일반적인 수력직경 계산을 위한 관계식을 활용하여 도출할 수 있다. 기본적인 다공성 매질의 수력직경 정의는 수학식 6과 같고 이를 구형입자를 대상으로 정의한 것은 수학식 8에 제시된 바가 있다. 본 해석에서는 이들 정의를 도입하고자 (a), (b), (c) 각 모델에 대한 공극 체적(Vp), 입자 표면적(ES) 등을 계산하고, 각 모델의 비표면적과 비틀림 수력직경을 산출하여 표 3에 정리하였다. (이 때, 각 모델의 표면적(Eb) 계산은 매질 내부의 입자 표면적은 물론 상하부 평판을 포함하여 산출하였고, 입자 평균직경의 산출을 위한 입자 형상계수, CS 는 구형을 기준으로 하여 코제니 관계식과 동일하게 '6'으로 설정하였다.)As shown in Equation 28 or Equation 29, another essential factor required for the calculation of permeability based on the geometrical permeability relationship is the torsional hydraulic diameter D hT of the target medium. The torsional hydraulic diameter is a combination of the torsion degree and the hydraulic diameter definition of the basic porous media defined by Cogeni, and can be derived by using the relational formula for calculating the general hydraulic diameter. The definition of the hydraulic diameter of the basic porous medium is shown in Equation 6, and the definition of this as a spherical particle has been presented in Equation 8. In this analysis, to introduce these definitions, (a), (b) and (c) calculate the void volume (V p ) and the particle surface area (E S ) for each model, and the specific surface area and torsional hydraulic diameter of each model. Was calculated and summarized in Table 3. In this case, the surface area (E b ) of each model was calculated to include the upper and lower plates as well as the particle surface area in the medium, and the particle shape coefficient for calculating the average particle diameter, C S, was determined based on the spherical shape. It is set to '6' in the same way as relational expression.)
표 3은 각각의 모델에 대한 비틀림 수력직경을 포함하는 기하학적 변수들이다.Table 3 shows the geometric parameters including the torsional hydraulic diameter for each model.
최종적인 비틀림 수력직경의 계산을 위해서는 수학식 25에 제시된 바와 같이 도출된 기본 수력직경 정의에 비틀림도 관계가 부가되어야 한다. 카르멘은 당시에 대상 매질에 대한 비틀림도를 히치콕의 가정을 기반으로, 의 관계를 적용하였다. 그러나 최근의 연구에서, 비틀림도는 공극률의 함수로 표현되는 것이 보다 적절한 것으로 밝혀져 있으며, 최근까지 많은 선행연구자들에 의한 다양한 방법이 제안되어 있다. 그 중, 아치(Archie)에 의해 정의된 지층계수(Formation Factor)와 비저항지수(Resistivity Index)의 상관을 통해 계산하는 방법이 가장 신뢰받는 대표적인 방법으로, 제안된 비틀림도 관계식은 수학식 30에 제시된 것과 같다(Bear, 1975). 이에, 본 해석에서도 수학식 30의 정의를 도입하였고, 고결인자(cementation factor, m) 값으로는 본 검토에 고려된 지지체 입자가 사암입자와 크기가 유사하고, 미고결 상태로 설정된 점을 감안하여, m = 2 로 설정하였다. 결과적으로 본 해석의 비틀림도는 T = Φ 의 관계로 귀결되며, 이는 카르멘(Carman, 1937)이 적용사례로 도입하였던 공극률 40% 매질에 대한 히치콕의 가정과도, 의 관계로, 동일한 결과를 보여 적절한 것으로 판단되었다.To calculate the final torsional hydraulic diameter, the torsion degree relationship must be added to the basic hydraulic diameter definition derived as shown in Eq. Carmen based on Hitchcock's assumption that the torsion for the target medium at the time, The relationship of was applied. In recent studies, however, it has been found that the degree of torsion is more appropriately expressed as a function of porosity, and various methods have been proposed by many leading researchers until recently. Among them, the most reliable method is to calculate the correlation between Formation Factor and Resistance Index defined by Archie, and the proposed torsional relationship is shown in Equation 30. (Bear, 1975). In this analysis, the definition of Equation 30 was also introduced in this analysis, and considering the cementation factor (m) value, the support particles considered in this study were similar in size to the sandstone particles and set to an unsolidified state. , m = 2. As a result, the degree of torsion of this analysis results in the relationship T = Φ, which is the case with Hitchcock's assumptions about 40% porosity media introduced by Carmen (Carman, 1937). In relation, the same results were judged to be appropriate.
마지막으로, 표 3에서 도출된 각 공극률 모델에 대한 비틀림 수력직경에 기반하여, 각 모델의 각 해석케이스에 대한 레이놀즈 수, ReuT 가 계산될 수 있다. 또한, CFD 해석을 통해 산출된 압력구배, 유속 등의 유동변수들과 연계하면, 본 해석의 기준모델인 공극률 50%의 모델(a)의 마찰계수, fuT 를 수학식 26을 통해서 도출할 수 있다. 모델(a)의 각 해석조건에 대한 fuT ReuT 와 fu Reu 해석 결과는 표 2의 우측 부분에 제시되어 있으며, 투과도는 산출된 fuT ReuT 와 fu Reu 를 기반으로 각각 수학식 29과 수학식 21을 통해서 다시 계산될 수 있다. 여기서, 재산정된 투과도가 CFD 해석과 동일한 결과를 가지는 것은 당연하며, 단지 수행된 계산을 검증하고 각 특성변수간의 상관관계 성립을 확인하기 위해서 제시되었다. 오히려, 여기서는 산출된 fuT ReuT 와 fu Reu 값이 다공질 유동의 층류 영역(ReuT ≤ 1)에서는 거의 일정한 각각의 상수로 유지된다는 점에 주목할 필요가 있다. 역으로, 이는 균열 모델(a)의 임계 레이놀즈 수가 대략 ReuT ~1의 범위에 있음을 짐작하게 하는 것으로, 여러 선행연구에서 제시된 다공질 유동의 임계 레이놀즈 수와 유사한 범위에 있음을 알 수 있다(Rose, 1945; Bear, 1975; Nield & Bejan, 1992).Finally, based on the torsional hydraulic diameter for each porosity model derived from Table 3, the Reynolds number, Re uT , for each analysis case of each model can be calculated. In addition, in connection with flow variables such as pressure gradient and flow velocity calculated through CFD analysis, the coefficient of friction, f uT , of model (a) with a porosity of 50%, which is the reference model of this analysis, can be derived from Equation 26. have. The f uT Re uT and f u Re u analysis results for each analysis condition of the model (a) are presented in the right part of Table 2, and the transmittances are based on the calculated f uT Re uT and f u Re u , respectively. Equation 29 and Equation 21 can be recalculated. It is natural here that the recalculated permeability has the same result as the CFD analysis, and is presented only to verify the calculations performed and to confirm the correlation between each characteristic variable. Rather, it should be noted here that the calculated f uT Re uT and f u Re u values remain at their respective constants substantially constant in the laminar flow region (Re uT ≦ 1) of the porous flow. Conversely, this assumes that the critical Reynolds number of the crack model (a) is approximately in the range of Re uT ˜1 , which can be seen to be in the range similar to the critical Reynolds number of porous flows presented in several previous studies (Rose). , 1945; Bear, 1975; Nield & Bejan, 1992).
이상의 공극률 50%의 기준모델에 대한 검토과정을 통하여, 수학식 25와 수학식 26을 기반으로 다공질 유동의 핵심적인 특성변수인 비틀림 수력직경과 이를 기반으로 한 마찰계수와 레이놀즈 수의 상관관계가 적절히 규명될 수 있고, 수학식 28 또는 수학식 29을 통해서 투과도가 적절히 산정될 수 있음을 확인하였다. 다음으로는 해석대상 매질의 공극률이 변화되는 경우, 즉 유사한 종류의 입자 형상과 분포 특성을 가지나 공극률이 다른 경우에 대한 적용방안을 검토하고자 하였다. 이는 수압파쇄 균열이 생산기간의 경과에 따른 지층응력 변화로 점차적으로 닫히는 경우나, 주변 암석의 경도가 낮아져 지지체가 함몰되는 경우 등을 가상한 것이다. 도 1에서 보듯이, 모델(b)와 (c)는 모델(a)와 입자의 형상과 배열 구조가 거의 유사하나 공극률이 다른 경우를 가상한 모델이다. 모델(b)는 공극률의 감소를 위해서는 내부에 작은 두 종류의 구형입자를 추가한 경우이며, 모델(c)는 모델(a)와 동일한 크기의 입자를 가지나 공극률 증가를 달성하고자 구슬의 수량을 줄여 배치한 모델이다. 실제 수압파쇄 균열의 지지체 분포나 일반적인 다공성 매질의 입자분포는 본 모델들에 비하여 구조적으로 훨씬 복잡할 것이다. 그러나, 오히려 이러한 복잡성 덕분으로 동일한 종류의 실제 매질(지층, 파쇄균열)은 입자의 크기, 형태, 배열 등과 같은 공극 구조는 오히려 높은 유사성을 가질 것이므로, 공극률 등이 변화하는 경우에도 기하학적 특성의 변화는 극단적이지 않아 이러한 접근은 실제 매질에 대하여서도 충분히 유효할 것으로 생각된다.Through the review process of the reference model with the porosity of 50%, the torsional hydraulic diameter, which is a key characteristic variable of porous flow, and the correlation between the friction coefficient and Reynolds number based on the equations 25 and 26 are properly It was confirmed that the permeability can be properly calculated through Equation 28 or Equation 29. Next, the application method for the case where the porosity of the medium to be analyzed is changed, that is, having similar particle shape and distribution characteristics but different porosity is examined. This simulates the case where the hydraulic fracturing cracks are gradually closed due to the change of the strata stress over the course of the production period, or the support is crushed due to the decrease of the hardness of the surrounding rock. As shown in Fig. 1, models (b) and (c) are models that simulate the case where the shape and arrangement of the particles (a) and particles are almost similar, but the porosity is different. Model (b) adds two small spherical particles inside to reduce porosity, and model (c) has the same size as model (a) but reduces the number of beads to achieve an increase in porosity. The model you placed. The actual distribution of the support of the hydraulic fracturing cracks or the particle distribution of the general porous medium will be much more structurally complex than the models. However, due to this complexity, the same kind of actual media (stratum, fracture cracks) will have a higher similarity in pore structure such as particle size, shape, arrangement, etc. It is not extreme that this approach is considered to be valid enough for the actual medium.
표 4는 공극률 40%의 기준 모델 (b)의 CFD 시뮬레이션 및 GEP 분석결과들이다.Table 4 shows the results of CFD simulation and GEP analysis of the reference model (b) with a porosity of 40%.
표 5는 공극률 60%의 기준 모델 (c)의 CFD 시뮬레이션 및 GEP 분석결과들이다.Table 5 shows CFD simulation and GEP analysis results of the reference model (c) with a porosity of 60%.
표 4는 공극률 40%의 모델(b)에 대한 CFD 해석과 기하등가투과도 해석 결과를 정리한 것이고, 표 5는 공극률 60%의 모델(c)의 해석 결과를 정리한 것이다. 표 4와 표 5의 좌측 부분은 두 모델의 각 유량조건에 대한 CFD 해석 결과를 정리한 것이고, 우측 부분은 모델(a)의 경우와 동일한 과정을 통하여 각 해석케이스에 대한 비틀림 수력직경과 마찰계수 - 레이놀즈 수 관계 등을 산출하여 제시한 것이다. 아울러, 수학식 29로 제시된 기하등가투과도 관계식을 적용한 각 모델의 유량조건에 대한 투과도의 산정 결과를 각 표의 우측에 제시하였다. 여기서, 층류영역에 대한 각 해석모델의 유동손실을 표현하는 fuT ReuT 관계가 모델(a)에서 165, 모델(b)는 169, 모델(c)는 157로, 각 모델간에 10~20% 수준의 상당한 공극률 변화를 동반함에도 불구하고 거의 일정하게 유지되고 있음을 확인할 수 있다. 이 때, GEP 관계식을 기반으로 산정된 투과도는 공극률 차이에 따른 각 유사 모델간의 약간의 기하학적 특성 차이에 따라 2~3% 수준의 미미한 차이는 나타나나, 도출된 fuT ReuT 관계가 유사한 모델에 대하여 유사하게 유지됨을 확인하기에는 충분한 결과를 보였다. 반면, 다공질 유동의 마찰계수와 Reynolds 수 관계인, fu Reu 는 층류영역에서 203에서 268까지 약 30% 이상 크게 변화되고 있는 점을 주목할 필요가 있다. 이는, 수학식 21으로 제시된 기하등가투과도의 최초 정의가 코제니 수력직경을 기반으로 함에 따라, 공극률에 대한 비틀림도와 수력직경의 관계를 엄밀히 만족시키지 못한 것에 기인된 것이다. 결과적으로, 본 연구에서는 일반적인 배관유동의 f Re 기반의 유동해석 기법을 다공질 유동해석에 확장, 적용하고자 fuT ReuT 관계에 기반한 기하등가투과도 관계식 및 관련 특성변수 정의와 관계식들을 성공적으로 도출하였다. 또한, 새롭게 정의된 fuT ReuT 가 유사한 매질에 대하여 고유한 상수로 적절히 특정되어짐을 본 CFD 검토를 통하여 확인하였다.Table 4 summarizes the CFD analysis and the geometric equivalent transmittance analysis results for the model (b) with 40% porosity, and Table 5 summarizes the analysis results for the model (c) with 60% porosity. The left part of Table 4 and Table 5 summarizes the CFD analysis results for each flow condition of the two models, and the right part is the torsion hydraulic diameter and coefficient of friction for each analysis case through the same process as the model (a). -The Reynolds number relationship is calculated and presented. In addition, the results of calculating the permeability for the flow conditions of each model to which the geometric equivalent permeability relation equation presented by Equation 29 is applied are shown on the right side of each table. Here, the f uT Re uT relationship representing the flow loss of each analytical model for the laminar flow region is 165 in model (a), model (b) is 169, model (c) is 157, and 10 to 20% between each model. It can be seen that, despite the significant porosity change of the level, it remains almost constant. At this time, the transmission rate calculated based on the GEP relational expression is a little subtle differences in 2-3% levels based on the geometry of the difference is the indicated or, derived f uT Re uT relationship among the similar model, according to the porosity difference similar model Sufficient results were confirmed to confirm that they remained similar. On the other hand, it should be noted that f u Re u, which is the relationship between the friction coefficient of the porous flow and the Reynolds number, varies greatly by about 30% from 203 to 268 in the laminar flow region. This is due to the fact that the initial definition of the geometric equivalent transmittance presented by Equation 21 is based on the Cozeni hydraulic diameter, which does not strictly satisfy the relation between the torsion and the hydraulic diameter for the porosity. As a result, this study successfully derived geometric permeability relations and related characteristic variable definitions and relations based on the f uT Re uT relationship in order to extend and apply the f Re-based flow analysis technique to the general flow analysis. In addition, it was confirmed through this CFD review that the newly defined f uT Re uT is properly specified as a unique constant for similar media.
이상의 논의를 바탕으로, 모델(a)의 기준매질과 유사한 기하학적 특성을 가진 모델(b)와 (c)의 fuT ReuT 는 모델(a)와 유사한 값으로 유지되는 것으로 가정될 수 있다. 따라서, 모델(b)와 (c)의 기하등가투과도는 모델(a)의 fuT ReuT 값인 약 165를 준용하고, 각 모델의 공극률 변화에 따른 비틀림 수력직경 변화만을 수학식 25로 별도로 계산하여 복합하면, 표 4와 표 5에 제시된 기하등가투과도 산정 결과를 도출할 수 있다. 이 때, 모델(b)와 (c)의 해석과 같이 동일한 또는 유사한 매질에 대하여 공극률 등이 변화된 경우를 고려하는 기하등가투과도의 계산을 위해서는 수학식 29를 수학식 31과 같이 변형하여 사용하는 것이 편리하다. 즉, 동일한 매질이 기하학적 혹은 유동학적으로 다른 조건 1과 조건 2의 상태에 있는 경우를 가정하여, 수학식 29를 기반으로 두 조건에 대한 기하등가투과도 관계식을 서로 연립하면 수학식 31을 얻을 수 있다. 예를 들어, 수학식 31은 본 검토의 기준모델인 모델(a)를 조건 1의 경우로 두고 해석 대상인 모델(b)를 조건 2의 경우로 하면, 수학식 31은 모델(a)를 기준으로 모델(b)의 투과도를 계산할 수 있는 기하등가투과도 대비 관계식이 된다. 여기서 다시, 수학식 31은 동일한(유사한) 매질에 대하여서는 fuT ReuT 관계가 동일(유사)하게 유지되어야 하므로 최종적으로 수학식 32와 같이 정리될 수 있다.Based on the above discussion, it can be assumed that f uT Re uT of models (b) and (c) having geometrical characteristics similar to the reference medium of model (a) is maintained at a value similar to that of model (a). Therefore, the geometric equivalent transmittances of models (b) and (c) apply approximately 165, which is the value of f uT Re uT of model (a), and calculate only the torsional hydraulic diameter change according to the change in porosity of each model by using Equation 25 separately. Combined, the geometric equivalent transmission estimates presented in Tables 4 and 5 can be derived. At this time, in order to calculate the geometric equivalent transmittance considering the case where the porosity is changed for the same or similar medium as in the analysis of the models (b) and (c), it is preferable to use the equation (29) by modifying the equation (29). It is convenient. That is, assuming that the same medium is geometrically or rheologically different from Condition 1 and Condition 2, Equation 31 can be obtained by concatenating the geometric equivalent transmittance relations for the two conditions based on Equation 29. . For example, Equation 31 assumes that the model (a), which is the reference model of the present study, is the case of condition 1, and the model (b), which is the analysis target, is the case of condition 2, and Equation 31 is based on the model (a). It is a relational equation of geometric equivalent transmittance which can calculate the transmittance of the model (b). Here, Equation 31 can be finally summarized as Equation 32 since the f uT Re uT relationship must remain the same (similar) for the same (similar) medium.
수학식 32를 기반으로 한 모델(b)와 (c)에 대한 기하등가투과도 해석결과는 최종적으로 표 4과 표 5의 우측부분에 제시된 바와 같다. 이 때, kGEP와 kGEP
_old 는 각각 fuT ReuT 와 fu Reu 값을 기반으로 산출된 결과이며 괄호 안의 숫자는 CFD 해석결과와의 오차를 표기한 것이다. 결과적으로, 본 연구에서 새롭게 정의된 비틀림 수력직경을 도입하여 제시된 fuT ReuT 기반의 kGEP 결과가 kGEP
_old 에 비하여 훨씬 근사한 결과를 보이고 있음을 확인할 수 있다. The geometric equivalent transmission analysis results for models (b) and (c) based on Equation 32 are finally shown in the right part of Table 4 and Table 5. In this case, k GEP and k GEP _old are calculated based on the values of f uT Re uT and f u Re u, respectively, and the numbers in parentheses indicate an error from the CFD analysis result. As a result, it can be confirmed that the k GEP results based on the f uT Re uT based on the newly defined torsional hydraulic diameter in this study are much closer than those of k GEP _old .
도 3은 CFD 시뮬레이션, 코제니-카르멘 분석, 및 GEP 분석의 투과도를 비교한 그래프이다.3 is a graph comparing permeability of CFD simulations, Kozeni-Carmen analysis, and GEP analysis.
도 3은 본 검토에서 수행된 모든 해석 모델과 유량조건에 대한 CFD 해석 결과(k)와 기하등가투과도 해석(GEP) 및 수학식 13의 코제니-카르멘 관계식을 통한 해석(Carman) 결과를 종합하여 제시한 것이다. 도 3에서, 실선은 CFD 해석, 굵은 점선은 기하등가투과도 해석결과, 가는 점선은 코제니-카르멘 관계식 해석결과를 의미한다. 공극률 50%의 모델(a)는 기준 모델인 관계로, 당연히 CFD와 GEP 해석이 동일한 투과도 값을 제시하고 있고, 공극률이 40%로 감소된 모델(b)에 대한 기하등가투과도(kGEP) 해석결과는 CFD 해석결과와 비교하여, 층류영역에서는 약 2% 수준, 난류영역을 포함한 전체 영역에서 최대 14%의 오차 수준을 보였다. 공극률이 60%로 기준모델에 비하여 약 10%의 증가된 모델(c)의 경우는 층류영역에서는 약 5% 수준, 난류영역에서는 최대 22%의 오차를 보이는 것으로 나타났다. 결과적으로, 기하등가투과도 관계식은 층류영역에서는 매우 좋은 해석결과를 산출하나, 난류영역에서는 오차가 다소 증가되고 있음을 알 수 있다. 그러나 최대 오차를 발생시키는 유동영역의 압력구배가 단위길이(1m) 당 각각 약 650 bar 와 1300 bar라는 비현실적으로 높은 압력조건에서의 해석 결과이다. 이러한 점을 감안하면 실제 지층의 압력범위에서의 오차는 훨씬 작아서 실현 가능한 난류영역에서 기하등가투과도 관계식은 10% 내외의 비교적 좋은 결과를 산출하는 것으로 나타났다. 본 장에서는 수압파쇄 균열에 대한 전산유체해석을 수행하여 본 연구에서 도출된 특성변수의 정의와 관계식들이 유용함을 확인하고 이들의 적용사례를 적절히 제시하였다.FIG. 3 is a graph of CFD analysis results (k), geometric equivalent transmittance analysis (GEP), and Coseny-Carmen relations of Equation 13 for all analysis models and flow conditions performed in this review. It is presented. In FIG. 3, a solid line indicates a CFD analysis, a thick dotted line indicates a geometric equivalent transmittance analysis result, and a thin dotted line indicates a Cozeni-Carmen relation analysis result. Model (a) with 50% porosity is a reference model, so the geometric equivalent transmittance (k GEP ) analysis for model (b) with CFD and GEP analysis showing the same permeability values and the porosity reduced to 40%. Compared with CFD analysis results, the error level was about 2% in the laminar flow region and 14% in the whole region including the turbulent region. In the case of model (c), which has a porosity of 60% and an increase of about 10% compared to the reference model, the error was about 5% in the laminar flow region and up to 22% in the turbulent flow region. As a result, the geometric equivalent transmittance relation yields a very good analysis result in the laminar flow region, but the error is somewhat increased in the turbulent region. However, the pressure gradient in the flow zone that produces the maximum error is the result of analysis at unrealistically high pressure conditions of about 650 bar and 1300 bar per unit length (1m), respectively. Considering this, the error in the pressure range of the actual strata is much smaller, and the geometric equivalent permeability relation in the realizable turbulent region yields relatively good results of around 10%. In this chapter, the computational fluid analysis of hydraulic fracturing cracks was conducted to confirm the usefulness of the definitions and relational expressions derived from this study.
결 론conclusion
최근의 셰일저류층 개발과 관련하여, 주요한 연구 주제로 대두되는 수압파쇄 균열의 투과도 산정을 위해서는 다공성 매질의 기하학적 특성을 적절히 고려할 수 있고 층류 및 난류 유동영역에 모두 적용이 가능한 새로운 투과도 관계식의 도출이 절실히 요구된다. 이에, 본 연구에서는 일반적인 배관유동의 해석을 위해 널리 사용되는 다르시 마찰계수와 레이놀즈 수 관계(f Re)를 기반으로 한 다르시 마찰유동 관계식을 다공질 유동해석에 확장하여 적용할 수 있는 방안을 도출하고자 시도하였다. 이를 위하여, 코제니와 카르멘의 선행연구를 기반으로 다공성 매질의 마찰계수(fuT)와 비틀림 수력직경(DhT)을 새롭게 정의하고, 이들을 기반으로 한 기하등가투과도(kGEP) 관계식을 도출하였다. 마지막으로, 이들은 본 연구에서 목표하였던 바와 같이 다공질 유동에 확장, 적용이 가능한 일반화된 다르시 마찰유동 관계식으로 제시되었다. 이는, 본 연구가 다공질 유동의 특성변수 정의와 상관관계를 엄밀히 제시함으로써 마찰계수와 레이놀즈 수 관계, 즉 fuT ReuT 에 기반한 투과도 관계식을 성공적으로 도출하였음을 의미한다.With regard to recent shale reservoirs, the permeability of hydraulic fracturing cracks, which is a major research topic, is very important to derive new permeability relations that can be considered in the geometrical characteristics of porous media and applicable to both laminar and turbulent flow zones. Required. Therefore, this study attempts to derive a method to extend Darcy friction flow equation based on the Darcy friction coefficient and Reynolds number relationship (f Re) widely used for the analysis of general pipe flows to porous flow analysis. It was. To this end, based on Kozeni's and Carmen's previous studies, the friction coefficient (f uT ) and the torsional hydraulic diameter (D hT ) of porous media were newly defined, and the geometric equivalent transmittance (k GEP ) relation was derived based on them. . Finally, they are presented as a generalized Darcy frictional flow equation that can be extended and applied to porous flow as aimed at in this study. This suggests that the present study successfully derived the permeability relationship based on the coefficient of friction and Reynolds number, that is, f uT Re uT , by rigorously presenting the characteristic variable definition and correlation of porous flow.
다음으로, 본 연구에서 도출된 관계식들의 유효성을 검증하고 실제 기하등가투과도 적용사례를 제시하고자 지지체가 복합된 수압파쇄 균열모델들에 대한 전산유체역학(CFD) 해석을 수행하였다. 이를 통해, 본 연구에서 도출된 비틀림 수력직경 기반의 다르시 마찰계수와 레이놀즈 수 관계인, fuT ReuT 가 유사한 매질에 대하여서는 유사한 값으로 유지됨을 확인하였다. 이에 반하여, 기존의 코제니의 수력직경 정의에 기반한 다공질유동의 마찰계수와의 관계인 fu Reu 는 이러한 관계를 만족하지 않는 것도 아울러 확인하였다. 또한, 공극률이 변화하는 각 모델에 대한 CFD 해석은 fuT ReuT 관계를 기반으로 비틀림 수력직경과의 상관관계를 규정한 기하등가투과도 관계식의 해석 결과와 좋은 일치를 보였다. 이는 본 연구에서 새롭게 도출된 비틀림 수력직경과 다공성 매질의 마찰계수 정의가 다공질 유동특성을 적절히 표현할 수 있고, 이에 기반한 기하등가투과도 관계식이 공극률과 같은 기하학적 특성이나 유동조건이 변화되는 경우에도 적절히 활용될 수 있음을 보여주는 것이다.Next, the computational fluid dynamics (CFD) analysis of the hydraulic fracture crack models with the support was performed to verify the validity of the relations derived from this study and to present an example of geometric permeability application. Through this, it was confirmed that f uT Re uT, which is a relation between the torsion hydraulic diameter-based Darcy friction coefficient and Reynolds number, was maintained at similar values for similar media. On the contrary, f u Re u, which is related to the friction coefficient of porous flow based on the existing hydraulic diameter definition of Cogeny, also confirmed that it did not satisfy this relationship. In addition, the CFD analysis for each model with varying porosity showed good agreement with the analysis results of the geometric equivalent permeability relationship that defined the correlation with the torsion hydraulic diameter based on the f uT Re uT relationship. The new torsional hydraulic diameter and the friction coefficient definition of the porous media can be used to properly express the porous flow characteristics, and the geometric equivalent permeability relations based on this method can be used in the case of changing geometric characteristics such as porosity or flow conditions. To show that it can.
결론적으로, 본 연구에서는 다공성 매질의 마찰계수와 비틀림 수력직경을 새롭게 정의하여 다공질 유동의 특성변수 상관관계를 규명할 수 있는 기하등가투과도 관계식을 성공적으로 도출하였다. 이를 기반으로, 일반적인 배관유동의 해석에 널리 사용되는 다르시 마찰유동 관계식을 다공질 유동에 적용할 수 있는 일반화된 다르시 마찰유동 관계식으로 적절히 확장하여 제시하였다. 마지막으로, 수압파쇄 균열에 대한 전산유체해석을 수행하여 본 연구에서 도출된 정의와 관계식들이 유효함을 확인하고 적용사례를 적절히 제시하였다. 참고적으로, 본 연구에서 도출된 관계식들은 다른 종류의 암석과 지층은 물론 생체조직이나 다공성 필터, 원자로 등 다양한 기하학적 특성을 가진 여러 종류의 다공질 유동 해석에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다.In conclusion, in this study, we have successfully defined the geometrical permeability relationship that can correlate the characteristic variables of porous flows by newly defining the friction coefficient and torsional hydraulic diameter of porous media. Based on this, the Darcy frictional flow equation, which is widely used in general pipe flow analysis, is extended to the generalized Darcy frictional flow equation that can be applied to porous flows. Finally, the computational fluid analysis of hydraulic fracturing cracks was conducted to confirm the validity of the definitions and relations derived from this study. For reference, the relations derived from this study are expected to be widely used in the analysis of various kinds of porous flows with various geometrical characteristics such as biological tissues, porous filters, and reactors as well as other types of rocks and layers.
요 약summary
셰일저류층 내 수압파쇄 균열의 투과도는 광구의 생산성 분석이라는 측면에서 매우 중요하다. 수압파쇄 균열은 기하학적 제원이 크고, 높은 압력구배를 받는 까닭에 파쇄균열을 통과하는 유량도 상대적으로 크다. 또한 생산기간 동안의 지층응력의 변화에 따른 균열의 기하학적 조건 변화에 따라 투과도는 지속적으로 변화하게 된다. 이에, 수압파쇄 균열의 기하학적 변화와 생산정 주변의 높은 압력구배에 따른 비 다르시 효과를 고려할 수 있는 새로운 투과도 산정방법의 도출이 매우 절실하다. 본 연구에서는 코제니와 카르멘의 선행연구를 기반으로 다공성 매질의 마찰계수와 수력직경의 새로운 정의를 도출하였다. 이들 정의는 기하등가투과도(GEP) 관계식으로 변환되고, 다르시 방정식과 연계를 통해 다공질 유동에 확장이 가능한 다르시 마찰유동 관계식으로 통합되어 제시되었다. 결과적으로, 도출된 관계식들은 다양한 기하학적 특성 및 특성변화를 고려할 수 있고 유동영역에 무관하게 적용될 수 있는 효과적인 투과도 산정이 가능할 것으로 기대된다. 도출된 관계식들의 유효성을 검증하고 적용방안을 검토하기 위하여, 몇몇 크기의 구슬로 채워져 공극률이 40%와 50%, 60%로 설정되는 단순한 수압파쇄 균열모델을 대상으로, 일련의 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과, CFD 와 GEP 해석의 차이는 층류영역의 공극률 40% 모델의 경우 약 2%, 공극률 60% 모델에서 약 5% 수준의 오차를 보였고, 실현 가능한 난류영역에서는 대략 10% 수준의 오차를 보이는 것으로 제시되었다. 부가적으로, 코제니-카르멘 관계식을 통한 비교, 검토도 시행함으로써, 본 연구에서 도출된 관계식들이 유효하고 훨씬 근사한 결과를 도출함을 확인하였다. 결론적으로, 본 연구에서는 다공성 매질의 마찰계수와 비틀림 수력직경을 새롭게 정의하고, 이를 기반으로 한 새로운 투과도 산정방법인 기하등가투과도 관계식과 다공성 매질에 확장이 가능한 일반화된 다르시 마찰유동 관계식을 성공적으로 제시하였다.The permeability of the hydraulic fracturing cracks in the shale reservoir is very important in terms of the productivity analysis of the photosphere. Hydraulic fracturing cracks have a large geometric specification, and because of the high pressure gradient, the flow rate through the fracturing cracks is also relatively high. In addition, the permeability changes continuously as the geometrical conditions of the crack change due to the change of the strata stress during the production period. Therefore, it is very urgent to derive a new method of calculating the permeability to consider the non-dachy effect of the geometrical change of the hydraulic fracturing crack and the high pressure gradient around the production well. In this study, a new definition of the friction coefficient and hydraulic diameter of porous media was derived based on the previous studies of Cogeni and Carmen. These definitions are presented in a Darcy friction flow relationship that is transformed into a geometric equivalent permeability (GEP) relation and that can be extended to porous flows in conjunction with the Darcy equation. As a result, it is expected that the derived relations can take into account various geometrical characteristics and characteristic changes, and can effectively calculate the permeability that can be applied regardless of the flow region. In order to validate the derived relations and examine their application, a series of computational fluid dynamics (CFD) models were developed for a simple hydraulic fracturing crack model filled with beads of some size and set to 40%, 50% and 60% porosity. ) The simulation was performed. As a result, the difference between CFD and GEP analysis showed about 2% error in the 40% porosity model and about 5% error in the 60% porosity model and about 10% error in the realizable turbulence region. It is suggested that. In addition, by conducting a comparison and review through the Cogeni-Carmen relations, it was confirmed that the relations derived in this study are valid and yield much closer results. In conclusion, this study newly defined the friction coefficient and torsional hydraulic diameter of porous media, and successfully presented a new permeability calculation method based on the geometric permeability relation and generalized Darcy friction flow relation that can be extended to porous media. It was.
상기 공극률, 상기 수력 직경, 및 상기 마찰계수는, 상기 다공성 매질의 기하학적 특성 및 마찰손실특성을 나타내도록, 직선 원통형 유로에 대하여 도출되는 마찰계수로부터 등가 변수들로 변환될 수 있다.The porosity, the hydraulic diameter, and the coefficient of friction can be converted into equivalent variables from the coefficient of friction derived for a straight cylindrical flow path to exhibit the geometrical and frictional loss characteristics of the porous medium.
상기 수력 직경을 산출하는 단계는, 상기 다공성 매질의 상기 공극의 마찰손실에 대하여 등가의 마찰손실을 발생하는 원통형 모세관을 이용하여 이루어질 수 있다.The calculating of the hydraulic diameter may be performed by using a cylindrical capillary tube generating friction loss equivalent to the friction loss of the pores of the porous medium.
상기 마찰계수는 다르시(Darcy) 마찰계수가 적용될 수 있다.The friction coefficient may be a Darcy friction coefficient.
상기 다공성 매질은 다양한 공극률을 가진 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 사암, 실트, 탄산염암, 균열 암석, 다공성 생체조직, 다공성 기계부품, 또는 다공성 전자부품을 포함할 수 있다.The porous medium may include materials having various porosities, and may include, for example, sandstone, silt, carbonate rock, cracked rock, porous biological tissue, porous mechanical components, or porous electronic components.
상술한 바와 같은 연구를 기반으로 하여, 본 발명의 기술적 사상에 따른 다공성 매질의 투과도 산출방법은 하기와 같이 구현될 수 있다.Based on the above research, the method of calculating the permeability of the porous medium according to the technical idea of the present invention can be implemented as follows.
본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 매질의 투과도 산출방법은, 다공성 매질의 공극의 공극률을 제공하는 단계; 상기 다공성 매질의 상기 공극의 수력 직경을 산출하는 단계; 상기 다공성 매질의 마찰계수를 제공하는 단계; 상기 다공성 매질의 비틀림도를 산출하는 단계; 상기 수력 직경과 상기 비틀림도를 이용하여 비틀림도의 함수인 비틀림 수력 직경을 산출하는 단계; 및 상기 공극률, 상기 비틀림 수력 직경, 상기 마찰계수, 및 상기 비틀림도를 이용하여 상기 다공성 매질의 투과도를 산출하는 단계;를 포함한다.Method for calculating the permeability of the porous medium according to an embodiment of the present invention, providing a porosity of the pores of the porous medium; Calculating the hydraulic diameter of the pores of the porous medium; Providing a coefficient of friction of the porous medium; Calculating the degree of torsion of the porous medium; Calculating a torsion hydraulic diameter which is a function of the torsion degree using the hydraulic diameter and the torsion degree; And calculating the permeability of the porous medium using the porosity, the torsional hydraulic diameter, the coefficient of friction, and the degree of torsion.
상기한 본 발명의 기술적 사상은 또한 컴퓨터에서 판독 가능한 저장 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터에서 판독 가능한 저장 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 판독 가능한 데이터가 저장되는 모든 종류의 저장장치를 포함한다. 컴퓨터에서 판독 가능한 저장 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, DVD, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치, 플래시 메모리 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터에서 판독 가능한 저장 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터에서 판독 가능한 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 여기서, 저장 매체에 저장되는 프로그램 또는 코드라 함은 특정한 결과를 얻기 위하여 컴퓨터 등이 정보처리능력을 갖는 장치 내에서 직접적 또는 간접적으로 사용되는 일련의 지시 명령으로 표현된 것을 의미한다. 따라서, 컴퓨터라는 용어도 실제 사용되는 명칭에 여하를 불구하고 메모리, 입출력장치, 연산장치를 구비하여 프로그램에 의하여 특정의 기능을 수행하기 위한 정보처리능력을 가진 모든 장치를 총괄하는 의미로 사용된다.The above-described technical spirit of the present invention can also be embodied as computer-readable code on a computer-readable storage medium. Computer-readable storage media includes all types of storage devices on which data readable by a computer system is stored. Examples of computer-readable storage media include ROM, RAM, CD-ROM, DVD, magnetic tape, floppy disks, optical data storage, flash memory, and the like, and also in the form of carrier waves (for example, transmission over the Internet). It also includes implementations. The computer readable storage medium can also be distributed over network coupled computer systems so that the computer readable code is stored and executed in a distributed fashion. Here, the program or code stored in the storage medium means that a computer or the like is expressed as a series of instruction commands used directly or indirectly in an apparatus having an information processing capability to obtain a specific result. Thus, the term computer is used to mean all devices having an information processing capability for performing a specific function by a program including a memory, an input / output device, and an arithmetic device, despite the name actually used.
상기 저장 매체는, 다공성 매질의 공극의 공극률을 제공하는 단계; 상기 다공성 매질의 상기 공극의 수력 직경을 산출하는 단계; 상기 다공성 매질의 마찰계수를 제공하는 단계; 상기 다공성 매질의 비틀림도를 산출하는 단계; 상기 수력 직경과 상기 비틀림도를 이용하여 비틀림도의 함수인 비틀림 수력 직경을 산출하는 단계; 및 상기 공극률, 상기 비틀림 수력 직경, 상기 마찰계수, 및 상기 비틀림도를 이용하여 상기 다공성 매질의 투과도를 산출하는 단계;를 포함하는 다공성 매질의 투과도 산출방법을 컴퓨터에서 수행시킬 때, 상기 각 단계들을 수행하도록 하는 프로그래밍된 명령을 저장할 수 있다. 또한, 선택적으로(optionally), 상기 저장 매체는 상기 실제 패턴들의 붕괴를 방지하도록 상기 설계 패턴을 보정하는 단계를 수행하도록 하는 프로그래밍된 명령을 더 저장 할 수 있다.The storage medium comprises the steps of providing a porosity of the pores of the porous medium; Calculating the hydraulic diameter of the pores of the porous medium; Providing a coefficient of friction of the porous medium; Calculating the degree of torsion of the porous medium; Calculating a torsion hydraulic diameter which is a function of the torsion degree using the hydraulic diameter and the torsion degree; And calculating the permeability of the porous medium using the porosity, the torsional hydraulic diameter, the friction coefficient, and the degree of torsion, when performing the method of calculating the permeability of the porous medium in a computer. You can store programmed instructions to execute. Further, optionally, the storage medium may further store a programmed instruction to perform the step of correcting the design pattern to prevent collapse of the actual patterns.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The technical spirit of the present invention described above is not limited to the above-described embodiment and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes can be made without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary skill in the art.
기호설명(NOMENCLATURE)NOMENCLATURE
A: Cross Sectional Area, Ap=ΦA, A: Cross Sectional Area, A p = ΦA,
C: Coefficient or Factor, C: Coefficient or Factor,
CS: Shape Factor,C S : Shape Factor,
C1: Carman's Sectional Shape Factor,C 1 : Carman's Sectional Shape Factor,
D, d: Diameter,D, d: Diameter,
Dh: Hydraulic Diameter,D h : Hydraulic Diameter,
E: Surface Area, E: Surface Area,
ES: E on Solid,E S : E on Solid,
F: Formation Factor,F: Formation Factor,
f: Friction Factor,f: Friction Factor,
g: Gravity,g: Gravity,
gx: Gravity in x-direction,g x : Gravity in x-direction,
h: Loss Head, h: Loss Head,
hf: Friction Loss Head,h f : Friction Loss Head,
k: Permeability,k: Permeability,
L: Length, L: Length,
Le: Real Flow Path Length,L e : Real Flow Path Length,
P: Pressure,P: Pressure,
q: Flow Rate,q: Flow Rate,
R, r: Radius,R, r: Radius,
Rh: Hydraulic Radius,R h : Hydraulic Radius,
Re: Reynolds Number,Re: Reynolds Number,
S: Specific Surface Area,S: Specific Surface Area,
SS: S on solid,S S : S on solid,
s: Surface Area of Effective Pores,s: Surface Area of Effective Pores,
T: Tortuosity, T: Tortuosity,
t: Time,t: Time,
u: Average Porous Flow Velocity,u: Average Porous Flow Velocity,
ue: Fluid Velocity through a Pore Path,u e : Fluid Velocity through a Pore Path,
uf: Flow Velocity through a Flow Path,u f : Flow Velocity through a Flow Path,
V: Volume,V: Volume,
VS: Volume on Solid,V S : Volume on Solid,
v: Average Flow Velocity through a Pore,v: Average Flow Velocity through a Pore,
x,y,z: Position in x,y,z-direction,x, y, z: Position in x, y, z-direction,
α: Conversion Factor between Hydraulic and Matrix values,α: Conversion Factor between Hydraulic and Matrix values,
μ: Viscosity,μ: Viscosity,
ρ: Density,ρ: Density,
τ: Shear Stress,τ: Shear Stress,
τw: Shear Stress at Wall,τ w : Shear Stress at Wall,
Φ: Porosity,Φ: Porosity,
Super-ScriptSuper-Script
m: Cementation Factor,m: Cementation Factor,
Sub-ScriptSub-script
b: bulk,b: bulk,
e: Real, Pore Equivalent,e: Real, Pore Equivalent,
f: Fluid flow, Friction,f: Fluid flow, Friction,
GEP: Geometry Equivalent Permeability,GEP: Geometry Equivalent Permeability,
H, h: Hydraulic,H, h: Hydraulic,
hT: Tortuous Hydraulic,h T : Tortuous Hydraulic,
m: Matrix,m: Matrix,
Name, Number: Defined State or Case Number or Name,Name, Number: Defined State or Case Number or Name,
old: Previous Definition,old: Previous Definition,
GEPold: Previous Definition of GEP,GEP old : Previous Definition of GEP,
p: Pore, Porous,p: Pore, Porous,
S: Solid, Shape,S: Solid, Shape,
T: Tortuosity, Tortuous,T: Tortuosity, Tortuous,
u: Average Porous Flow Velocity,u: Average Porous Flow Velocity,
uT: u based on DhT
u T : u based on D hT
v: Average Flow Velocity of Pore Paths in a Porous Mediumv: Average Flow Velocity of Pore Paths in a Porous Medium
vT: v based on DhT
v T : v based on D hT
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Claims (25)
- 다공성 매질의 공극률을 제공하는 단계;Providing a porosity of the porous medium;상기 다공성 매질의 수력 직경을 산출하는 단계;Calculating a hydraulic diameter of the porous medium;상기 다공성 매질의 마찰계수를 제공하는 단계;Providing a coefficient of friction of the porous medium;상기 다공성 매질의 비틀림도를 산출하는 단계; Calculating the degree of torsion of the porous medium;상기 수력 직경과 상기 비틀림도를 이용하여 비틀림도의 함수인 상기 다공성 매질의 비틀림 수력 직경을 산출하는 단계; 및Calculating the torsional hydraulic diameter of the porous medium as a function of the degree of torsion using the hydraulic diameter and the degree of torsion; And상기 공극률, 상기 비틀림 수력 직경, 상기 마찰계수, 및 상기 비틀림도를 이용하여 상기 다공성 매질의 투과도를 산출하는 단계;Calculating the permeability of the porous medium using the porosity, the torsional hydraulic diameter, the coefficient of friction, and the torsion degree;를 포함하는, 다공성 매질의 투과도 산출방법.Comprising a method for calculating the permeability of the porous medium.
- 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,상기 수력 직경은 상기 비틀림도와 하기의 관계를 가지는, 다공성 매질의 투과도 산출방법. The hydraulic diameter has the following relationship with the torsion, the method of calculating the permeability of the porous medium.(여기에서, DhT는 비틀림 수력 직경, Dh는 비틀림도를 고려하지 않은 수력 직경, T는 비틀림도임) Where D hT is the torsional hydraulic diameter, D h is the hydraulic diameter without considering the degree of torsion, and T is the degree of torsion
- 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,상기 수력 직경은 상기 비틀림도와 하기의 관계를 가지는, 다공성 매질의 투과도 산출방법.The hydraulic diameter has the following relationship with the torsion, the method of calculating the permeability of the porous medium.(여기에서, DhT는 비틀림 수력 직경, Dh는 비틀림도를 고려하지 않은 수력 직경, L은 다공성 매질의 직선길이, Le는 내부 공극유로의 길이, S는 비표면적, Φ는 다공성 매질의 공극률임)Where D hT is the torsional hydraulic diameter, D h is the hydraulic diameter without considering the degree of torsion, L is the straight length of the porous medium, L e is the length of the internal void flow path, S is the specific surface area, and Φ is the Porosity)
- 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,상기 마찰계수는 상기 비틀림도의 함수인, 다공성 매질의 투과도 산출방법. Wherein the coefficient of friction is a function of the torsion degree.
- 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,상기 마찰계수는 상기 비틀림도와 하기의 관계를 가지는, 다공성 매질의 투과도 산출방법.The coefficient of friction has a relationship between the torsion and the following, the method of calculating the permeability of the porous medium.(여기에서, fvT는 비틀림도의 함수로서 유속 v에 대한 마찰계수, fuT는 비틀림도의 함수로서 유속 u에 대한 마찰계수, fu는 비틀림도를 고려하지 않은 마찰계수, T는 비틀림도, DhT는 비틀림 수력 직경, ρ는 밀도, ΔP/Le은 내부 공극유로 길이에 대한 압력구배, v는 내부 공극 유로를 통한 유체의 유속, u는 유체의 유속, ΔP/L은 다공성 매질의 직선 길이에 대한 압력구배, Φ는 다공성 매질의 공극률임)Where f vT is the coefficient of friction for the flow rate v as a function of torsion, f uT is the coefficient of friction for the flow rate u as a function of torsion, f u is the coefficient of friction without considering the degree of torsion, and T is the degree of torsion , D hT is the torsional hydraulic diameter, ρ is the density, ΔP / L e is the pressure gradient over the length of the internal void flow path, v is the flow rate of the fluid through the internal void flow path, u is the flow rate of the fluid, ΔP / L is the Pressure gradient over straight length, Φ is the porosity of the porous medium)
- 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,상기 마찰계수는 상기 비틀림도와 하기의 관계를 가지는, 다공성 매질의 투과도 산출방법.The coefficient of friction has a relationship between the torsion and the following, the method of calculating the permeability of the porous medium.(여기에서, fuT는 비틀림도의 함수로서 유속 u에 대한 마찰계수, fu는 비틀림도를 고려하지 않은 마찰계수, L은 다공성 매질의 직선길이, Le는 내부 공극유로의 길이, T는 비틀림도, DhT는 비틀림 수력 직경, ρ는 밀도, ΔP/L은 다공성 매질의 직선길이에 대한 압력구배, v는 내부 공극 유로를 통한 유체의 유속, u는 유체의 유속, ΔP/L은 직선 길이에 대한 압력구배, Φ는 다공성 매질의 공극률임)Where f uT is the coefficient of friction for the flow rate u as a function of the degree of torsion, f u is the coefficient of friction without considering the degree of torsion, L is the straight length of the porous medium, L e is the length of the internal void flow path, and T is Torsion degree, D hT is the torsional hydraulic diameter, ρ is the density, ΔP / L is the pressure gradient with respect to the linear length of the porous medium, v is the flow rate of the fluid through the internal void flow path, u is the flow rate of the fluid, ΔP / L is straight Pressure gradient over length, Φ is the porosity of the porous medium)
- 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,상기 투과도는 상기 비틀림도의 함수인 상기 마찰계수와 상기 비틀림도의 함수인 레이놀즈 수를 포함하여 구성된, 다공성 매질의 투과도 산출방법.Wherein the permeability comprises the friction coefficient as a function of the torsion and the Reynolds number as a function of the torsion.
- 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,상기 투과도는 하기의 관계를 가지는, 다공성 매질의 투과도 산출방법.The permeability has a relationship as follows, a method for calculating the permeability of the porous medium.(여기에서, kGEPT 는 비틀림도를 고려한 기하등가투과도, v는 내부 공극 유로를 통한 유체의 유속, DhT는 비틀림 수력 직경, Φ는 다공성 매질의 공극률, T는 비틀림도, fvT는 비틀림도의 함수로서 유속 v에 대한 마찰계수, RevT는 비틀림도의 함수로서 유속 v에 대한 레이놀즈 수임)Where k GEPT is the geometrical permeability considering the degree of torsion, v is the flow velocity of the fluid through the internal pore channel, D hT is the torsional hydraulic diameter, Φ is the porosity of the porous medium, T is the degree of torsion, and f vT is the degree of torsion Coefficient of friction for flow rate v as a function of Re vT is Reynolds number for flow rate v as a function of torsion degree)
- 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,상기 투과도는 하기의 관계를 가지는, 다공성 매질의 투과도 산출방법.The permeability has a relationship as follows, a method for calculating the permeability of the porous medium.(여기에서, kGEPT 는 비틀림도를 고려한 기하등가투과도, u는 유체의 유속, DhT는 비틀림 수력 직경, fuT는 비틀림도의 함수로서 유속 u에 대한 마찰계수, RevT는 비틀림도의 함수로서 유속 u에 대한 레이놀즈 수임)Where k GEPT is the geometric equivalent transmission considering the degree of torsion, u is the flow velocity of the fluid, D hT is the torsional hydraulic diameter, f uT is the function of the torsional friction coefficient for the flow rate u, and Re vT is a function of the torsional Reynolds commission for flow rate u)
- 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,상기 투과도는 상기 비틀림도의 함수인 레이놀즈 수를 포함하는, 다공성 매질의 투과도 산출방법.Wherein the permeability comprises a Reynolds number as a function of the torsion.
- 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,상기 투과도는 상기 비틀림도와 하기의 관계를 가지는 레이놀즈 수를 포함하는, 다공성 매질의 투과도 산출방법.Wherein the permeability comprises a Reynolds number having the following relationship with the torsion.(여기에서, RevT는 비틀림도의 함수로서 유속 v에 대한 레이놀즈 수, ReuT는 비틀림도의 함수로서 유속 u에 대한 레이놀즈 수, Reu는 비틀림도를 고려하지 않은 레이놀즈 수, T는 비틀림도, ρ는 밀도, v는 내부 공극 유로를 통한 유체의 유속, u는 유체의 유속, DhT는 비틀림 수력 직경, μ는 유체의 점도임)Where Re vT is the Reynolds number for flow rate v as a function of torsion, Re uT is the Reynolds number for flow rate u as a function of torsion, Re u is the Reynolds number without considering torsion, and T is the degree of torsion , ρ is the density, v is the flow rate of the fluid through the internal void flow path, u is the flow rate of the fluid, D hT is the torsional hydraulic diameter, μ is the viscosity of the fluid)
- 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,상기 투과도는 상기 비틀림도와 하기의 관계를 가지는 레이놀즈 수를 포함하는, 다공성 매질의 투과도 산출방법.Wherein the permeability comprises a Reynolds number having the following relationship with the torsion.(여기에서, ReuT는 비틀림도의 함수로서 유속 u에 대한 레이놀즈 수, Reu는 비틀림도를 고려하지 않은 레이놀즈 수, T는 비틀림도, ρ는 밀도, u는 유체의 유속, DhT는 비틀림 수력 직경, μ는 유체의 점도임)Where Re uT is the Reynolds number for the flow rate u as a function of the degree of torsion, Re u is the Reynolds number without considering the degree of torsion, T is the degree of torsion, ρ is the density, u is the flow rate of the fluid, and D hT is the torsion Hydraulic diameter, μ is the viscosity of the fluid)
- 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,상기 비틀림도는 다공성 매질의 내부 공극유로 길이를 고려한, 다공성 매질의 투과도 산출방법.The torsion degree is a method of calculating the permeability of the porous medium in consideration of the length of the internal void flow path of the porous medium.
- 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,상기 비틀림도는 하기의 관계를 가지는, 다공성 매질의 투과도 산출방법.The torsion degree has the following relationship, the method of calculating the permeability of the porous medium.(여기에서, T 는 비틀림도, L은 상기 다공성 매질의 직선 길이, Le는 상기 다공성 매질의 내부 공극유로의 길이임)Where T is the degree of torsion, L is the straight length of the porous medium, and L e is the length of the internal void flow path of the porous medium.
- 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,상기 다공성 매질 내의 유체의 유속은, 상기 비틀림 수력 직경, 상기 비틀림도의 함수인 상기 마찰계수, 및 상기 비틀림도의 함수인 레이놀즈 수에 대한 함수로 표현되는, 다공성 매질의 투과도 산출방법.And a flow rate of the fluid in the porous medium is expressed as a function of the torsional hydraulic diameter, the coefficient of friction as a function of the degree of torsion, and the Reynolds number as a function of the degree of torsion.
- 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,상기 다공성 매질 내의 유체의 유속은 하기의 관계를 가지는, 다공성 매질의 투과도 산출방법.The flow rate of the fluid in the porous medium has the following relationship, the permeability calculation method of the porous medium.(여기에서, u는 유체의 유속, μ는 유체의 점도, DhT는 비틀림 수력 직경, Φ는 다공성 매질의 공극률, T는 비틀림도, v는 내부 공극 유로를 통한 유체의 유속, fvT는 비틀림도의 함수로서 유속 v에 대한 마찰계수, RevT는 비틀림도의 함수로서 유속 v에 대한 레이놀즈 수, ΔP/L은 직선 길이에 대한 압력구배임)Where u is the flow rate of fluid, μ is the viscosity of the fluid, D hT is the torsional hydraulic diameter, Φ is the porosity of the porous medium, T is the degree of torsion, v is the flow rate of the fluid through the internal pore channel, f vT is the torsional Coefficient of friction for flow rate v as a function of degrees, Re vT is the Reynolds number for flow rate v as a function of torsion degree, ΔP / L is the pressure gradient for the straight length)
- 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,상기 다공성 매질 내의 유체의 유속은 하기의 관계를 가지는, 다공성 매질의 투과도 산출방법.The flow rate of the fluid in the porous medium has the following relationship, the permeability calculation method of the porous medium.(여기에서, u는 유체의 유속, μ는 유체의 점도, DhT는 비틀림 수력 직경, Φ는 다공성 매질의 공극률, T는 비틀림도, u는 유체의 유속, fuT는 비틀림도의 함수로서 유속 u에 대한 마찰계수, ReuT는 비틀림도의 함수로서 유속 u에 대한 레이놀즈 수, ΔP/L은 직선 길이에 대한 압력구배임)Where u is the fluid velocity, μ is the viscosity of the fluid, D hT is the torsional hydraulic diameter, Φ is the porosity of the porous medium, T is the degree of torsion, u is the flow rate of the fluid, and f uT is the function of the degree of torsion the coefficient of friction for u, Re uT is the Reynolds number for the flow rate u as a function of the degree of torsion, ΔP / L is the pressure gradient for the straight length)
- 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,상기 투과도는 하기의 관계를 가지는, 다공성 매질의 투과도 산출방법.The permeability has a relationship as follows, a method for calculating the permeability of the porous medium.(여기에서, kGEP 는 기하등가투과도, DhT는 비틀림 수력 직경, fuT는 비틀림도의 함수인 마찰계수, ReuT는 비틀림도의 함수인 레이놀즈 수이고, 아래 첨자 "1"은 제1 모델이고, 아래 첨자 "2"는 제2 모델임)Where k GEP is the geometric equivalent transmittance, D hT is the torsion hydraulic diameter, f uT is the coefficient of friction as a function of torsion, Re uT is the Reynolds number as a function of torsion, and subscript "1" is the first model Subscript "2" is the second model)
- 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,상기 투과도는 하기의 관계를 가지는, 다공성 매질의 투과도 산출방법.The permeability has a relationship as follows, a method for calculating the permeability of the porous medium.(여기에서, kGEP 는 기하등가투과도, DhT는 비틀림 수력 직경, f는 마찰계수, ReuT는 비틀림도의 함수인 레이놀즈 수, T는 비틀림도, Φ는 상기 다공성 매질의 공극률이고, 아래 첨자 "1"은 제1 모델이고, 아래 첨자 "2"는 제2 모델임)Where k GEP is the geometrical permeability, D hT is the torsional hydraulic diameter, f is the coefficient of friction, Re uT is the Reynolds number as a function of torsion, T is the degree of torsion, Φ is the porosity of the porous medium, and the subscript "1" is the first model, subscript "2" is the second model)
- 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,상기 투과도는 하기의 관계를 가지는, 다공성 매질의 투과도 산출방법.The permeability has a relationship as follows, a method for calculating the permeability of the porous medium.(여기에서, kGEP 는 기하등가투과도, DhT는 비틀림 수력 직경, 아래 첨자 "1"은 제1 모델이고, 아래 첨자 "2"는 제2 모델임)( Wherein k GEP is the geometric equivalent transmittance, D hT is the torsion hydraulic diameter, subscript "1" is the first model and subscript "2" is the second model)
- 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,상기 공극률은 40% 이상 60% 이하의 범위의 수치를 가지는, 다공성 매질의 투과도 산출방법.The porosity is a method of calculating the permeability of the porous medium having a value in the range of 40% to 60%.
- 제 21 항에 있어서,The method of claim 21,상기 공극률의 범위 내에서 fuT ReuT 는 156 내지 171 범위의 수치를 가지는, 다공성 매질의 투과도 산출방법.The f uT Re uT within the range of the porosity has a value in the range of 156 to 171, the method of calculating the permeability of the porous medium.
- 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,상기 공극률, 상기 수력 직경, 및 상기 마찰계수는, 상기 다공성 매질의 기하학적 특성 및 마찰손실특성을 나타내도록, 직선 원통형 유로에 대하여 도출되는 마찰계수로부터 등가 변수들로 변환된, 다공성 매질의 투과도 산출방법.Wherein the porosity, the hydraulic diameter, and the coefficient of friction are converted into equivalent variables from the coefficient of friction derived for a straight cylindrical flow path to represent the geometric and frictional loss characteristics of the porous medium. .
- 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,상기 수력 직경을 산출하는 단계는, 상기 다공성 매질의 상기 공극의 마찰손실에 대하여 등가의 마찰손실을 발생하는 원통형 모세관을 이용하여 이루어지는, 다공성 매질의 투과도 산출방법.The calculating of the hydraulic diameter is performed by using a cylindrical capillary tube which generates friction loss equivalent to the frictional loss of the pores of the porous medium.
- 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,상기 마찰계수는 다르시(Darcy) 마찰계수가 적용된, 다공성 매질의 투과도 산출방법.The friction coefficient is a Darcy friction coefficient applied method of calculating the permeability of the porous medium.
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