本章所用之實驗裝置和第三章微模型實驗系統裝置之說明ㄧ樣 但為求簡化實驗 僅以一組微觀的空氣-水流體對置換（互相取代）機制實驗，藉觀察流體對間互相置換 取代的行為與前人所提出之流體對間之置換行為是否一致，並與前人以幾何形狀所推估 出來的置換機制門檻值進行比較與驗證，並進一步確認微模型實驗設計之正確性與合理 性。其中4-1 節 介紹置換機制實驗 主要是說明五種不同孔頸寬度通道網絡模型置換機 制實驗 包括試體準備、試驗步驟等…. 4-2 節則將置換機制(包括排退,汲取階段)推估結 果與實驗值比較分析
4-1 置換機制實驗
本章利用可透視微模型來替代實際土壤，配合數位影像處理，首先探討排退與汲取 階段中，潤濕相與非潤濕相在孔隙尺度大小之互相取代的機制，並藉以驗證本研究實驗 設計之合理性。圖4-1 為置換機制實驗的整體研究大綱。
圖4-1 之（A）部分為可透視微模型的實驗，其細部的流程圖如圖 4-2 之（A）部 分所示。圖 4-1 之（B）部分為由（A）部分所得之實驗影像，進行影像分析以求得飽 和度。實際的步驟為，首先先決定選取的範圍及選取顏色的標準，而顏色標準指的是液 體呈現在影像上進而挑選出來的R、G、B 值，再來利用相同的選取範圍及顏色標準，
對每一張實驗影像做篩選，篩選出來的像素加總後再除以總選取範圍內的像素數，即為 飽和度。其細部的流程圖如圖4-2 之（B）部分所示。
圖4-1 之（C）部分為利用上面的步驟所得之實驗影像資料來做流體間取代機制與 前人所提理論置換機制進行比較分析，其細部的流程圖如圖4-2 之（C）部分所示。
整合以上各部分的說明即為置換機制實驗之完整的研究步驟流程圖。如圖4-2 所示。
圖4-1 置換機制實驗研究步驟大綱
(A) (B) (C) 以可透視微模型
進行置換機制實 驗
置換機制之比較 分析 影像分析
圖3-15 研究步驟細部流程圖 Visual Basic for Application (VBA )所均勻隨機產生，同時可計算各種寬度的孔隙與通道 的個數，及所佔的比率等，如表4-2。最後並可計算其涵蓋的總面積為 1.02 ，其中 孔隙所佔的面積五種寬度的孔與 5 種寬度頸管的實驗:約 0.44 ，孔隙率約 0.43。通 道網絡模型實驗的圖形乃由CorelDraw 軟體所繪成 ,深度方面孔隙與通道相同，其深度
cm2
cm2
約為0.8mm。
表4-1 五種寬度的孔與 5 種寬度頸管網絡模型之孔隙與通道寬度（單位：mm）
孔（Pore） 頸管 （Throat） 柵欄（Barrier）
0.6 0.34 0.1 0.72 0.38 0.88 0.42 1.14 0.46 1.28 0.5
表4-2 五種寬度的孔與 5 種寬度頸管網絡模型之各種寬度之孔隙、通道的個數及面積 寬度（mm） 個數 面積(cm2) 所佔比例
0.60 3 1.08 0.01 0.72 6 3.47 0.03 0.88 6 4.65 0.05 1.14 4 5.20 0.05 孔隙
1.28 6 9.83 0.10 0.34 10 2.39 0.02 0.38 4 2.29 0.02 0.42 7 6.64 0.07 0.46 12 3.51 0.04 通道
0.50 7 5.07 0.05
合計 65 44.12 0.43
圖 4-3 為置換機制實驗步驟之流程圖，相對於五種不同孔頸寬度通道網絡模型
之
兩相間置換機制實驗步驟等內容會進ㄧ步說明，圖4-4 置換機制實驗微模型板示意圖，圖4-5 是本研究壓力控制系統示意圖。
圖 4-3 兩相間置換機制實驗步驟流程圖 試驗步驟
首先以水相與氣相實驗步驟分段條列敘述：
i. 將二氧化碳灌入微模型板中，趕走內部空氣，再將水灌入微模型板中，以
溶解二氧化碳達到飽和。
ii. 在排退(Drainage)部分，每次下降一定的壓力水頭，等待平衡後，再次下降。
本研究採用降低水相的壓力水頭以吸引非濕潤相的流體進入微模型板 中，同時CCD 以固定的速度記錄微模型內變化的情形，若在一定時間內，
所拍下的照片均不變，則視為平衡。最後，當微模型內的水變得很少且毛 細水頭已接近柵欄的穿透壓時，即停止下降。
iii. 而汲取(Imbibition)部分，每次上升一定的壓力水頭，等待平衡後，再次上 升。直到水進入非濕潤相的儲存槽為止。同理本研究採用逐漸升高水相的 壓力水頭以排退非濕潤相。同時 CCD 以固定的速度記錄微模型內變化的 情形，若在一定時間內，所拍下的照片均不變，則視為平衡。
圖 4-4 置換機制實驗微模型板示意圖
大口徑玻璃瓶
螺桿
六角螺帽 平台
圖4-5 壓力控制系統(游標尺)示意圖。
4-2 置換機制推估與實驗觀察結果比較分析
本章節將微模型實驗觀察結果與置換機制推估值
，
分成排退階段與汲取階段兩部 份作比較說明之。
排退階段
圖 4-6-1 是微模型孔頸寬度分佈圖，後續圖 4-7~圖 4-16 所用微模型孔頸寬度分佈 接相同於圖4-6-1 所示。在排退初期，當非潤濕相進入儲存槽後，接著佔領孔，然後不 再往左右或往下移動，此時實驗系統的毛細壓力為2.8 cm，如圖 4-6-2 所示，而理論之 活塞型運動之壓力門檻值應為2.8cm，所以非潤濕相進入孔中。
在排退第五階段時，系統毛細壓力為4.0cm，並無明顯變化，且非潤濕相仍停留於 孔中，並未向前突破頸管。
排退第六階段時，當毛細壓力增加至4.3cm 時，寬度為 0.5 mm 的頸管其理論活塞 型運動的門檻值為4.5cm，非潤濕相突破寬度為 0.5 mm 的頸管並且充滿與該頸管相連 的孔，如圖4-7 所示。在排退第七階段時，系統的毛細壓力為 4.5cm，非潤濕相繼續向
前突破寬度為0.5 mm 的頸管並停留在孔中，但非潤濕相隨後突破寬度為 0.46 mm 的頸 管，並停留在頸管中，未進入孔中，如圖4-8 所示。
在排退第九階段時，系統毛細壓力為4.8cm，寬度為 0.46 mm 的頸管其理論活塞型 運動的門檻值為4.8cm，非潤濕相突破寬度為 0.46 mm 的頸管並且充滿與該頸管相連的 孔，且開始突破孔周圍的頸管，並繼續進行活塞型置換，在本階段的排退路徑中，頸管 寬度都為0.5mm，所以當系統毛細壓力達到足以排退寬度為 0.46mm 的頸管時，也就足 以將寬度大於0.46mm 的頸管或孔進行排退，此時飽和度由 Sw=0.85 降至 Sw=0.76，如 圖4-9 所示。排退第十階段，系統毛細壓力達到 5.0cm，寬度為 0.42mm 的頸管其理論 活塞型置換的門檻值為 5.04cm，非潤濕相突破寬度為 0.42mm 的頸管，並進入孔中，
且持續進行活塞型運動；在本階段的排退路徑中，頸管寬度皆小於0.42 mm，且該寬度 的頸管數量多且相通，所以造成非潤濕相的飽和度迅速增加，由原本的 Sw=0.76 降至 Sw=0.51，如圖 4-10 所示。
第十一階段，系統毛細壓力再增加 1mm 時，毛細壓力為 5.1cm，此時，非潤濕相 加速了兩根寬度為0.42mm 的頸管的穿透，因為此兩根頸管原本就已經被非潤濕相穿透 一半，而系統毛細壓力再增加時，此兩根頸管位於平行流線方向的位置，再加上排退第 十階段即已突破0.42mm 的頸管，所以非潤濕相會加速此兩根頸管的排退，而不會選擇 突破寬度小於0.42mm 頸管，如圖 4-11 所示。第十二階段，系統毛細壓力再增加 2mm，
毛細壓力為5.2cm，此時，非潤濕相突破頸管 0.38mm，但此時非潤濕相並沒有再移動，
而停留在頸管中，另一方面，非潤濕相由下方突破寬度為 0.46mm 與 0.5mm 的頸管並 停留於頸管中，如圖4-12 所示。
在第十三階段，系統毛細壓力增加至5.4cm，寬度為 0.38mm 的頸管其理論活塞型 運動的門檻值為5.4cm，此時非潤濕相突破寬度為 0.38mm 的頸管往下推進並停留在孔 中，另一方向上的非潤濕相亦突破0.5mm 的頸管進入孔中，如圖圖 4-13 所示。第十四 階段毛細壓力已達到 5.5cm，寬度 0.34mm 的頸管其理論活塞型運動的門檻值為
5.81cm，非潤濕相往下突破寬度為 0.46mm 的頸管進入到孔中，另一方面，非潤濕相已
有關活塞型運動的毛細壓力門檻值， Legait (1983)建議經驗預估模式如本文第二章中 (2-16)式：對應於本研究中五種寬度的孔與 5 種寬度頸管網絡模型實驗之各種置換機制
表4-4 五種寬度的孔與 5 種寬度頸管網絡模型實驗置換機制統計表(排退階段) 系統毛細壓力(cm) 活塞型置換
第1 階段 2.8 ○
第2 階段 3.1 *
第3 階段 3.4 *
第4 階段 3.7 *
第5 階段 4 *
第6 階段 4.3 ○
第7 階段 4.5 ○
第8 階段 4.6 *
第9 階段 4.8 ○
第10 階段 5 ○
第11 階段 5.1 ○
第12 階段 5.2 ○
第13 階段 5.4 ○
第14 階段 5.5 ○
第15 階段 5.6 ○
第16 階段 5.8 ○ 註：*代表未發生置換，○代表已發生置換
圖4-6-1 微模型孔頸寬度分佈圖 圖 4-6-2 排退第一階段
圖 4-7 排退第六階段
圖 4-8 排退第七階段
圖 4-9 排退第九階段
圖 4-10 排退第十階段
圖 4-11 排退第十一階段
圖 4-12 排退第十二階段
圖 4-13 排退第十三階段
圖 4-14 排退第十四階段
圖 4-15 排退第十五階段
圖 4-16 排退第十六階段
汲取階段
在汲取過程發生的第一階段，毛細壓力由5.8cm 減少至 5.5cm，此時，寬度為 0.34mm 的頸管之活塞型運動門檻值為5.8cm，而微模型中大部分寬度為 0.34mm 的頸管在排退 結束後都還有潤濕相殘留在頸管中，所以毛細壓力下降時，潤濕相也會藉由角隅流的方 式流入頸管中，在系統毛細壓力到達0.34mm 的頸管之活塞型運動門檻值時，頸管中的 潤濕相的量足夠將管中的非潤濕相排出，因此該頸管即為潤濕相所佔領，潤濕相飽和度 也由0.14 增加至 0.19，如圖 4-17-2～圖 4-17-3 所示。
在第四階段時，距離潤濕相源最遠的頸管亦發生活塞型置換，若實驗在第一階段的
時間夠久，該頸管應會在汲取第一階段即發生活塞型置換，如圖圖4-18-2 至圖圖 4-18-3 所示。
在第五階段到第八階段間，並未明顯的發生取代機制，直到第九階段在0.34mm 的 頸管發生過活塞型置換後，恰好有兩根寬度為0.34mm 的頸管相鄰且與為模型之邊界相 鄰，因此在第九階段潤濕相對孔發生汲取的行為，由於此情形並不屬於 In 型汲取中的 狀況，所以也無法依 In 型汲取的理論公式比較之；且潤濕相對孔發生完汲取後，隨後 又對寬為 0.5mm 的頸管進行活塞型置換，之後潤濕相又對孔進行汲取並對其相鄰的頸 管發生活塞型置換，同時，與潤濕相源相鄰的一根寬為頸管0.42mm 的頸管發生攫斷，
如圖4-19-1､圖 4-19-2､圖 4-19-3､圖 4-19-4 所示。
在第十二階段時，系統毛細壓力為3.4cm，而寬度為 0.42mm，0.46 mm 頸管，其 理論的攫斷門檻值分別為2.5cm，2.4cm，而攫斷一發生後，潤濕相馬上對孔進行汲取，
在第十二階段時，系統毛細壓力為3.4cm，而寬度為 0.42mm，0.46 mm 頸管，其 理論的攫斷門檻值分別為2.5cm，2.4cm，而攫斷一發生後，潤濕相馬上對孔進行汲取，