渗流力学的发展简史、工程应用及其展望

weixin

　　渗流是指流体通过多孔介质的流动。所谓多孔介质通俗地说即是含有大量孔隙、裂缝和(或)孔洞的固体材料，但是要求多孔材料中的大多数孔隙必须是连通的。渗流力学即是研究流体(液体或气体)在多孔介质中运动规律的一门学科，当然广义的渗流力学概念应该还包括研究渗流过程中流体和固体各自的性质以及这两种不同相体之间的相互作用。

　　从学科上看，渗流力学是流体力学的一个独立分支学科，但同时它又是一门与岩石力学、固体力学、多孔介质理论、表面理论、物理化学和热力学等学科交叉发展的边缘学科。应该说对于渗流力学及其研究范围的准确定义是比较困难的。

　　渗流一词是我国学者的“创新性发明”。在美国等西方国家渗流被描述为flow through porous media，即是通过多孔介质的流动，有时也简称为porous flow或seepage 。而俄文中渗流的对应词意思为过滤器中的流动，例如在阿列文的《渗滤理论》的译文中称渗流理论为“渗滤理论”，在卡佳霍夫的《油层物理》译文中也将渗流理论称为“渗滤理论”。20世纪60年代初期我国学者给出了多孔介质流动的汉语定义：渗流。如此准确恰当的定义也许只有博大精华的汉语才能给出!

　　目前关于渗流力学研究的结果表明渗流力学根据渗流对象的不同可以分三大类：地下渗流，工程渗流和生物渗流。

　　    · 地下渗流是最普遍的渗流现象，石油、天然气、煤层气、地下水和地热等在地层中的流动都属于地下渗流力学研究的范畴，渗流力学也是由研究地下渗流发展起来的。

　　    · 工程渗流是指流体在人造多孔介质中的流体，比如工业上各种过滤器中的流动、流体通过流化床的流动等等。


　　    · 生物渗流从广义上说是指人体、动物体和植物体内的生物流体以及非生物多孔介质内的含有微生物的流体的渗流，比如血液、淋巴液在人体内的运动，水分和养料在植物体内的输运等等。目前生物渗流重点是在生命科学上，这个研究课题是在我国首先开始的，由石油勘探开发研究院郭尚平院士首先倡导研究的。

　　目前国内的渗流力学研究机构主要是一些石油院校以及研究地下资源开发的科研机构，比如中国石油大学、重庆大学、中国矿业大学和石油勘探开发研究院。中国科学院渗流流体力学研究所是我国唯一的渗流力学专业研究机构，已建成渗流力学方面的多个实验室，有的已达到国际先进水平，中科院力学所和武汉岩土力学所也进行许多渗流力学方面的研究工作。

　　1、渗流力学的发展简史
       从渗流力学一个半世纪的发展历程来看，可分为创立阶段、发展阶段和现代渗流力学形成阶段。

　　(1) 渗流力学的创立阶段
　　渗流力学的最先发展是从研究地下水的开采开始的。1856年法国水利工程师亨利·达西(Henri Darcy)为解决城市供水问题而提出的。当时研究的核心问题是为了满足城市用水水利部门应该怎么优化设计供水设施。达西通过大量室内试验研究表明：通过沙土等孔隙介质单位面积的水流量与水力梯度成线性正比关系。在以水流速度为纵轴，水力梯度为横轴的坐标轴上达西定律即为通过原点的一条直线。所以达西定律也成为线性渗流定律。

　　达西渗流定律由于其基本原理简单所以很快变发展的比较成熟，广泛应用于水利建筑和地下油气资源开采方面，尤其是成为指导石油天然气开采的理论基础。此时研究的主要是单相液体在稳定状态下的渗流规律，即在研究渗流规律时仅认为各种物理和力学参数是空间的参数，不考虑时间因素的影响。显然这是一种对实际情况的简化与近似，因此一般称以达西线性定律为基础的渗流理论为经典渗流理论。

　　(2) 渗流力学的发展阶段
　　由于经典渗流定律的缺陷以及人们对自然规律的深入研究，线性达西定律已经不能解决实际工程中所面临的问题。渗流力学的发展必须是面向两个方面：其一是拓宽达西线性定律的范围，向非线性方面发展以及考虑非稳定问题。其二是渗流力学的应用范围迅速扩大。

　　人们在实际问题中很快发现达西定律是有一定的适用范围的，超过了这些范围，渗流规律就会变为非线性的。这主要表现在两种比较极端的情况下：

　　    · 低速渗流。低速渗流时的一个显著特点就是流体渗流开始阶段需要一定的启动压力梯度，类似于固体材料中塑性材料，并不是施加压力梯度的同时随即会产生渗流速度。国内外许多研究者对于低速渗流都已经给出了比较明确的流动规律，取得了比较准确的结论。


　　    · 非线性渗流即是高速非达西渗流，这种情况在自然界的渗流现象中不是很常见，一般是在高产油气井近井筒附近和地下大的溶洞、暗河中地下河流动中会发生高速非达西渗流现象。这时候就必须考虑惯性力的影响，某些情况下还得使用湍流的研究结果考虑渗流问题。


　　非稳定渗流的研究成果是由齐斯(C.V.Theis)于1935年首先发表的，这一成果也使得渗流力学进入了一个新的发展阶段。实际中稳定渗流只是一种近似假设，自然界中渗流都可以说是非稳定的，只是随时间变化的快慢不同而已。非稳定渗流理论到20实际50年代发展的就比较完整了，在油气开采中也得到了很好的应用，诸如解决井群干扰和边界影响等问题。

　　(3) 现代渗流力学阶段
　　现代渗流力学的形成以以下几方面的研究为标志：非牛顿流体渗流、非等温渗流、物理化学渗流、低渗透多孔介质渗流、微观渗流、流固耦合渗流等等。

　　达西渗流定律包括后来发展的非线性渗流规律多是以水、天然气为研究对象的，这些流体从力学性质来说总的特点是分子结构简单、易于流动和粘性比较小等，称为牛顿流体。而对于一些稠油和高粘度石油、石油水力压裂中使用的各种压裂液(诸如乳状压裂液、泡沫压裂液等)等分子结构复杂、流动性差和粘度比较大的流体，他们的渗流规律完全不能使用达西定律进行描述的。这些流体称为非牛顿流体。虽然人们对于非牛顿流体渗流已经取得了一些成果，但对于非牛顿流体的一些基本性质还尚待研究。

　　传统的渗流力学都是把渗流过程或渗流场看作是等温的情况，即在研究渗流规律时不考虑温度对力学参数和渗流过程的影响。非等温是指除了考虑压力场和速度场以外还要考虑温度场。尤其是在三次采油地热开发以及某些工程渗流中都必须考虑温度分布以及流体和固体力学性质、力学参数随温度发生变化的情况。20世纪80年代稠油热采的技术指标和经济指标均已成熟，我国克拉玛依油田、胜利油田和辽河油田等已进行了多年的热采工作。

　　物理化学渗流是指含有复杂物理变化和化学反应过程的渗流，这些物理变化和化学反应过程有对流、扩散、弥散、吸附、解吸、浓缩、分离、相变以及乳化等等。经典渗流理论是不考虑这些因素的，而实际情况是由于渗流中外界情况的变化参与渗流的流体肯定要发生理化作用。

　　微观渗流是指在孔隙尺度上、微米量级尺度上研究流体在多孔介质中的渗流的规律与性状。传统的渗流是研究宏观特性即统计平均特性，而不能确切了解多孔介质内部的物理化学过程及渗流机理。微观与宏观研究相互补充，可对渗流的认识更加透彻，微观渗流研究的内容包括多孔介质本身的特性如介质的拓扑结构、孔隙和裂缝的分布情况(一种观点是否有分形的特征，尤其是裂缝的分布)、孔隙表明粗糙度。多孔介质与流体之间的关系如表面湿润性、饱和度分布和各相之间的分布细节等等。微观渗流实验力学及其应用是目前研究的热点和重要的发展方向。

　　流固耦合研究通常是将渗流力学与岩石力学、固体力学结合起来。所涉及的内容包括振动采油、水库诱发地震、地面沉降和煤层气渗流、油气开采水力压裂等等。振动采油是利用外力作用来提高石油采收率，研究表明在交变在和作用下多孔介质和流通处于膨胀和收缩的交替过程，应力应变关系是瞬间状态。水力压裂更是流固耦合作用的典型例子，渗流场很变形场是时刻互相影响的。煤层气渗流与煤岩的耦合是采煤和采气中必须研究的重要课题。

　　2、渗流力学的工程应用及展望
       正如引言中所简要叙述的，渗流力学目前应用的大体领域包括三个方面：地下渗流力学、工程渗流力学和生物渗流力学。

　　(1) 地下渗流
　　渗流力学是地下流体资源(石油、天然气、煤层气、地下水和地热等)开发的理论基础。总体来看地下流体资源的单相渗流问题已经基本解决，描述流体运动的控制方程可归结为数学上的拉普拉斯方程和热传导方程或波松方程，借助于数学研究成果，这些比较简单的方程已经能够得到解析解。但是低于饱和压力下开发油气资源以及注水或注气驱油涉及的多相流问题目前尚在研究当中。多相流的研究自20世纪30年代已经开始，由于多相流流动中涉及传热、传质、物理化学反应等复杂因素，所以对于多相流数学模型，除了简单条件下可以获得解析解和相似性解之外，一般都需要数值求解。

　　地下水渗流是渗流力学的一个重要方面，国民经济的需要有力地促进了地下水渗流力学的研究和应用。由于工农业生产用水和生活用水对地下水资源开发利用的需要越来越多，促进了地下水渗流的发展。利用渗流力学理论可以比较准确地确定地下含水层的物理参数，对于地下水的合理开采具有很大指导意义。

　　与水工建筑有关的渗流力学问题从来都是受到重视的。例如渗流过程中对水工建筑有破坏作用，对渗流过程进行预测并据此采取必要的措施，就有可能延长水工建筑的有效使用年限甚至避免可能出现的事故。

　　除了上述问题，像地热开发、盐水层开发、地下储气库工程、城市地面沉降、污水地下处理、地下核爆炸、地震预报等问题都要求加速渗流力学的力量研究和应用研究。

　　(2) 工程渗流
　　化学工业中存在许多渗流过程，如过滤、洗涤、浓缩、分离以及充填床内的具有复杂化学反应的流体流动等，其中有些是利用多孔介质作为流体进行反应的场所，有些是将多孔介质作为滤流的填料。硅酸盐工业和冶金工业中也有很多的渗流问题，像耐火材料、陶瓷和金属陶瓷等人造多孔介质中进行的各种物化反应等，都得研究材料的渗透性质、孔隙结构、比面和热传导性等等。

　　总之工业渗流中的问题一般都是相当复杂的涉及物理化学反应的多相非稳定渗流问题，甚至还得考虑分子渗流以及超微孔隙渗流问题。这些问题的研究解决，不但有利于国民经济的发展，而且有利于促进渗流力学的发展。

　　(3) 生物渗流
　　生物渗流力学是流体力学和渗流力学的交叉学科，生物渗流力学的研究起源于20世纪70年代。20世纪80年代初，著名渗流力学专家郭尚平院士等人证明了生物体内有关租住和脏器内大量存在多孔介质，这为生物渗流力学的建立确立了理论基础。现在已经研究证明，与动物体内的血液循环、淋巴液循环和呼吸系统的气体运动以及植物体内的水分、糖分输送等有关的渗流问题均属生物渗流。由于生物渗流力学与人体健康、疾病的诊断和防治以及植物生长、农业和林业的发展有密切关系，因此近二十年来受到重视。

　　(4) 展望
　　根据目前渗流力学研究的现状和其理论本身发展的特点及各种工程实际问题的需要，渗流力学在以后的研究中以下问题当是研究的重点与前沿问题：

　　    · 深入考虑固体性质与流体性质的渗流问题;


　　    · 虑温度因素的渗流问题;


　　    · 考虑复杂物理和化学过程的渗流问题;


　　    · 微观渗流与生物渗流。

　　本文转载自科学网孙军昌的博客：知足常乐，作者：孙军昌，中石油工程师，封面图片来自互动百科。