渗流力学进展与前沿

2022-09-11

引言

渗流力学不但是一个与多孔介质物理、物理化学、岩石力学、热力学、表面物理等相互交叉的独立学科, 还是一个流体力学的一个独立的分支学科。随着科学技术的发展, 及全球范围范围内石油及天然气工业的蓬勃发展, 渗流力学最活跃的部分就是对油气渗流的研究, 其已经被慢慢的渗入到石油天然气勘探、储运等各个工种环节, 早已成为一门单独的边缘学科[1]。

一、渗流力学进展

渗流力学经历几代科学家漫长的辛勤耕耘, 其从最初的创立阶段到发展阶段, 再到现代渗流力学阶段的辉煌历程。渗流力学发展表现有三个方面。

(1) 渗流力学向非连续介质方向发展。

(2) 渗流力学的研究向非达西方向发展。

(3) 渗流力学向非牛顿流体方向发展。

1. 非连续介质渗流

(1) 连续介质渗流

其被认为在任何时刻空间内的每点都被质点都占据了, 运动特性和表征物体性质的物理量则为空间和时间的连续函数, 解决渗流力学问题可以借助连续函数方法来分析解决。而且连续介质渗流理论认为当研究区域和表征单元体相比, 表征单元体明显比研究区域小, 则就可以知道研究区域是由一系列表征单元体组成的连续介质体。而多孔介质的表征单元体没有密集裂隙介质表征单元体大, 因此和考虑的范围相比非常小, 所以, 可以认为裂隙渗流是具有方向性的渗流, 并且是用等效连续介质表征单元体的各向异性。

(2) 非连续介质渗流

由于岩体内的大规模裂隙分布特别稀疏, 而所考虑的研究范围和表征单元体尺相比达到了相同数量级, 还可能非常接近, 因此就不能看作等效连续介质、连续介质渗流, 但却要将研究区域看成是非连续介质, 并在分析渗流时要按照非连续介质渗流理论来进行。通常在分析岩土体渗流数值是用的比较多的是连续介质模型, 且一般常用的方法有:有限元法、有限差分法、边界元法和有限体积法。采用非连续介质渗流模型是在对裂隙分布特别稀疏的裂隙岩体渗流情况下, 主要是岩体裂缝混合模型和网络渗透模型[2]。

2. 非达西渗流

非达西渗流

(1) 低速非达西渗流

早在上世纪40年代初气体的非达西渗流经过Klingkenberg等研究了气体在微毛细管中的流动, 并提出了滑脱效应理论, 且这个滑脱效应理论是通过其他渗流产生的。同时还用了Lzttice Boltzmann方法模拟这个效应, 从而给出了很好的物理解释。

(2) 高速非达西渗流

在自然界中高速非达西渗流很少见到, 其一般是在地下大的溶洞和高产油气井近井筒附近、暗河中地下河流动中才会有这种现象, 当出现这种现象时, 就应该考虑惯性力的影响。

达西渗流

渗流可以用渗流雷诺数来判断其有没有服从达西定律, 达西定律在流体雷诺数Re没有超过1与10之间的数值时就都适用, 而但Re超过1-10时, 则地下流淌渗流就是非达西渗流。

3. 非牛顿流体渗流

(1) 牛顿流体渗流

非牛顿流体有分子聚合物的悬浮液和浓溶液, 而酒精、水等大多数纯液体、低分子化合物溶液、轻质油、低速流动的气体都属于牛顿流体。

(2) 非牛顿流体渗流

在二次世界大战之后, 塑料、化学纤维、石油等工业的发展都非牛顿流体力学提出了社会需求, 再加上流体力学、应用数学等学科的不断提高, 也给其提供了理论基础。

二、渗流力学研究前沿

1. 多场耦合渗流

随着石油工业的发展, 由于多场耦合理论是传热学相互渗透、岩石力学、渗流力学、相互交叉的产物, 因此多场耦合理论被更多的应用于油气的开采当中。多场耦合力学随着细微观实验技术的发展而加强了微观、细观的研究, 且还为细观、微观的结合提供了基础。在多场耦合力学的研究体系中, 如果考虑多孔介质的的物理参数的模糊性、随机性和渗流的混沌性, 特别是考虑地层多孔介质的物理参数的模糊性、随机性和渗流的混沌性执行建立多场耦合模型会有很大的发展[3]。

2. 宏微观渗流

宏观渗流的研究方向应该根据其不了解孔隙内的化学、物理学、渗流力学、生物学的细节的不足, 及对宏观渗流的综合数据的了解不足来提出其研究方向。如果将微观渗流研究和宏观渗流研究相辅相成, 则可以深化对渗流的研究, 从而使渗流应用具有扎实的理论基础, 更加透彻的认识油气渗流实质, 更将成为生产管理和决策、科研设计提供重要的理论指导。

3. 多尺度渗流

其是从不同的尺度研究流体流动形态及运动规律的一门新兴学科。其是不同物理机制的耦合和关联, 而且是涉及到从分子尺度到连续介质尺度上, 因此多过程耦合和跨尺度关联是多尺度渗流涉核心问题。想改变穿传统的渗流力学不单要进行宏观研究的框架, 还需要从多尺度的角度去对不同材料特性、多孔介质渗流特性、材料渗流行为之间的关系进行研究。为方便解决和解释更多有关的实际问题, 应该突破传统观念, 从而建立新的新的渗流理论和新的数学模型。

结语

最近几年, 渗流力学在许多方面的理论与工程应用研究都得到了很好的进展。如:在物理化学渗流、传质扩散渗流、多相多维渗流、非等温渗流、非达西非线性渗流等方面。在渗流力学中各种先进的物理生物、数学、化学方法也得到了充分的应用。如:分叉理论、混沌理论、黑匣子理论、分形理论等。并且在渗流力学中先进技术也得到了飞速的发展。比如:网络变异技术、信息技术等。随着我国科学技术的跨省发展, 应用于渗流理论及工程应用研究的现代方法和技术会越来越多, 因此, 只有不断的将渗流力学范围拓广, 不断深化理论内涵, 不断将技术方法创新。

摘要：本文基于著名Darcy渗流理论, 并回顾了渗流力学的发展进程。同时借助先进的数学、物理方法, 将新兴科学技术和传统的渗流力学理论融合发展起来的宏微渗流、多尺度渗流、多场耦合渗流理论究前沿与挑战。更多的技术和现代方法随着科学技术的发展从而推动渗流力学理论进一步发展。

关键词：渗流力学,渗流力学进展,前沿