渗流力学的近况和展望

渗流力学研究流体在多孔介质的运动规律.渗流是指流体在多孔介质内的流动;孔隙介质、裂缝-孔隙介质以及各种类型的毛细管体系等均属多孔介质.渗流力学是流体力学与多孔介质理论和表面物理化学等学科交叉渗透产生的一个独立的学科领域,是多种工程技术的理论基础.     

孔隙介质中稠油流体非线性渗流方程

为揭示稠油流体在油藏孔隙中渗流特性,基于力学平衡方程,建立了描述稠油流体渗流特征的非线性渗流方程,对油藏孔隙中稠油渗流过程及启动机理进行了深入分析,着重分析了边界层、流体屈服应力以及表面力对渗流过程的影响.结果表明,Hagen-Poiseuille定律需经修正方能描述稠油流体流动,边界层、流体屈服应力以及表面力对稠油渗流影响非常显著.孔隙中,稠油启动压力梯度来源于其屈服应力、表面力,边界层加剧了渗流非线性程度,实际稠油油藏开发中,要充分掌握稠油渗流非线性特征.      

动边界双重介质油藏低速非达西渗流试井模型

裂缝性油藏中基质岩块的渗透率一般很低,大量岩心测试实验证实在基质岩块内的液体渗流和在一定含水饱和度下的气体渗流将偏离达西渗流,往往出现低速非达西渗流,表现出启动压力梯度以及流体流动边界不断向外扩展等特殊现象。本文充分考虑启动压力梯度与动边界的影响,建立了微可压缩双重介质油藏低速非达西渗流的试井数学模型,对时间和空间变量...     

渗流力学的新发展

渗流力学是研究流体在多孔介质内运动规律的科学。自1856年法国工程师达西提出线性渗流定律以来,渗流力学一直在向前发展,但最近10多年来的发展更为迅速,其主要动向是:渗流力学应用范围比以前更广;渗流力学理论以较快的速度不断深化;渗流力学研究手段不断实现现代化。本文主要对几项新型渗流——非等温渗流,物理化学渗流,非牛顿流体渗流,生物流体渗流,细观渗流的发展作了综述。      

低渗透多孔介质渗流动边界模型的解析与数值解

考虑启动压力梯度的低渗透多孔介质非达西渗流模型属于强非线性动边界问题, 分别利用相似变量变换方法和基于空间坐标变换的有限差分方法, 对内边界变压力情况下、考虑启动压力梯度的一维低渗透多孔介质非达西渗流动边界模型进行了精确解析与数值求解研究. 研究结果表明:该动边界模型存在唯一的精确解析解, 且所求得的精确解析解可严格验证数值解的正确性;且当启动压力梯度值趋于零时, 非达西渗流动边界模型的精确解析解将退化为达西渗流情况下的精确解析解. 由求解结果作出的非零无因次启动压力梯度下的地层压力分布曲线表现出紧支性特点, 其与达西渗流模型的有显著不同. 因此, 研究低渗透多孔介质中非稳态渗流问题时, 应该考虑动边界的影响. 研究内容完善了低渗透多孔介质的非达西渗流力学理论, 为低渗透油气藏开发的试井解释与油藏数值模拟技术提供了理论基础.      

波浪引起的海底土层中的应力场和位移场

本文分析了波浪压力引起的海底土层中孔隙水流动的状况,给出了简化的力学模型来描述海底土层中孔隙水流动所引起的应力场和位移场.对波浪的分析采用了线性波的理论假设,波浪引起的压力计算采用高斯分布理论.孔隙流体和土骨架都假设为可压缩的,孔隙水在海底土层中的流动满足达西定律.由表示质量守恒的连续性方程与应力平衡方程出发,得到了由位移所表示的高阶微分方程,并给出了海底土层中位移场和应力场的解.其解依赖于孔隙流体和土骨架的相对压缩性,土的泊桑比和剪切模量,以及土介质的渗透率和各向异性等特性.文章还结合实际情况进行了计算,并分析了上述参数的影响.对如何应用上述结果提出了相应的参考意见.     

水力压裂中裂纹扩展的数值模拟

水力压裂是在高压粘滞流体或清水作用下地层内裂缝起裂与扩展的过程。由于包含岩石断裂和流-固耦合等复杂问题,对该过程的数值模拟具有相当大的挑战性。本文建立基于有限元与离散元混合方法的裂纹模型,模拟岩石裂纹扩展,实现了连续向非连续的转化;建立双重介质流动模型,裂隙流作为孔隙渗流的压力边界,孔隙渗流反作用裂隙的压力求解,处理了流体在基岩与人工裂缝中的协调流动;将裂纹模型与流体流动模式进行结合,建立断裂-应力-渗流耦合形式的力学模型,进一步分析了水力压裂的基本过程,综合多种数值计算方法,编写程序,在验证岩体裂纹模型与双重介质流动模型有效性的基础上,对压裂过程进行复现,将模拟结果与文献结果进行了对比,并讨论了所构建模型的优缺点。     

非线性渗流力学研究进展

非线性渗流力学、多重介质渗流力学、计算渗流力学(包括优化控制理论)以及渗流物理学,是现代渗流力学领域的四个重点发展方向。我国近年来多重介质渗流力学发展较快,在某些方面接近国际水平或略为领先。计算渗流力学也做了不少工作。可是,近10年来与生产实际需要关系密切的大部分内容都和非线性渗流有关。这方面国外发展很快。这应引起我国流体力学界重视,结合我国生产实际需要,将一部分科研力量转移到这个新的生长点上。      

低渗透微尺度孔隙气体渗流规律

微尺度条件下气体流动特性的研究是现代渗流力学前沿领域之一．分析了低渗透岩石饱和气体渗流实验结果，探索了微尺度孔隙气体渗流规律，探讨了气体非线性渗流力学机理，发现了低渗透岩石微尺度孔隙气体与液体渗流遵循同一形式的运动定律，建立了气体与液体非线性运动定律统一模型．结果表明：新模型与实验结果吻合很好，为微尺度孔隙气体微流动特性研究提供了新的理论依据，对工程地质环境保护及地下流体资源开发有重要指导意义．     

聚合物流体渗流机理研究

聚合物流体在多孔介质中渗流的研究是近年来有重大进展的领域。本文介绍从力学与物理方法进行渗流机理研究的思路、主要结果和当前活跃的研究课题。流体的非牛顿性对复杂边界条件下均匀流体力学效应的影响已得到了较好的定量处理;揭示了拉伸流粘弹特性对渗流影响的机理,其定量描述则尚有待努力。进而讨论了石油工程中十分重要的非均一流体渗流的新进展,包括大分子效应与粘性指进效应及其分形描述。对于上述物理效应的综合考虑将使聚合物渗流力学研究进入新的阶段。      

谈谈渗流

渗流是流体在多孔介质中的流动,渗流现象广泛地存在于自然界、工程材料、动物、植物中。多孔介质种类繁多,包括岩石(含各类矿藏)、土壤、生物材料和人工多孔介质材料等。渗流理论已经成为人类开发地下水、地热、石油、天然气、煤炭与煤层气等诸多地下资源的重要理论基础。本文从渗流的基本概念、渗流的分类、渗流的影响因素、渗流的特征以及渗流的研究意义等方面进行了阐述。     

多重介质渗流研究进展

从已发现的油气田来看,裂缝性油气田通常都是大油气田,其储量很大,单井产量每天数百吨到上万吨不等,经济价值极高。油、气、水在裂缝性孔隙介质中的流动特征与一般孔隙介质的特征有本质上的差异:各重介质问液量交换性,多重介质的非均质性以及各向异性等.因此,研究多重介质渗流有较大的理论和实际意义。      

ON FLOW IN POROUS MEDIA

渗流是流体在多孔介质中的流动，渗流现象广泛地存在于自然界、工程材料、动物、植物中。多孔介质种类繁多，包括岩石(含各类矿藏)、土壤、生物材料和人工多孔介质材料等。渗流理论已经成为人类开发地下水、地热、石油、天然气、煤炭与煤层气等诸多地下资源的重要理论基础。本文从渗流的基本概念、渗流的分类、渗流的影响因素、渗流的特征以及渗流的研究意义等方面进行了阐述。     

渗流力学的近况、动向和展望

渗流力学研究流体在多孔介质中的运动,是现代流体力学的一个年轻的独立领域,曾经不为人们所熟悉和重视。其实,它是多种工程技术的理论基础,而且渗流过程中还存在一些独特的饶有兴味的化学、物理现象,同时它还广泛地使用现代数学方法、计算技术和实验手段,并在一定程度上促进了应用数学、计算和实验技术的发展。     

膨胀性非牛顿流体多孔介质流动的模拟分析

在表征体元尺度采用格子Boltzmann方法分析膨胀性非牛顿流体在多孔介质中的流动,基于二阶矩模型在演化方程中引入表征介质阻力的作用力项,求解描述渗流模型的广义Navier-Stokes方程．采用局部法计算形变速率张量,通过循环迭代得到非牛顿粘度和松弛时间．对多孔介质的Poiseuille流动进行分析,通过比较发现结果与孔隙尺度的解析解十分吻合,并且收敛较快,表明方法合理有效．分析了渗透率和幂律指数对速度和压力降的影响,研究结果表明,膨胀性流体的多孔介质流动不符合达西规律,压力降的增加幅度小于渗透率的减小幅度．当无量纲渗透率Da小于10-5时,流道中的速度呈现均匀分布,并且速度分布随着幂律指数的减小趋于平滑．压力降随着幂律指数的增加而增加,Da越大幂律指数对压力降的影响越明显．     

孔隙深度对多孔储液介质摩擦学性能的影响研究

多孔储液介质凭借其独特的孔隙结构可以储存并释放润滑介质,具备良好的自润滑性能. 利用计算流体力学(CFD)方法研究了孔隙深度对多孔储液介质摩擦界面流体压力分布的影响;考虑气-液界面的弯月面力作用,研究了不同孔隙深度的多孔储液介质气-液承载模型以及气-液二相的最小压差分布规律. 基于模拟计算结果,采用3D打印技术制备了不同孔隙深度的多孔储液介质,进一步考察了孔隙深度对其摩擦学性能的影响. CFD模拟结果表明合理设计孔隙深度能够增强多孔储液介质的流体动压润滑效应,孔隙深度较低会使得润滑升力不足,孔隙深度过高又会使得孔隙中流体产生回流循环,削弱楔形效应. 气体进入多孔储液介质摩擦副表面后,在孔隙中形成气-液二相受压承载,其最大承载力随着孔隙深度的增加先升高后趋于平稳,但孔隙深度越小,对润滑作用的积极效果越显著. 摩擦试验表明多孔储液介质的摩擦系数随着孔隙深度的增加呈先降低后增加的趋势,与模拟计算结果一致. 因此合理设计多孔储液介质的孔隙深度,能优化多孔储液介质的润滑性能.      

基于塑性损伤理论的软泥页岩地层井壁稳定性分析

软泥页岩在地层高压、流体环境下独有的力学变形特性一直是井壁稳定性控制工程领域的研究热点。针对软泥页岩低强度、高塑性的特点,考虑孔隙渗流、塑性损伤引起的渗透率变化等因素,建立了渗流-应力耦合形式的井壁稳定性评价数值模型,研究了流体渗流、泥浆压力、水平应力差的影响。结果表明,对过平衡钻井,当泥浆压力超过地层孔隙压力10%时,渗流-应力耦合效应导致井壁塑性损伤区扩大至少65%,需予以考虑。水平应力差的增大会促进井壁塑性损伤区向最小水平主应力方向集中,且损伤区深度增大。     

ANALYSIS OF THE WELLBORE STABILITY BASED ON PLASTIC DAMAGE THEORY IN SOFT SHALE FORMATION

软泥页岩在地层高压、流体环境下独有的力学变形特性一直是井壁稳定性控制工程领域的研究热点。针对软泥页岩低强度、高塑性的特点,考虑孔隙渗流、塑性损伤引起的渗透率变化等因素,建立了渗流-- 应力耦合形式的井壁稳定性评价数值模型,研究了流体渗流、泥浆压力、水平应力差的影响。结果表明,对过平衡钻井,当泥浆压力超过地层孔隙压力10% 时,渗流-- 应力耦合效应导致井壁塑性损伤区扩大至少65%,需予以考虑。水平应力差的增大会促进井壁塑性损伤区向最小水平主应力方向集中,且损伤区深度增大。     

双重孔隙介质中二相驱替理论

裂缝-孔隙地层中的注水驱油问题是近十多年来油田开发和渗流力学中最受关注的问题之一.本文改进了已有的数学模型,即正确地写出了双重孔隙介质中二相渗流的基本方程,并用特征线方法进行了全面的研究,揭示了裂缝-孔隙地层中水驱油过程的基本特征.可把本工作看作是著名的Buckley-Leverett理论在双重孔隙介质中的推广.     

关于渗流中流线不封闭的特性和条件

本文对于流体在多孔介质中流动的特性进行理论研究和数值计算，提出两个关于渗流中流线不封闭的特性和条件，得到了在一般工程实际情况中的多孔介质区域内部不存在封闭流线的结论。本文以突变截面圆管中不可压缩渗流为算例，利用半人工瞬变方法进行数值计算，得到流体在充满多孔介质的突扩截面圆管和突缩截面圆管中流动时关于速度分布和压力分布的结果。由此表明，在突变截面附近的渗流区域中不存在回流和分离流，也不存在封闭的流线。渗流的这些流动特性不同于在无多孔介质的空间区域中的流动特性。