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这门学问,让油藏研究促进了医学,水利工程发展了科学

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发表于 2022-4-12 14:08:29 | 显示全部楼层 |阅读模式




一座肮脏的地方城市,几年就赶超了巴黎,凭什么?


一位搞工程的劳模,生命最后几年修成了科学家,为什么?


一名搞石油开发的院士,却成了医学会的专家,搞什么?


这些答案的背后,是一门低调的力学分支:渗流力学。不得不说,它是一门“讨人厌”的学问:


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离不开它,倒是好理解,是因为它实在有用,在城建、水利、地质、化工、材料等领域,它的作用越来越大。


这么有用的东西,为什么会讨人厌、招人恨?是因为它的复杂。


复杂到,你理解了它,就可以理解:莫名其妙的人生、不可描述的世界。


弱水三千,我们从点滴开始——一滴水、一滴豆油、一滴汽油、一滴沥青,滴在你家窗玻璃上,它们的行为一样吗?


同样是这些液滴,同样是平面,滴在你家墙面上、窗帘上、菜板上、菜刀上……它们的行为,与在玻璃上还会一样吗?


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我们更进一步,还是上述物品,稍改一改流量,它们的行为会不会发生变化?


当然会变化,比如——同样是你家窗玻璃,同样是豆油:滴管挤上一滴,它会慢慢流淌出一条线;针尖蘸上一滴,它不会流淌;泼上去一碗,它会哧溜一下淌出一大片。


为什么?


因为,豆油与玻璃贴近的分子之间,会相互吸引,所以,贴近玻璃的豆油,就可以附着在玻璃表面。这种现象叫“浸润”。


与此同时,豆油分子们一边做热运动,一边相互吸引,不断地碰撞、摩擦,对豆油的宏观变形、流动,会产生粘滞阻力,这种性质叫“黏性”。


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条件不同,浸润的附着力,黏性的阻滞力,就各种不同。


而且,流体与介质之间也不都浸润。


比如:水浸润玻璃,却不浸润石蜡;


水银浸润锌铅,但不浸润玻璃。


所以,用不同材质做成细管,插在不同的流体里,管中流体的爬高就各种不同——


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这就是“毛细现象”。


可以想见,管子越细,毛细现象越明显。


那是因为,管子越细,接触管壁的流体分子占比就越大,它们之间的吸力或斥力,对整体行为的影响就越大,甚至超过重力、压力等外力的影响。



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毛细现象十分普遍。砖头、粉笔、毛巾、纸巾、海绵、土壤……都有很多细微的孔隙,属于“多孔介质”。它们与液体接触,就会产生毛细现象。这就是为什么它们能吸水。

上述只是举例,影响流体与介质相互作用的,当然不止这些因素。

总结一下:流体的配方,多孔介质的材质、形状、构造,等等,任何因素的变化,都会令流体的行为发生变化。那是相当的复杂。

设想,把多种流体、多种介质混搭起来,又将如何?

设想,再加上温度、压力、物理化学变化,又将如何?

这位朋友也许会质疑:这么变态的条件哪里找得到呢?




 楼主| 发表于 2022-4-12 14:11:27 | 显示全部楼层





其实,在自然环境中,随处可见。


而在这种条件下,搞清楚流体在多孔介质中的行为,就是渗流力学的研究内容。


这么变态的研究,为什么一定要搞呢?这要从城市的噩梦说起。


人类发展,离不开城市建设。而在古代,城市发展到一定规模,饮用水就无可避免地受到垃圾、污水、排泄物的污染,成为病菌传播的天堂。天花、疟疾、鼠疫、霍乱等瘟疫竞相迸发。


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现代以前,除了一些水资源得天独厚的城市,一般城市供排水系统都跟不上——这成了城市发展的噩梦——城市发展得越大,就越是臭气熏天。瘟疫来得就越快、越频繁。


比如霍乱,在十九世纪初,到了隔几年就爆发一次的程度。就连当时世界最发达的城市伦敦都不能幸免。


解决这一阻碍人类发展的老大难问题,不仅需要决心和财力,更需要人才。


1828年,法国比较大的城市第戎就找到了这个人才:


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达西是法国陆军的一名工程师,1803年出生,14岁那年丧父,在姨夫的帮助下完成了学业——18岁进入巴黎理工学院,20岁进入巴黎桥与路学院,老师名单中有傅里叶、科里奥利等如雷贯耳的名字。


达西的任务是,让第戎人人用上干净水。


这是个大难题,因为第戎城里没有大型河流,地下水也不够用,只能从城外引入,过滤成纯净水使用。这就涉及到“渠道、水井、水泵、管网、沉淀、过滤……”系统一体化,翻译过来就是:流体在一系列环境、介质中的行为,要多快好省地掌控起来。


水过滤,达西的方案是砂滤,让水在不同粗细度的砂石中流过,这就是渗流。


那时,流体力学只是初步揭示了水在管道里的大致行为——


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而水在砂石的缝隙中怎么流,更不清楚。


换句话说,达西面临的局势是:必须一手摸清水在管道里的行为,一手扒开水在多孔介质中的秘密,两手都要硬,才能拿出第戎城市供水的可行方案。


作为一名工程师,动手之前,居然要先解决理论问题,能怎么办?


达西的答案是:动手,搞实验。


为了提高实验精度,达西还顺手搞了不少技术创新,比如改进了“皮托管”。


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皮托管可用来测量流体的压强、流速。它用途广泛,光是飞机上,高度计、空速表、马赫表、垂直速度表等,都离不开皮托管。


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通过各种实验,达西发现,管道粗糙度是一个无法拒绝的条件,于是一丝不苟地摸清了它与管道直径、摩擦系数之间的函数关系:


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这是一般管道的情况。


如果进了很细的管子,液体又该怎么流呢?


达西后来认识到,泊肃叶定律和自己的研究非常类似。于是,他通过实验,研究了黏性液体进入细管后,低速流动的情况——


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这个公式,揭示了黏性流体在细管中,流速和水头损失之间的线性关系,同时,也在一般管道、毛细管之间建立了重要的联系。


毫无意外地,达西后来又发现,这个结果,与水在砂滤中的行为类似。









 楼主| 发表于 2022-4-12 14:13:30 | 显示全部楼层




研究水在砂中的流动规律,是达西搞定供水工程的理论突破点。当时,很多国家的工程师在利用砂滤,但没人总结出普遍规律——过滤器截面、厚度、容积、孔隙度与流量的关系,没个好用的公式来算,工程效果自然是参差不齐。

一条多孔介质流动定律的需求,已成为工程师们的燃眉之急。

达西的方法,依然是先动手,搞了一系列砂柱实验。比如——


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在一个高3.5米、内径0.35米的管柱中,填入河砂,予以各种调整:填料的粗细、高度、压力之类,测定不同位置的压力、排量,等等。最终得出结论:相同的沙子,排水量与其渗透能力、介质的截面积、总压降成正比,与砂层厚度、流体粘度成反比。

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这就是著名的达西定律。渗透力学由此奠基,现代定量水文地质学也由此萌芽。

达西的水利工程,在街道每隔100米设置一个公共喷泉,不仅为第戎居民提供了干净的饮用水,还用于街道、下水道的清洗,以及消防用水。一座粪坑般的城市,由此华丽转身,成为公园城市。


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此前,巴黎由于早就建立了成熟的粪肥转化和配送系统,是世界上最干净优雅的城市之一。而第戎的水利工程完成后,成了巴黎的学习样本。

第戎的水利工程,为城市供水提供了普遍的基础理论和实践经验。

达西的令人佩服之处,不仅体现在智力贡献上,还体现在敬业奉献的精神上——带病坚持工作,承担了繁重的路桥、隧道等工程任务,甚至二月革命后受到迫害也没停止,把自己应得的报酬用于建立工人合作社等等。

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1844年第戎供水工程完工时,市政委员会授予他一枚金牌。

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正面图案是至今仍矗立在第戎的水库塔楼。

达西因健康恶化而卸任后,在生命的最后几年里,仍研究不辍,在专著《第戎城的公共喷泉》总结提出了达西定律,成为一名杰出的科学家。

达西于 1856 年发表的 “第戎市的公共泉水” 报告被列为 “1920 年以前力学发展史上的 100 篇重要文献” 之一,1857年,法国科学院一致推选他担任主席——要知道,十九世纪,是法国拥有巴斯德、拉普拉斯、拉格朗日、伽罗瓦、安培、库仑、庞加莱、泊松、居里夫人等一大波科学牛人的时代。

达西定律是描述流体通过多孔介质的基本方程,是许多学科的定量基础,比如水文学、水文地质学、土壤科学、土木工程、石油工程、化学工程等。

达西可能不会想到,他的定律提出仅七年,就被应用于石油地质的含水层分析,解决地下水流入油井的径向流等问题,推导出了承压、非承压含水层中稳定径向水流的表达式。

油藏渗流力学就此起步,且从未止步。

毫无悬念地,由于地下情况过于复杂,达西定律只在一定范围内适用,比如液体渗流速度范围、气体渗流密度范围等,所以必须联系实际促发展,将其修正、推广到各种不同的情况,甚至另辟蹊径。







 楼主| 发表于 2022-4-12 14:15:51 | 显示全部楼层



20世纪30~40年代,单相不可压缩和微可压缩在均质地层中的渗流基本解决;多相渗流的研究始于30年代;60年代,裂缝介质、多重介质渗流、非牛顿流体、非达西渗流的研究越来越多。

可以想见,在深达几百米、几千米的地下,各种品质的油、气、水等多种流体混杂,各种岩石构造,各种裂缝、孔隙,混搭成无比复杂的多孔介质,温度、压力、物理化学环境变化多端——

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比如流体的粘度,即使是相同的流体,比如单纯的水,在不同温度下,粘度也是变化多端——

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by《高等渗流力学》(孔祥言 编著)

何况,原油成分复杂,具体到现实之中,情况更是千差万别——

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by《高等渗流力学》(孔祥言 编著)

再比如岩石的孔隙,它肯定不像海绵那样均匀通透,而是比微缩溶洞的大集合更复杂,材质各异,曲折难料,狭阔不一,疏堵不定……

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新疆塔里木盆地温宿地区古近系砂岩孔隙中的液态石油 by中国矿业报

所以,油气渗流学研究,非常复杂,涉及了物理、化学、数学、地质等多学科的多个分支,比如非线性动力学、热力学、几何学、微积分,甚至混沌学、拓扑学等等。

如此复杂的研究,其需要发展的理论、需要归纳的实践知识,是海量的,且是永无止境的。

也就是说,搞好油气勘探开发所面临的最大矛盾,就是集成海量知识并及时更新前沿研究成果的无限要求与人类精力的有限现实之间的矛盾。

这么大的矛盾,如何解决呢?那就是借助智能科学、信息科学、知识可视化理论等新方法、新工具、新手段。这是研究油气渗透力学的新方向。

新方向的成功典型,就是KAPPA workstation,它专注油气藏动态流动监测分析,集成了百年来油气藏渗流力学的研究成果,总结了油气勘探开发实践经验,新知识、新研究与时俱进,比如:提出广义拟压力、拟时间函数概念,予以描述解吸附气、储层应力敏感影响效应,表述了储层渗透率变化对压力响应的贡献,对于致密气藏、页岩气藏等非常规油气藏,给出了独到的线性化处理方法,等等。是分析油气藏渗流情况,掌握油田生产动态,为开发方案提供科学决策依据的一站式协同工作平台。

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我国对渗流力学的研究,起步较晚,但成绩提升飞快。比如中科院的郭尚平院士,这位石油开发专家,居然以生物学上的研究,得到了业界国际大牛的赞誉。

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郭尚平是油气藏渗透力学专家,始终专注于石油勘探开发的研究,直到1962年,他看到一篇科普文章,里面介绍:人体每个细胞附近约20微米内必须有毛细血管,否则这个细胞就会因氧气和养分无法送达而死亡。

郭尚平看了,就想,毛细血管分布如此密集,那么动物体就是多孔介质,而其中血液的流动,就属于渗流了。

于是,郭尚平组建团队,开展了血液渗流的研究。随着研究的深入,不仅纳入了淋巴系统、肺泡系统、肾小管等其他体液的渗流,还扩展到植物的渗流研究。在世界上首次提出了“生物渗流”的概念。并初步建立起几种典型的生物渗流多重介质数学模型。为生物渗流的研究推开了大门,打下了初步基础。

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生物力学之父、美国华裔科学家冯元桢评价说:“郭先生的理论在世界上是突出的。”

生物渗流的研究,对于医学研究有促进意义,由于这一贡献,中华医学会吸纳郭尚平院士为会员。

1990年后,郭尚平停止了生物渗流的研究,专注于石油勘探开发的研究,他首先提出的“微观渗流”概念、理论和实验技术,为提高石油采收率提供了新的理论基础。



主要参考资料(微信“ESSCAGROUP”后台回复“渗流”或“达西”可提取):


1.《Henry Darcy (1803–1858): Immortalized by his scientific legacy》作者:Craig T. Simmons


2.《高等渗流力学》编著:孔祥言


3.《现代油藏渗流力学原理》编著:葛家理 宁正福 刘月田 姚约东


4.《谁是 19 世纪实验流体力学的代表人物 ——纪念亨利·达西诞辰 210 周年》作者:丁祖荣


5.《我国生物渗流的研究现状及展望》作者:宋付权 许友生 吴锋民





发表于 2022-4-14 09:31:27 | 显示全部楼层
任凭弱水三千,我只取一瓢饮!
 楼主| 发表于 2022-6-7 16:50:31 | 显示全部楼层
stallonesjsl 发表于 2022-4-14 09:31
任凭弱水三千,我只取一瓢饮!

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