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多相渗流

/multiphase porous flow/
条目作者多相流

多相流

最后更新 2022-12-23
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石油和天然气开采以及与土壤改良(如土壤盐碱化的防治)工程技术中,多相性流体在孔隙介质中运动的基础理论。

英文名称
multiphase porous flow
所属学科
工程热物理及动力工程

渗流力学是现代流体力学的一个分支,它是研究流体在孔隙介质中运动规律的学科。渗流力学也是多种工程技术的重要理论基础,如石油和天然气开采、土壤改良和水利工程、地下水的开发和人工储气库、水文地质和水文勘探、铁道工程及煤矿开采,甚至化工、陶瓷、冶金等工程技术,无一不与渗流力学有密切关系。此外,在国防尖端技术中,已出现一些特殊渗流力学问题。

与渗流力学有关的孔隙介质的主要特征一般是:渗流通道的截面极小(约为10-8厘米2);内部比面极大(约为104)。因此,毛细管作用显著,渗流阻力很大,渗流速度很小,以至惯性力常可忽略不计。这些特点使渗流力学与一般的流体力学明显地区别开来。自从法国工程师H.-P.-G达西于1856年发现渗流基本定律,正式揭开渗流力学的历史之后,渗流力学特别是其中的多相渗流得到迅速的发展。

多相渗流的一般特点是,以其流体的多相性(油、气、水)区别于单相渗流。同时在渗流力学中,多相渗流理论最为复杂,它的研究方法和研究结果对渗流力学的其他领域的发展也有重要意义。因此,多相渗流已成为渗流力学中最活跃的领域。

1921~1923年,建立了基于线性阻力定律的理想气体渗流微分方程,并相应地求出了一维(单向和径向)不定常渗流问题的近似解,理论结果与实验结果基本符合。19301934年,初步建立弹性渗流理论,1946年完善了上述理论,并在油田开发实践中初步得到证实。19361942年,在研究二相(水、油)渗流机理的实验结果上,引进了相渗透率的概念,建立了不考虑重力和毛细管力影响的水、油二相渗流微分方程,并解出水、油二相一维渗流问题,基本上阐明了水驱油的非活塞性。1936年,在相渗透率研究的基础上,建立了混气液体渗流的偏微分方程,并为单向及径向不定常渗流求出了近似解。此时,多相渗流的研究工作的重心是均质流体渗流问题,此类问题可分别归结为求解拉普拉斯、傅里叶和布森涅斯克偏微分方程。在简化条件下,求出了很多有实际意义的解答。研究手段比较简单,实验技术和设备(如物理和数学模拟)处于初级阶段。后来,多相渗流的发展加快,并已形成一门独立的学科。1953年建立了考虑毛细管力和重力影响的油水二相渗流拟线性抛物型微分方程。在美国着重用电子计算机求解,而在苏联着重找相似性解。19571960年,研究了在双层非均质介质中,油水二相渗流问题,发现了“相层间串流引起油、水界面均匀推进”等这些有意义的渗流机理(在亲水介质中)。不仅如此,同时考虑水驱油非活塞性以及介质非均质性等因素的计算方法,近几年来已得到应用和发展。在弹性渗流的应用方面增加了很多近似解。1958年以后,开始重视研究非均质多孔介质中的弹性渗流及其应用简化,相应的解析和模拟方法也有所发展。19571962年,正在形成弹塑性渗流理论以及渗透率随压力变化的非线性弹性渗流理论等。1953年以来,根据数学理论应用电子计算机,计算了气体一维不定常渗流问题的解。1962年成功地解决了基于非线性阻力定律的气体渗流问题,并用计算机算出了结果。在混气液体渗流方面,出现了各种近似解和考虑到流体实际性质的各种计算方法。1962年前后,油、气两相渗流的研究也有较大进展,主要表现在更多地考虑了油气分离、溶解等过程。以提高原油采收率为主要目的的驱油新方法促使物理-化学渗流迅速发展。物理-化学渗流不仅研究力学过程,而且将渗流力学过程和物理-化学过程结合起来。它正处于形成时期,而且受到学者的广泛重视。

①研究重心由均质渗流转向非均质渗流(流体非均质、介质非均匀);同时,油水二相渗流的研究成果尤为突出,物理-化学渗流也发展较快。这是多相渗流由初级向高级阶段发展的重要标志。此外,多相渗流的其他分支也相应地有了更深更广的发展。②多相渗流理论在油气开采、土壤改良、水文勘探、地下储气及其他工程技术中得到广泛应用,多相渗流工作明显地促进了生产的发展,井成为这些工程技术的重要理论基础。③研究多相渗流的工具和方法大为改观:大型自动化电网模型和快速计算机的应用日益普遍,模拟理论和模拟技术发展到较高水平,而数值理论和统计数学等也得到应用。研究手段的改进大大促进了多相渗流理论发展。

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