渗流力学.
渗流力学
渗流力学研究的内容
流体通过多孔介质的流动称为渗流。多孔介质是指由固体骨架和相互连通的孔隙、裂缝或各种类型毛细管所组成的材料。渗流力学就是研究流体在多孔介质中运动规律的科学。它是流体力学的一个重要分支，是流体力学与岩石力学、多孔介质理论、表面物理、物理化学以及生物学交叉渗透而形成的。
渗流现象普遍存在于自然界和人造材料中。如地下水、热水和盐水的渗流；石油、天然气和煤层气的渗流；动物体内的血液微循环和微细支气管的渗流；植物体内水分、气体和糖分的输送；陶瓷、砖石、砂模、填充床等人造多孔材料中气体的渗流等。
渗流力学在很多应用科学和工程技术领域有着广泛的应用。如土壤力学、地下水水文学、石油工程、地热工程、给水工程、环境工程、化工和微机械等等。此外，在国防工业中，如航空航天工业中的发汗冷却、核废料的处理以及诸如防毒面罩的研制等都涉及渗流力学问题。
渗流的特点在于：（1）多孔介质单位体积孔隙的表面积比较大，表面作用明显。任何时候都必须考虑粘性作用；（2）在地下渗流中往往压力较大，因而通常要考虑流体的压缩性；（3）孔道形状复杂、阻力大、毛管力作用较普遍，有时还要考虑分子力；（4）往往伴随有复杂的物理化学过程。
渗流力学是一门既有较长历史又年轻活跃的科学。从Darcy定律的出现已过去一个半世纪。20世纪石油工业的崛起极大地推动了渗流力学的发展。随着相关科学技术的发展，如高性能计算机的出现，核磁共振、CT扫描成像以及其它先进试验方法用于渗流，又将渗流力学大大推进了一步。近年来，随着非线性力学的发展，将分叉、混沌以及分形理论用于渗流，其它诸如格气模型的建立等等，更使渗流力学的发展进入一个全新的阶段。
渗流力学的应用范围越来越广，日益成为多种工程技术的理论基础。由于多孔介质广泛存在于自然界、工程材料和人体与动植物体内，因而就渗流力学的应用范围而言，大致可划分为地下渗流、工程渗流和生物渗流3个方面。
地下渗流是指土壤、岩石和地表堆积物中流体的渗流。它包含地下流体资源开发、地球物理渗流以及地下工程中渗流几个部分。地下流体资源包括石油、天然气、煤层气、地下水、地热、地下盐水以及二氧化碳等等。与此相关的除能源工业外还涉及农田水利、土壤改良(特别是沿海和盐湖附近地区的土壤改良)和排灌工程、地下污水处理、水库蓄水对周围地区的影响和水库诱发地震、地面沉降控制等。地球物理渗流是指流体力学和地球物理学交叉结合而出现的渗流问题。这些问题的研究进一步推动了渗流力学理论的发展。地球物理渗流包括雪层中的渗流和雪崩的形成、地表图案的形成、海底水冻层的溶化、岩浆的流动和成岩作用过程以及海洋地壳中的渗流等。
存在于人造多孔介质或工程装置中的流体渗流称为工程渗流，它涉及化学工业、冶金工业、原子能工业、机械工业、建筑工业、轻工食品等多个部门。存在于人体和动植物体内的流体渗流称为生物渗流，它包含人体和动物体内毛细血管中的血液流动与呼吸系统的气体运动，植物体内的水分糖分的流动等。
简单地说．渗流研究的意义体现在；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，在环境保护、地震预报、生物医疗等科学技术领域中，在防止与治理地面沉降、海水人侵，兴建大型水利水电工程、农林工程、冻土工程等工程技术中，已成为必不可少的理论。
渗流力学理论与应用研究的展望
渗流力学的发展，一方面是受到工农业生产所提出各种实际问题的激励和推动，一方面是受到相关科学技术发展所提供各种手段和方法的支持和帮助、反过来渗流力学的发展又极大地促进有关部门的生产发展和相应领域的科技进步。在20世纪末渗流力学本身和相关科学技术发展的基础上，渗流力学的理论和应用研究在双世纪上半叶将获得更加广泛和深入的发展。
1．1 细观渗流的研究
细观渗流是指研究在微细尺度上(目前二维像素(pixel)和三维像素(voxel)的线尺度均在10 0μm以下)渗流的性状。传统的渗流是研究宏观特性，即统计平均特性,不能确切了解多孔介质内部的物理化学过程及渗流机理。细观与宏观研究相互补充可使对渗流的认识更加透彻。细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、孔隙表面的粗糙度、空隙度和渗透率的分布情况等；多孔介质与流体之间的关系，如表面润湿性、吸附和解吸特性、饱和度分布和各相之间的分布细节等。
1．2流固耦合的研究
流固耦合的研究通常是将渗流力学与岩土力学结合起来，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：在交变载荷作用下，多孔介质和流体处于膨胀—收缩的交替过程，应力—应变关系是瞬变状态。水库大量蓄水会造成局部岩体应力积累。地面沉降及恢复过程也涉及流固耦合问题。煤层甲烷气渗流与煤体力学的耦合是采煤业和煤层甲烷气开发中必须研究的重要课题。众所周知：瓦斯突出严重地威胁煤矿工人的生命安全；而煤层气开发己成为提供能源的一个新途径。流体饱和的多孔介质中波系的传播也是一个值得重视的领域。
对流固耦合渗流的研究已显得十分重要。流固耦合问题涉及的范围很广。微动态渗流问题，水库与大坝的相互作用问题等，均属于流固耦合问题，对流固耦合渗流问题已经做了一些研究，例如在考虑流固耦合的同时，又考虑温度场、地电场以及其他物理—化学因素。下面介绍几个工程领域中的例子。
1.2.1．地面沉降的渗流问题
地面沉降是世界上普遍存在的一种环境灾害。它主要是由于过度开采地下水或地下矿产资源而造成的，往往毁坏市镇工程设施与地面建筑物及铁路公路交通设施，还可能造成地面开裂或海水入侵等。过去，威尼斯、东京等大城市的地面沉降现象是世界有名的，影响了城市建设，给人民的生命财产安全带来严重危险。现在，世界上的地而沉降情况就更严重了，已成为城市的主要灾害之一。例如，美国的加利福尼亚地区多处出现地面沉降现象，据不完全统计，我国至少已有30多座城市出现过比较严重的地而沉降问题，例如上海、大津、西安、常州等城市。这些城市发生地面沉降的原因主要是不合理抽取地下水，引起地层孔隙流体压力下降．导致岩层或土层变形。天津市市内年平均沉降超过5cm，个别地区达14cm，1949—1997年的累积沉降一般巳达2.7m。上海市自1921年发现地面沉降到1965年，最大累积沉降量达2．63m，有些地方降到了海平面以下。从1963年起，上海市限制地下水抽用量，1965年起进行开采层次调整和人工回灌。自从采取防治地面沉降措施后，市区地面沉降逐渐趋于稳定，但市区冬灌夏采，水位不断起落，地面冬升夏沉。随着城市化进程的加快，城市人口急剧增加。生产和生活用水量日益增加，这给地面沉降防治带来很大困难。涉及地面沉降的渗流问题是流固耦合问题。需要将渗流力学与岩土力学等学科紧密结合起来，才能得到较好的解决。这类问题可分成两类：一为基础性问题，需要进行实验研究和理论分析；二为应用性问题，例如，采水灌水工程的层位组合、井网井位布局、采灌量的规划、动态预测和动态分析以及治理过程中的层位、井位和采灌量的调整等，都需要相应的渗流计算分析。30多年来，我国在地面沉降防治方面，
从渗流的角度开展了理论分析及应用研究工作，但投入力量较小，未能满足工程实际的需要。因此，一方面需要增加投入；另一方面需要渗流力学界的专家学者进行多学科交叉研究。
1.2.2．水库诱发地震中的渗流问题
人类工程活动在一定条件下可诱发地震，如修建水库、城市或油田抽水或注人工爆破或地下核爆破等均可引起地震活动。水库诱发地震可能毁坏水库水坝，使人民生命财产遭受巨大损失。水库诱发地震的机制随条件不同而有所区别。有的是水库大量蓄水的载荷效应使水库下岩体中孔隙水压增加，导致岩体中部分构造应力提前释放，使地震活动加剧。有的是因库水沿岩体层理、节理及各种层次的裂缝渗流入岩体深部，使孔隙水压增加，提高了岩体局部的应力积累，进行能量释放而发生地震。黄河龙羊峡水库和陕西三原县冯村水库地震均为上述机制的实例。有时，在上载负荷变化和入渗水影响的同时，还存在固体潮效应，龙羊峡水库地震与朔望固体潮的关系就相当明显。中国总震例数的50％为外部成因的水库诱发地震。将渗流力学与岩土力学结合起来，深入研究水库诱发地震机制，为地震预测预报提供理论依据，这是一项长时期内都不能松懈的工作。这方面的研究还很薄弱。
1.2.3．煤层渗流
煤层气渗流与煤体力学的耦合研究对煤炭开采有重要的意义。一方面。煤层气是煤矿生产的灾害隐患；另一方面，它又是一种洁净的能源。我国煤层气资源很丰富，是我国重要的接替能源之一。合理开发煤层气资源可以从根本上解除煤矿瓦斯灾害隐患。煤层大多属于孔隙裂缝多重介质，煤的孔隙和裂缝表面极不规则，煤层介质中除瓦斯外有时还有水，瓦斯在煤孔隙裂缝表面上的吸附和解吸机制很复杂，地电场与温度场等物理场对瓦斯渗流有影响。多种因素影响使得煤层气渗流问题往往非常复杂，渗流基本规律是否遵循达西线性渗流运动定律还需要探索。我国有关单位的科研人员在瓦斯突出的研究方面，已取得了一定的成果，但对于煤层气渗流基本规律与机制的认识还很肤浅，有待于进一步研究。
1.2.4．石油开采中的流固耦合渗流
油气藏开发过程是多相流体渗流与储层介质变形耦合的动态过程。在交变载荷作用下，多孔介质和流体处于不断地膨胀和收缩交替变化状态，不稳定渗流过程和岩石应力—应变过程相互影响，其结果是在产出液中油的比例升高，水的比例减小，有利于提高石油的采收率和产量。室内实验和矿场实验表明．以不同的频率和幅度不断改变压力和流量，使油层中的压力场和速度场不断变化，有助于提高原油产量和采收率。因为我国石油年产量的绝大部分都是在高含水条件下获得的，因此上述问题作为流固耦合问题进行研究是有重要意义的。除了上述四个领域涉及流固耦合问题外，在其他领域也存在类似的问题。例如，黄土地区的地面裂陷和岩溶塌陷等，需要从事渗流研究的科技入员给予足够的重视。
1．3输运过程的研究
输运过程是当代渗流力学中的重要课题，它涉及地下水污染的防治、土壤的盐碱化以及三次采油等领域，地下水污染的原因有垃圾处理不当，其滤液渗入地表并进入含水层；工业废水和生活污水诽入江湖后渗入地下台水层；化肥和农药渗入地表并进入含水层；沿海地区的海水入侵以及内陆海相沉积层中咸水入侵淡水层等等。溶质的输运造成地下水含有各种有机质和无机化合物，使地下水恶化。给人们生活、工业用水和农业灌溉带来严重影响。三次采油中向地层注入表面活性剂等驱油溶液也涉及溶质运移的研究。溶质输运过程的研究以费克(Fick)扩散定律和水动力弥散理论为基础。关于动力弥散理论已建立一些模型，如细管、毛细管束和网络模型等。这些模型各有优缺点，均远未达到能精确而简明描述的程度，水动力弥散的概念和数学模型还有待进一步完善。
1．4 现代非线性渗流力学
现代非线性连续介质力学发展很快，目前着重研究分叉和混沌、分形理论和孤子理论3个方面。在渗流力学领域主要涉及分叉和混沌以及分形理论。
美国艺术与科学院院士B B Mandelbrot因创立了分形学科而一举成名。1967年，他在美国《科学》上发表了长度两页多一点的报告《英国海岸线有多长，统计自相似与分数维》。以后，他出版了《分形对象：形、机遇与维数》、《大自然的分形几何学》等。他引进分数维描述自然现象，并称这类体系为“分形”。分形是非线性特征的几何表现。而按照欧几里得几何学，物质的空间是以整数维表征的。分形的特点为：空间分布是间断的、非均匀的、不光滑的、处处不可微分的，具有尺度变换的自相似性，即局部为整体成比例性缩小的特性。分形理论是研究分形的几何特征、数量表征及其普适性的现代非线性科学理论。多孔介质的宏观与微观特征都具分形特征，所以在渗流力学理论及其工程应用研究中，分形理论将发挥重要作用。多种产业部门和工程技术中的渗流研究都已注意引入分形理论，着重用分形几何描述多孔介质的物理特征，例如孔隙形状及结构、岩体和煤体的裂缝壁面和孔隙壁面的不规则性、裂缝网络的分布、孔隙度和渗透率等参数的非均质分布，以及以实验或逾渗理论为基础定量描述两相流体渗流时的粘性指数。中国矿业大学谢和平院士首先在国内外高校中开设了分形岩石力学课程，在分形与岩石力学学科交叉研究中，取得了一系列创造性成果。此外，一些学者用分形研究单向弱弹性流体渗流、低渗介质非线性渗流、不混溶与混溶的两相流体渗流、溶质粒子弥散过程和气泡生长机理以及裂缝介质渗流和双重介质渗流，取得了重要的进展。
一个非线性系统总是对某些参数有很大的依赖性，当该参数变化超过临界值时，系统初始状态(基态解)的延续出现突变现象，失去稳定性，破坏解的唯一性，出现几个解的分支，这就被称为分叉，这种分叉可称为初级分叉。参数继续增大，上述现象可能在新的水平上重复，即在初级分叉分支上产生二级分叉。再产生三级分叉，如此继续，出现怪引子而过渡到一片混沌。混沌在很多系统中都能发生，有的并无明显的过渡过程。混沌是指发生在确定性系统中的类似随机的过程，它是非线性的一种属性。确定性系统是指动力学系统的方程和初始值完全给定，从数学上讲这个动力学系统给出一个确定性过程。但其解的长时间行为貌似随机，表现为解流在一些特殊点集上作无规的游动。多孔介质中自然对流是研究分叉和混沌的一个重要领域，我们研究混沌可以利用有益的混沌，控制不利的混沌。
分形理论已被广泛地应用于物理、化学、地学、生物、冶金、材料以及经济等学术领域。这是非线性特征的几何表现。在石油和煤炭工业中已被用于物探、地质、岩石和煤样等多孔介质特性的描述。在欧几里德(Euclid)几何中，物质空间是用整数维表征的，即1、2、3维。而分形理论是引进分数维描述自然现象，并称这类体系为分形。其特点体现在空间分布是间断的、非均匀的、不光滑的、处处不可微的，具有尺度变换的自相似性和自仿射性。分形理论认为某些事物的局部在一定条件下可用某种特有的方法表现出与整体具有相似性，即整体内部相对独立的单元可构成整体的缩影。这种相对独立的单元称为分形元。从分形元最终向分形整体过渡体现了从分形元到整体的动态演化过程。现在人们知道：不仅描述混沌运动的怪引子具有分形结构，而且纳维—斯托克斯方程的奇性是处于分维空间。
在渗流力学中很容易想到：对某些具有分形性质的油藏，由于介质的孔隙度和渗透率与分形指数有关，当然描述渗流规律的数学模型亦与分形指数有关。
分形元与分形体之间的差异体现为特征尺度的多重性。由于存在多重特征尺度，分形理论发展了某种标度变换的方法，即重整化群理论。
1．5 实验技术与物理模拟
在渗流的实验研究方面将取得重大进展。过去由于无损探测和显示技术方而的困难，在实验研究方面渗流力学落后于其它力学分支。随着相关科学技术的发展，情况有了改观。当前无损细观研究的主要手段是用x射线层析成像仪(X-CT)和核磁共振成像仪(MRI或NMRI)。
物理模拟是指用物理(而非数值)的方法，即相对于原型按一定比例做成模型在实验室中再现某种现象变化过程的技术，这种模拟可以是二维的也可以是三维的，可以是单相的也可以是多相的；可以是等温的也可以是非等温的，一种常用的物理模拟装置是采用二维模型(例如，其中一面用有机玻璃板)，用显微技术和扫描通过屏幕观察二维模型内的渗流机理和规律，对饱和度的测量也可利用超声波、伽玛射线或中子束，其原理也是基于不同的流体对射线有不同的吸收系数，有时为了提高测量精度，可在水相中加入若干吸收增强剂(如NaI)。
1．6方法的研究
渗流力学能够较好的解决油、气、水开发工程及地质工程、环境工程等领域中提出的复杂的力学问题，是与引用和研究新的数值方法分不开的。早在20世纪50年代初，G H Bruc、D W Peaceman就用有限差分方法在计算机上求得了理想气体非线性非定常渗流的数值解。1959年，Douglas研究了二相多维渗流非线性微分方程组的数值计算方法。1966年，Zienki ewicz把有限元方法用于二维定常渗流计算。1968年，Javenda1、Witherspoon进一步用有限元方法解非定常渗流问题。在80年代。国内外比较普遍地应用计算机进行渗流问题的数值计算和模拟。如今，在国内外有关的产业部门和工程技术领域，计算渗流力学都已得到相当的重视，发展速度很快。油藏渗流的计算机数值计算，在国内外的石油行业中称为“油藏数值模拟”，并被视为一种技术。由于油藏计算渗流力学为开发的方案优选、产量和地层压力动态预报、地下剩余油气分布和采收率预测、经济效益评价以及重大开发问题的决策，提供了现代计算技术，所以国内外在70年代就开始研究和应用，但真正工业性的应用和软件的商业性推广是从80年代开始的。这与计算机硬件的发展水平有关。可以毫不夸张地说，数学模拟能使渗流研究有新的突破和重大进展。
格气(Latticgas)法，尤其是90年代发展的格子玻耳兹曼方程(LBE)方法被认为是一种先进的计算手段。LBE方法是取一个与流体粒子数密度和粒子宏观速度有关的分布函数，然后在网络上解这个分布函数的动力方程。对于具有自相似性的多孔介质，可以用局部进行模拟，然后进行整体叠加。格气模型可用来进行微观渗流的计算分析，如粒子水平的单相流动的渗流机理；两相流体的渗流机理和驱替规律，流体的相交和相分离机理等。
计算方法的研究将在并行计算方面取得进展，并行计算的基本思想是将一个巨大的计算任务合理地分配为若干于任务，并在多个处理器上并行地执行。油藏数值模拟软件运算并行化方法起初有两类。一类是区域分解法，该方法是从空间角度对模拟软件进行并行化。另一类是S ST(Squential Staging of Tasks)方法，该方法是从时间角度对模拟软件进行并行化。最近，在SST思想的基础上，发展了Double SST方法和Multiple SST方法。这些不仅使以前无法进行的一些大规模计算问题通过并行计算的方法得以解决，而且很有效地提高速度，可对油藏进行更精确地数值模拟，因而并行计算已成为油藏数值模拟的发展方向。
油藏模拟的有限元法也是一个发展方向，过去的油藏数值模拟一般是基于有限差分方法发展起来的。有限差分方法比较适合于形状很规则的地块。而有限元方法具有网格划分灵活的优点，对边界形状很不规则或具有复杂的非均匀特性分布的储层很适用。并且精度较高，收敛性较好，值得进一步研究。
油藏模拟中可视化技术将得到发展，先进的计算方法配之以多媒体技术将使油藏数值模拟及其结果的传输、储存和使用提高到一个新水平。
随着对油、气和地下水不断增长的需要，计算渗流力学在下述几个方面得到了较大发展：物理—化学渗流(注溶剂、聚合物、泡沫、胶束、二氧化碳以及稠化水等驱油)，用对流—弥散方程和双线性吸附速度方程描述其主要机理。这组方程对地下水污染问题也是适用的；非等温渗流，其数学模型包括能量守恒方程，油、水、蒸汽的质量守恒方程以及气、水平衡方程等；非牛顿流和非达西流；参数识别(根据试井资料用匹配法反求地层参数，矿场动态资料历史拟合)等：应该发展计算数学(涉及诸如线性代数计算、数值逼近、偏微分方程组的解法、随机方程的解法以及数学规划等分支学科)，为解决上述计算渗流力学问题提供更好的工具。
由于渗流的计算模拟要求最大限度地逼近实际的地质条件和地层参数及渗流中的物理化
学过程和全部生产实际，所以这对计算机的软件和硬件要求都是十分苛刻的。20世纪80年代初，大型矢量机的出现使渗流计算开始走向真正的工业化应用，而以后的计算机工作站和并行机的问世，又将渗流计算向前推进了一步。渗流数值模拟的进展大致有以下几个方面：(1)全隐式方法；(2)预处理共轭梯度法；(3)矢量化；(4)自适应隐式方法；(5)局部网格加密；(6)状态方程组分模型；(7)稠油热采渗流模型；(8)裂缝多孔介质渗流模型；(9)聚合物驱油渗流模型；
(10)工作站前后处理软件。就油藏数值模拟而言，油藏数值模拟的发展与硬件发展紧密联系，由传统的计算机转向工作站。工作站软件系统的完善和标准化以及三维图形库的应用，使油藏渗流数值模拟面貌有了较大的改变。
1．7 应用研究
渗流力学在工程和技术领域的应用以及对其它相关学科领域的应用研究具有非常广阔的
前景，在21世纪，对资源开发的应用研究仍是渗流力学的主要任务之一，地下资源包括石油天然气、地下水、煤层气、地热、地下卤水和盐湖资源等。随着油气资源日益减少，开发的难度越来越大，对科学技术的要求也越来越高。低渗透问题、稠油的效果，各种表面活性剂的注入、细菌采油、振动采油等，给渗流力学提出了一系列更为复杂的任务。此外，有以下若干应用研究领域给渗流力学提出了繁重的任务。
农田水利领域这包括土壤改良、盐碱化治理、减少化肥农药污染、水土保持和合理使用，这要求将土壤、植被、水流、防污染作为一个整体的系统工程进行研究。实现高效农业和可持续发展战略。
沿海地区海水入侵和咸水湖地区咸水入侵的防治我国的大连、天津、河北、山东、江苏及上海等沿海地区均有较严重的海水入侵，使地下水质恶化，氯离子含量增加，给这些地区的工农业生产和人民生活造成危害。沿咸水湖地区问题亦相当严重，应当综合研究进行防治。
地面沉降的控制地面沉降的主要原因是地下水的不合理抽取，引起孔隙内流体压力下降，导致地层变形，该问题的研究涉及流固耦合问题。我国上海、天津及其它一些大城市都出现严重的地面沉降。例如，天津市内年平均沉降大于5cm，个别地区达14cm，1949—1997年累计沉降已达2．7m，上海地区从1949年以来地面下沉1—2m，有些地方甚至降到海平面以下，造成海水入侵、水质恶化，苏锡常部分地区近20年地面下沉1m，造成局部地区房屋开裂、管道错位、防洪工程的防洪标准下降等，这些对建筑工程带来严重影响。
水库诱发地震问题水库蓄水以后，使岩石中孔隙压力增大。对于有裂缝的岩体，库水沿各种裂缝深入岩体内部，造成局部岩体应力积累，使岩体中构造应力及时释放而导致地震的产生。我国黄河上游、长江中上游、雅鲁藏布江的世界第一大峡谷以及云贵地区水力资源异常丰富。这些资源的开发会形成巨大的水体。统计资料表明，我国地震总数的一半为水库诱发地震。对该问题的研究具有重要意义。
对工程领域的应用研究渗流在工程领域的应用日益广泛。特别是隧道工程、高速公路路基建筑、地下储气库工程、环保工程、化学工程等。在航空、航天技术和核工业领域，渗流也有重要应用。
微机电系统(MEMS)中渗流微型的电子—机械系统(简称微机电系统)是21世纪机电系统的重要研究方向，其尺寸为微米量级。它的显而易见的应用领域有诸如基因工程、生物医学工程，包括体内手术、医用注入器等，在工程领域也有广泛的潜在应用前景，如流动控制、打印器具等。微机电系统中的管径亦为微米量级或更细。其中比面很大、表面现象很重要，具有多孔介质的明显特征。气体在其中的流动一般为滑流领域，有时还涉及传热问题。将给渗流的研究带来一些新的课题。
地球物理领域近年来渗流力学在地球物理领域的应用越来越广泛。这种交叉学科的研究日益受到重视。包括岩浆的活动、某些地质构造和地貌的形成等问题以及某些海底结构，都涉及渗流问题。将渗流力学与地质力学、岩石力学结合起来进行研究将取得重要成果。
生物科学领域渗流在生物科学领域的应用将越来越受到重视，该领域的研究成果的重要意义正日益明显，在促进人类健康防止某些疾病，特别是给人类生命造成严重威胁的心、脑血管疾病的防治方面将提供有益的依据。
从广义的角度而言，生物渗流是指人体利动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。研究生物渗流，对医学科学的发展，尤其是对心脑血管疾病的诊断与防治技术的进步，对农林业及畜牧业的发展，都具有极其重要的意义：郭尚平院士等专家将流体力学与医学及牛物学交叉渗透研究，获得了重大突破，在国际上首次建立了生物渗流理论，成为渗流力学发展史上的一块里程碑。他们的研究成果表明，人体和动物体内多种微细管道系统，具有多孔介质的主要特征和必要的条件，属于多孔介质，其中的流体流动属于渗流，并且人血、羊血、马血、兔血与肝胆汁渗流亦大多数情况下遵循非线性渗流定律。他们创造性地提出了生物多重介质渗流的概念，系统地建立了生物多重介质渗流的数学模型。例如建立了肝脏四重介质渗流的数学模型、肺脏二重介质渗流的数学模型、毛细血管一组织间隙一毛细淋巴管二重介质渗流的数学模型，为揭示生物渗流规律及机制奠定了基础，为推动渗流力学学科的发展和人类健康事业的进步做出了显著的贡献。世界著名力学家、生物力学泰斗、美国国家科学院院士与工程院院士冯元帧教授评价该项生物渗流理论“在世界上是突出的”。此外，阎庆求教授、吴望一教授和中国医学科学研究院血液研灾所的专家等也开展了生物渗流的研究，取得了重要进展。植物的根、茎、枝、叶也是多孔介质，植物体内水分、糖分与气体输运过程都属于渗流，这方面的渗流以及非生物多孔介质中微生物渗流的研究都很薄弱。
渗流力学-正文
流体力学的一个分支，主要研究流体在多孔介质内的运动规律。在中国习用的“渗流”这一术语，其基本涵义是泛指流体在任何多孔介质内的流动。由于渗流的理论和应用在相当长的时期内主要涉及地下多孔介质内的流动，所以不少人将这一术语理解为只指地下渗流。随着渗流理论和应用逐步深入到更广泛的领域，这种狭义理解逐渐减少。在中国和苏联，当专指地下渗流力学时，也称“地下水力学”和“地下水动力学”。天然和人造的多孔介质普遍具有下列特征：空隙尺寸微小；比表面积数值很大。多孔介质的特征使渗流具有下述特点：表面分子力作用显著，毛细管作用突出；流动阻力较大，流动速度一般较慢，惯性力往往可忽略不计。
发展简史法国工程师H.-P.-G.达西在1856年公布了水通过均匀砂层渗流的线性定律，渗流理
论即从此开始发展。
经典渗流力学阶段初期，主要由于水的净化、地下水开发、水利和水力工程的需要，渗流力学开始成长；从20世纪20年代起，又在石油、天然气开发工业中得到应用。在这个阶段，渗流力学考虑的因素比较简单：均质的孔隙介质、单相的牛顿流体、等温的渗流过程；而不考虑流体运动中的复杂的物理过程和化学反应。这种简单条件下的渗流问题的数学模型是拉普拉斯方程、傅里叶热传导方程和二阶非线性抛物型方程。这个阶段的研究方法主要是数学物理方法和比较简单的模拟方法。
现代渗流力学阶段从20世纪30年代起，由于低于饱和压力开发油田、天然水力驱动、人工注水开发油田以及农田水利等工程技术的需要，逐步发展多相渗流理论，开始了渗流力学的新阶段。60年代以后，渗流力学发展迅速。由于研究内容和考虑因素方面的发展，渗流理论不断深化，大体沿着五个方向进行：①考虑多孔介质的性质和特点，发展非均质介质渗流、多重介质（裂缝-孔隙-孔洞）渗流和变形介质渗流；②考虑流体的多相性,继续发展多相渗流;③考虑流体的流变性影响，发展非牛顿流体渗流；④考虑渗流的复杂物理过程和化学反应,发展物理-化学渗流；⑤考虑渗流过程的温度条件，发展非等温渗流。此外，还开始出现一些新动向，例如，研究流体在孔隙内运动的细节，发展微观渗流；渗流力学与生物学交叉渗透，发展生物渗流。
由于渗流力学的应用范围日益广泛，除地下渗流力学外,还研究工程装置和工程材料中的渗流力学问题,逐步形成工程渗流力学。
研究、实验手段也逐步现代化。电子计算技术以及数值计算和数值模拟方法已较普遍使用。多相多维渗流、非等温渗流和物理-化学渗流等方面的问题,一般都靠电子计算机帮助求解。随着渗流问题复杂程度和难度的增大以及大容量计算机的出现，在渗流力学的较多领域内，电子计算机开始取代以相似理论为基础的数学模拟设备。由于测微、速测等技术和物理模拟技术的改进，实验过程自动控制和数据处理自动化的逐步推广，渗流力学研究的重要手段之一的物理模拟也正在实现现代化。
学科内容渗流力学当前比较成熟的内容有单相渗流理论、多相渗流理论、双重介质渗流理论、渗流基本定律和多孔介质理论。单相渗流理论包括液体渗流理论、带自由面渗流理论、气体渗流理论。当具有不同物理性质的多种流体在多孔介质内混流时，称为多相渗流。多相渗流理论与许多工程技术有密切关系。例如，油层内的流动大多是油、气、水多相渗流；非饱水土中的渗流是水和气的多相渗流；在地热开发过程中也存在热水和气的多相渗流。迄今比较成熟的多相渗流理论为混气液体渗流理论、二相液体渗流理论和非饱水土渗流理论。现就以上内容分述于下：
液体渗流理论研究承压条件下均质液体的渗流规律（见液体渗流）。根据是否考虑多孔介质和流体的弹性又分为弹性渗流和刚性渗流。早期的地下水和石油开发工程以及水工建筑等工程都需要了解地下液体渗流规律和计算方法，刚性渗流理论因而得到发展。以后发现地层岩石和液体的弹性对流体运动和生产状况产生不可忽视的影响，弹性渗流理论得到不断发展。
带自由面渗流理论研究非承压条件下均质液体的渗流规律。当液体的最上部不受隔水顶板的限制，存在一个其上任意一点的压强为大气压强的自由液面时，多孔介质中的液体流动称带自由面渗流或无压渗流。含水层中的潜水向开采井方向汇集，河道或水库里的水透过河堤或土坝向下游渗流以及石油在地层中向生产井自由渗流等均属无压渗流。水文地质、水利工程和石油开采等生产部门的需要，促使无压渗流理论不断发展。
气体渗流理论研究气体在多孔介质中的流动规律。气体的组成可能是单一的，也可能是组分恒定的多组分混合物。气体渗流理论的出现是由于天然气开采等工程的需要。气体渗流具有压缩性特强、渗流定律非线性、渗流过程非等温性以及存在滑脱效应等特点，是比较复杂的渗流问题。
混气液体渗流理论研究相互掺混的液体与气体在多孔介质中的运动规律（见混气液体渗流）。混气液的液体为连续相，气体为离散相。这一理论是低于饱和压力下开发油田的理论基础，也是地下
热能开发工业和与土壤水运动有关的部门所需要的理论。
二相液体渗流理论研究一相液体驱替另一相不同前者混溶的液体的流动规律（见二相液体渗流）。这一理论是天然水力驱动油田的开发工程和广泛应用的人工注水开发油田技术的理论基础。
非饱水土渗流理论研究土壤孔隙未被水充满的条件下的流体运动规律。灌溉排水条件下或作物根系吸水作用下的土壤水运动，入渗、蒸发和地下水位变动条件下潜水面以上土层（包气带）内的水分运动均属非饱水土渗流。这一理论是农田水利和水文地质等部门的一项理论基础。
双重介质渗流理论研究流体在裂缝－孔隙介质中的运动规律（见双重介质渗流）。双重介质系由裂缝系统和岩块孔隙系统组成的特殊多孔介质。双重介质渗流理论的建立主要是由于在世界范围内发现和开发一系列裂缝性油气田，它是这种类型的油田、天然气田和地下水层的储量计算和合理开发的理论基础。
渗流基本定律描述流体在多孔介质内运动的基本规律，亦即渗流过程的宏观统计规律。它是研究渗流力学的基础。在一定的雷诺数范围内，牛顿流体在不可变形多孔介质内的运动遵循达西渗流定律。
多孔介质理论渗流是多孔介质内的流体运动，研究渗流力学涉及的多孔介质的物理-力学性质的理论就成为渗流力学的基本组成部分。多孔介质理论包括多孔介质的孔隙率、润湿性、毛细管压力和渗透率等内容。
应用渗流力学应用比较成熟的方面首先是地下渗流，其次是工程渗流。
地下渗流研究地下多孔介质内的渗流规律及应用。涉及地下流体的开发工程、建设工程和农业工程等都要以渗流力学为资源储量计算、工程规划设计、生产动态预测和生产过程控制等工作的理论基础和工作手段。石油、天然气、地下热能、地下水和地下化学流体等资源和能源的储量计算、开发设计以及生产动态预测和控制，为保证水工建筑正常工作并延长使用年限，为有效地防治土地沼泽化和盐碱化以及为合理地建设排灌工程等所需的计算和设计，城市地面沉降防治工程中的地下水控制开采和人工回灌措施的规划设计、生产动态预测和生产过程控制，地下储气库工程、核能工业污水和其他污水的地下处理工程的选址、设计和生产控制，岩盐层地区建筑工程和交通设施的设计和建设，煤矿开采工程的瓦斯和地下水处理的计算和设计以及地震预报等各项工作都要应用渗流力学的理论和方法。
工程渗流研究工程装置和工程材料内的流体运动规律及应用。许多生产部门越来越普遍地使用各种类型的人造多孔材料和人造多孔介质充填的装置，由于流体在其中的运动规律常常是不能忽视的问题，所以人造多孔介质内的渗流理论逐步发展。在较多工业部门，特别是化工部门，过滤常常是重要的生产环节，滤器多孔介质内的流动是渗流过程；盐水淡化工程及浓缩分离技术中以半透膜为主体的多管多孔体系内存在复杂的渗流问题；石油炼制和化学工业等部门普遍使用的填充塔和固定床内存在复杂的渗流过程；砖、石、混凝土和木材等多孔性建筑材料中存在水气渗流及其与应力-应变的关系等问题；为有效地测定和控制粉末冶金多孔材料的性能需要研究渗流问题；铸造砂型内的气体渗流对铸造技术和铸件质量有影响；科研部门常用的色谱分析装置内的流体运动也是需要重视的渗流问题。工程渗流力学迄今已涉及化工、冶金、机械、建筑、城市建设、环境保护、核能、盐水淡化、染料和制糖等部门。
在油气田开发工程领域，渗流力学以油藏流体及流动空间为主要研究对象，主要研究地下储层中以储渗体为背景的地下流体（重点是石油与天然气）微观渗流的基本规律、生产过程中地层压力变化规律、井筒产
量变化规律。渗流规律是分析剩余油分布规律和水驱走向的重要基础，是产能设计与调整和提高波及系数
的重要依据，是提高采收率的主要途径。
在油气田开发工程领域，渗流力学以油藏流体及流动空间为主要研究对象，主要研究地下储层中以储渗体为背景的地下流体（重点是石油与天然气）微观渗流的基本规律、生产过程中地层压力变化规律、井筒产量变化规律。渗流规律是分析剩余油分布规律和水驱走向的重要基础，是产能设计与调整和提高波及系数的重要依据，是提高采收率的主要途径。
渗流力学研究的内容
流体通过多孔介质的流动称为渗流。多孔介质是指由固体骨架和相互连通的孔隙、裂缝或各种类型毛细管所组成的材料。渗流力学就是研究流体在多孔介质中运动规律的科学。它是流体力学的一个重要分支，是流体力学与岩石力学、多孔介质理论、表面物理、物理化学以及生物学交叉渗透而形成的。
渗流现象普遍存在于自然界和人造材料中。如地下水、热水和盐水的渗流；石油、天然气和煤层气的渗流；动物体内的血液微循环和微细支气管的渗流；植物体内水分、气体和糖分的输送；陶瓷、砖石、砂模、填充床等人造多孔材料中气体的渗流等。
渗流力学在很多应用科学和工程技术领域有着广泛的应用。如土壤力学、地下水水文学、石油工程、地热工程、给水工程、环境工程、化工和微机械等等。此外，在国防工业中，如航空航天工业中的发汗冷却、核废料的处理以及诸如防毒面罩的研制等都涉及渗流力学问题。
渗流的特点在于：（1）多孔介质单位体积孔隙的表面积比较大，表面作用明显。任何时候都必须考虑粘性作用；（2）在地下渗流中往往压力较大，因而通常要考虑流体的压缩性；（3）孔道形状复杂、阻力大、毛管力作用较普遍，有时还要考虑分子力；（4）往往伴随有复杂的物理化学过程。
渗流力学是一门既有较长历史又年轻活跃的科学。从Darcy定律的出现已过去一个半世纪。20世纪石油工业的崛起极大地推动了渗流力学的发展。随着相关科学技术的发展，如高性能计算机的出现，核磁共振、CT扫描成像以及其它先进试验方法用于渗流，又将渗流力学大大推进了一步。近年来，随着非线性力学的发展，将分叉、混沌以及分形理论用于渗流，其它诸如格气模型的建立等等，更使渗流力学的发展进入一个全新的阶段。
渗流力学的应用范围越来越广，日益成为多种工程技术的理论基础。由于多孔介质广泛存在于自然界、工程材料和人体与动植物体内，因而就渗流力学的应用范围而言，大致可划分为地下渗流、工程渗流和生物渗流3个方面。
地下渗流是指土壤、岩石和地表堆积物中流体的渗流。它包含地下流体资源开发、地球物理渗流以及地下工程中渗流几个部分。地下流体资源包括石油、天然气、煤层气、地下水、地热、地下盐水以及二氧化碳等等。与此相关的除能源工业外还涉及农田水利、土壤改良(特别是沿海和盐湖附近地区的土壤改良)和排灌工程、地下污水处理、水库蓄水对周围地区的影响和水库诱发地震、地面沉降控制等。地球物理渗流是指流体力学和地球物理学交叉结合而出现的渗流问题。这些问题的研究进一步推动了渗流力学理论的发展。地球物理渗流包括雪层中的渗流和雪崩的形成、地表图案的形成、海底水冻层的溶化、岩浆的流动和成岩作用过程以及海洋地壳中的渗流等。
存在于人造多孔介质或工程装置中的流体渗流称为工程渗流，它涉及化学工业、冶金工业、原子能工业、机械工业、建筑工业、轻工食品等多个部门。存在于人体和动植物体内的流体渗流称为生物渗流，它包含人体和动物体内毛细血管中的血液流动与呼吸系统的气体运动，植物体内的水分糖分的流动等。
简单地说．渗流研究的意义体现在；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，在环境保护、地震预报、生物医疗等科学技术领域中，在防止与治理地面沉降、海水人侵，兴建大型水利水电工程、农林工程、冻土工程等工程技术中，已成为必不可少的理论。
渗流力学理论与应用研究的展望
渗流力学的发展，一方面是受到工农业生产所提出各种实际问题的激励和推动，一方面是受到相关科学技术发展所提供各种手段和方法的支持和帮助、反过来渗流力学的发展又极大地促进有关部门的生产发展和相应领域的科技进步。在20世纪末渗流力学本身和相关科学技术发展的基础上，渗流力学的理论和应用研究在双世纪上半叶将获得更加广泛
和深入的发展。
1．1 细观渗流的研究
细观渗流是指研究在微细尺度上(目前二维像素(pixel)和三维像素(voxel)的线尺度均在100μm以下)渗流的性状。传统的渗流是研究宏观特性，即统计平均特性,不能确切了解多孔介质内部的物理化学过程及渗流机理。细观与宏观研究相互补充可使对渗流的认识更加透彻。细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、孔隙表面的粗糙度、空隙度和渗透率的分布情况等；多孔介质与流体之间的关系，如表面润湿性、吸附和解吸特性、饱和度分布和各相之间的分布细节等。
1．2流固耦合的研究
流固耦合的研究通常是将渗流力学与岩土力学结合起来，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：在交变载荷作用下，多孔介质和流体处于膨胀—收缩的交替过程，应力—应变关系是瞬变状态。水库大量蓄水会造成局部岩体应力积累。地面沉降及恢复过程也涉及流固耦合问题。煤层甲烷气渗流与煤体力学的耦合是采煤业和煤层甲烷气开发中必须研究的重要课题。众所周知：瓦斯突出严重地威胁煤矿工人的生命安全；而煤层气开发己成为提供能源的一个新途径。流体饱和的多孔介质中波系的传播也是一个值得重视的领域。
对流固耦合渗流的研究已显得十分重要。流固耦合问题涉及的范围很广。微动态渗流问题，水库与大坝的相互作用问题等，均属于流固耦合问题，对流固耦合渗流问题已经做了一些研究，例如在考虑流固耦合的同时，又考虑温度场、地电场以及其他物理—化学因素。下面介绍几个工程领域中的例子。
1.2.1．地面沉降的渗流问题
地面沉降是世界上普遍存在的一种环境灾害。它主要是由于过度开采地下水或地下矿产资源而造成的，往往毁坏市镇工程设施与地面建筑物及铁路公路交通设施，还可能造成地面开裂或海水入侵等。过去，威尼斯、东京等大城市的地面沉降现象是世界有名的，影响了城市建设，给人民的生命财产安全带来严重危险。现在，世界上的地而沉降情况就更严重了，已成为城市的主要灾害之一。例如，美国的加利福尼亚地区多处出现地面沉降现象，据不完全统计，我国至少已有30多座城市出现过比较严重的地而沉降问题，例如上海、大津、西安、常州等城市。这些城市发生地面沉降的原因主要是不合理抽取地下水，引起地层孔隙流体压力下降．导致岩层或土层变形。天津市市内年平均沉降超过5cm，个别地区达14cm，1949—1997年的累积沉降一般巳达2.7m。上海市自1921年发现地面沉降到1965年，最大累积沉降量达2．63m，有些地方降到了海平面以下。从1963年起，上海市限制地下水抽用量，1965年起进行开采层次调整和人工回灌。自从采取防治地面沉降措施后，市区地面沉降逐渐趋于稳定，但市区冬灌夏采，水位不断起落，地面冬升夏沉。随着城市化进程的加快，城市人口急剧增加。生产和生活用水量日益增加，这给地面沉降防治带来很大困难。涉及地面沉降的渗流问题是流固耦合问题。需要将渗流力学与岩土力学等学科紧密结合起来，才能得到较好的解决。这类问题可分成两类：一为基础性问题，需要进行实验研究和理论分析；二为应用性问题，例如，采水灌水工程的层位组合、井网井位布局、采灌量的规划、动态预测和动态分析以及治理过程中的层位、井位和采灌量的调整等，都需要相应的渗流计算分析。30多年来，我国在地面沉降防治方面，从渗流的角度开展了理论分析及应用研究工作，但投入力量较小，未能满足工程实际的需要。因此，一方面需要增加投入；另一方面需要渗流力学界的专家学者进行多学科交叉研究。
1.2.2．水库诱发地震中的渗流问题
人类工程活动在一定条件下可诱发地震，如修建水库、城市或油田抽水或注人工爆破或地下核爆破等均可引起地震活动。水库诱发地震可能毁坏水库水坝，使人民生命财产遭受巨大损失。水库诱发地震的机制随条件不同而有所区别。有的是水库大量蓄水的载荷效应使水库下岩体中孔隙水压增加，导致岩体中部分构造应力提前释放，使地震活动加剧。有的是因库水沿岩体层理、节理及各种层次的裂缝渗流入岩体深部，使孔隙水压增加，提高了岩体局部的应力积累，进行能量释放而发生地震。黄河龙羊峡水库和陕西三原县冯村水库地震均为上述机制的实例。有时，在上载负荷变化和入渗水影响的同时，还存在固体潮效应，龙羊峡水库地震与朔望固体潮的关系就相当明显。中国总震例数的50％为外部成因的水库诱发地震。将渗流力学与岩土力学结合起来，深入研究水库诱发地震机制，为地震预测预报提供理论依据，这是一项长时期内都不能松懈的工作。这方面的研究还很薄弱。
1.2.3．煤层渗流
煤层气渗流与煤体力学的耦合研究对煤炭开采有重要的意义。一方面。煤层气是煤矿生产的灾害隐患；另一方面，
它又是一种洁净的能源。我国煤层气资源很丰富，是我国重要的接替能源之一。合理开发煤层气资源可以从根本上解除煤矿瓦斯灾害隐患。煤层大多属于孔隙裂缝多重介质，煤的孔隙和裂缝表面极不规则，煤层介质中除瓦斯外有时还有水，瓦斯在煤孔隙裂缝表面上的吸附和解吸机制很复杂，地电场与温度场等物理场对瓦斯渗流有影响。多种因素影响使得煤层气渗流问题往往非常复杂，渗流基本规律是否遵循达西线性渗流运动定律还需要探索。我国有关单位的科研人员在瓦斯突出的研究方面，已取得了一定的成果，但对于煤层气渗流基本规律与机制的认识还很肤浅，有待于进一步研究。
1.2.4．石油开采中的流固耦合渗流
油气藏开发过程是多相流体渗流与储层介质变形耦合的动态过程。在交变载荷作用下，多孔介质和流体处于不断地膨胀和收缩交替变化状态，不稳定渗流过程和岩石应力—应变过程相互影响，其结果是在产出液中油的比例升高，水的比例减小，有利于提高石油的采收率和产量。室内实验和矿场实验表明．以不同的频率和幅度不断改变压力和流量，使油层中的压力场和速度场不断变化，有助于提高原油产量和采收率。因为我国石油年产量的绝大部分都是在高含水条件下获得的，因此上述问题作为流固耦合问题进行研究是有重要意义的。除了上述四个领域涉及流固耦合问题外，在其他领域也存在类似的问题。例如，黄土地区的地面裂陷和岩溶塌陷等，需要从事渗流研究的科技入员给予足够的重视。
1．3输运过程的研究
输运过程是当代渗流力学中的重要课题，它涉及地下水污染的防治、土壤的盐碱化以及三次采油等领域，地下水污染的原因有垃圾处理不当，其滤液渗入地表并进入含水层；工业废水和生活污水诽入江湖后渗入地下台水层；化肥和农药渗入地表并进入含水层；沿海地区的海水入侵以及内陆海相沉积层中咸水入侵淡水层等等。溶质的输运造成地下水含有各种有机质和无机化合物，使地下水恶化。给人们生活、工业用水和农业灌溉带来严重影响。三次采油中向地层注入表面活性剂等驱油溶液也涉及溶质运移的研究。溶质输运过程的研究以费克(Fick)扩散定律和水动力弥散理论为基础。关于动力弥散理论已建立一些模型，如细管、毛细管束和网络模型等。这些模型各有优缺点，均远未达到能精确而简明描述的程度，水动力弥散的概念和数学模型还有待进一步完善。
1．4 现代非线性渗流力学
现代非线性连续介质力学发展很快，目前着重研究分叉和混沌、分形理论和孤子理论3个方面。在渗流力学领域主要涉及分叉和混沌以及分形理论。
美国艺术与科学院院士B B Mandelbrot因创立了分形学科而一举成名。1967年，他在美国《科学》上发表了长度两页多一点的报告《英国海岸线有多长，统计自相似与分数维》。以后，他出版了《分形对象：形、机遇与维数》、《大自然的分形几何学》等。他引进分数维描述自然现象，并称这类体系为“分形”。分形是非线性特征的几何表现。而按照欧几里得几何学，物质的空间是以整数维表征的。分形的特点为：空间分布是间断的、非均匀的、不光滑的、处处不可微分的，具有尺度变换的自相似性，即局部为整体成比例性缩小的特性。分形理论是研究分形的几何特征、数量表征及其普适性的现代非线性科学理论。多孔介质的宏观与微观特征都具分形特征，所以在渗流力学理论及其工程应用研究中，分形理论将发挥重要作用。多种产业部门和工程技术中的渗流研究都已注意引入分形理论，着重用分形几何描述多孔介质的物理特征，例如孔隙形状及结构、岩体和煤体的裂缝壁面和孔隙壁面的不规则性、裂缝网络的分布、孔隙度和渗透率等参数的非均质分布，以及以实验或逾渗理论为基础定量描述两相流体渗流时的粘性指数。中国矿业大学谢和平院士首先在国内外高校中开设了分形岩石力学课程，在分形与岩石力学学科交叉研究中，取得了一系列创造性成果。此外，一些学者用分形研究单向弱弹性流体渗流、低渗介质非线性渗流、不混溶与混溶的两相流体渗流、溶质粒子弥散过程和气泡生长机理以及裂缝介质渗流和双重介质渗流，取得了重要的进展。
一个非线性系统总是对某些参数有很大的依赖性，当该参数变化超过临界值时，系统初始状态(基态解)的延续出现突变现象，失去稳定性，破坏解的唯一性，出现几个解的分支，这就被称为分叉，这种分叉可称为初级分叉。参数继续增大，上述现象可能在新的水平上重复，即在初级分叉分支上产生二级分叉。再产生三级分叉，如此继续，出现怪引子而过渡到一片混沌。混沌在很多系统中都能发生，有的并无明显的过渡过程。混沌是指发生在确定性系统中的类似随机的过程，它是非线性的一种属性。确定性系统是指动力学系统的方程和初始值完全给定，从数学上讲这个动力学系统给出一个确定性过程。但其解的长时间行为貌似随机，表现为解流在一些特殊点集上作无规的游动。多孔介质中自然对流是研究分叉和混沌的一个重要领域，我们研究混沌可以利用有益的混沌，控制不利的混沌。
分形理论已被广泛地应用于物理、化学、地学、生物、冶金、材料以及经济等学术领域。这是非线性特征的几何表现。在石油和煤炭工业中已被用于物探、地质、岩石和煤样等多孔介质特性的描述。在欧几里德(Euclid)几何中，物质空
间是用整数维表征的，即1、2、3维。而分形理论是引进分数维描述自然现象，并称这类体系为分形。其特点体现在空间分布是间断的、非均匀的、不光滑的、处处不可微的，具有尺度变换的自相似性和自仿射性。分形理论认为某些事物的局部在一定条件下可用某种特有的方法表现出与整体具有相似性，即整体内部相对独立的单元可构成整体的缩影。这种相对独立的单元称为分形元。从分形元最终向分形整体过渡体现了从分形元到整体的动态演化过程。现在人们知道：不仅描述混沌运动的怪引子具有分形结构，而且纳维—斯托克斯方程的奇性是处于分维空间。
在渗流力学中很容易想到：对某些具有分形性质的油藏，由于介质的孔隙度和渗透率与分形指数有关，当然描述渗流规律的数学模型亦与分形指数有关。
分形元与分形体之间的差异体现为特征尺度的多重性。由于存在多重特征尺度，分形理论发展了某种标度变换的方法，即重整化群理论。
1．5 实验技术与物理模拟
在渗流的实验研究方面将取得重大进展。过去由于无损探测和显示技术方而的困难，在实验研究方面渗流力学落后于其它力学分支。随着相关科学技术的发展，情况有了改观。当前无损细观研究的主要手段是用x射线层析成像仪(X-CT)和核磁共振成像仪(MRI或NMRI)。
物理模拟是指用物理(而非数值)的方法，即相对于原型按一定比例做成模型在实验室中再现某种现象变化过程的技术，这种模拟可以是二维的也可以是三维的，可以是单相的也可以是多相的；可以是等温的也可以是非等温的，一种常用的物理模拟装置是采用二维模型(例如，其中一面用有机玻璃板)，用显微技术和扫描通过屏幕观察二维模型内的渗流机理和规律，对饱和度的测量也可利用超声波、伽玛射线或中子束，其原理也是基于不同的流体对射线有不同的吸收系数，有时为了提高测量精度，可在水相中加入若干吸收增强剂(如NaI)。
1．6方法的研究
渗流力学能够较好的解决油、气、水开发工程及地质工程、环境工程等领域中提出的复杂的力学问题，是与引用和研究新的数值方法分不开的。早在20世纪50年代初，G H Bruc、D W Peaceman就用有限差分方法在计算机上求得了理想气体非线性非定常渗流的数值解。1959年，Douglas研究了二相多维渗流非线性微分方程组的数值计算方法。1966年，Zienkiewicz把有限元方法用于二维定常渗流计算。1968年，Javenda1、Witherspoon进一步用有限元方法解非定常渗流问题。在80年代。国内外比较普遍地应用计算机进行渗流问题的数值计算和模拟。如今，在国内外有关的产业部门和工程技术领域，计算渗流力学都已得到相当的重视，发展速度很快。油藏渗流的计算机数值计算，在国内外的石油行业中称为“油藏数值模拟”，并被视为一种技术。由于油藏计算渗流力学为开发的方案优选、产量和地层压力动态预报、地下剩余油气分布和采收率预测、经济效益评价以及重大开发问题的决策，提供了现代计算技术，所以国内外在70年代就开始研究和应用，但真正工业性的应用和软件的商业性推广是从80年代开始的。这与计算机硬件的发展水平有关。可以毫不夸张地说，数学模拟能使渗流研究有新的突破和重大进展。
格气(Latticgas)法，尤其是90年代发展的格子玻耳兹曼方程(LBE)方法被认为是一种先进的计算手段。LBE方法是取一个与流体粒子数密度和粒子宏观速度有关的分布函数，然后在网络上解这个分布函数的动力方程。对于具有自相似性的多孔介质，可以用局部进行模拟，然后进行整体叠加。格气模型可用来进行微观渗流的计算分析，如粒子水平的单相流动的渗流机理；两相流体的渗流机理和驱替规律，流体的相交和相分离机理等。
计算方法的研究将在并行计算方面取得进展，并行计算的基本思想是将一个巨大的计算任务合理地分配为若干于任务，并在多个处理器上并行地执行。油藏数值模拟软件运算并行化方法起初有两类。一类是区域分解法，该方法是从空间角度对模拟软件进行并行化。另一类是SST(Squential Staging of Tasks)方法，该方法是从时间角度对模拟软件进行并行化。最近，在SST思想的基础上，发展了Double SST方法和Multiple SST方法。这些不仅使以前无法进行的一些大规模计算问题通过并行计算的方法得以解决，而且很有效地提高速度，可对油藏进行更精确地数值模拟，因而并行计算已成为油藏数值模拟的发展方向。
油藏模拟的有限元法也是一个发展方向，过去的油藏数值模拟一般是基于有限差分方法发展起来的。有限差分方法比较适合于形状很规则的地块。而有限元方法具有网格划分灵活的优点，对边界形状很不规则或具有复杂的非均匀特性分布的储层很适用。并且精度较高，收敛性较好，值得进一步研究。
油藏模拟中可视化技术将得到发展，先进的计算方法配之以多媒体技术将使油藏数值模拟及其结果的传输、储存和使用提高到一个新水平。
随着对油、气和地下水不断增长的需要，计算渗流力学在下述几个方面得到了较大发展：物理—化学渗流(注溶剂、聚合物、泡沫、胶束、二氧化碳以及稠化水等驱油)，用对流—弥散方程和双线性吸附速度方程描述其主要机理。这组方程对地下水污染问题也是适用的；非等温渗流，其数学模型包括能量守恒方程，油、水、蒸汽的质量守恒方程以及气、水平衡方程等；非牛顿流和非达西流；参数识别(根据试井资料用匹配法反求地层参数，矿场动态资料历史拟合)等：应该发展计算数学(涉及诸如线性代数计算、数值逼近、偏微分方程组的解法、随机方程的解法以及数学规划等分支学科)，为解决上述计算渗流力学问题提供更好的工具。
由于渗流的计算模拟要求最大限度地逼近实际的地质条件和地层参数及渗流中的物理化学过程和全部生产实际，所以这对计算机的软件和硬件要求都是十分苛刻的。20世纪80年代初，大型矢量机的出现使渗流计算开始走向真正的工业化应用，而以后的计算机工作站和并行机的问世，又将渗流计算向前推进了一步。渗流数值模拟的进展大致有以下几个方面：(1)全隐式方法；(2)预处理共轭梯度法；(3)矢量化；(4)自适应隐式方法；(5)局部网格加密；(6)状态方程组分模型；(7)稠油热采渗流模型；(8)裂缝多孔介质渗流模型；(9)聚合物驱油渗流模型；(10)工作站前后处理软件。就油藏数值模拟而言，油藏数值模拟的发展与硬件发展紧密联系，由传统的计算机转向工作站。工作站软件系统的完善和标准化以及三维图形库的应用，使油藏渗流数值模拟面貌有了较大的改变。
1．7 应用研究
渗流力学在工程和技术领域的应用以及对其它相关学科领域的应用研究具有非常广阔的前景，在21世纪，对资源开发的应用研究仍是渗流力学的主要任务之一，地下资源包括石油天然气、地下水、煤层气、地热、地下卤水和盐湖资源等。随着油气资源日益减少，开发的难度越来越大，对科学技术的要求也越来越高。低渗透问题、稠油的效果，各种表面活性剂的注入、细菌采油、振动采油等，给渗流力学提出了一系列更为复杂的任务。此外，有以下若干应用研究领域给渗流力学提出了繁重的任务。
农田水利领域这包括土壤改良、盐碱化治理、减少化肥农药污染、水土保持和合理使用，这要求将土壤、植被、水流、防污染作为一个整体的系统工程进行研究。实现高效农业和可持续发展战略。
沿海地区海水入侵和咸水湖地区咸水入侵的防治我国的大连、天津、河北、山东、江苏及上海等沿海地区均有较严重的海水入侵，使地下水质恶化，氯离子含量增加，给这些地区的工农业生产和人民生活造成危害。沿咸水湖地区问题亦相当严重，应当综合研究进行防治。
地面沉降的控制地面沉降的主要原因是地下水的不合理抽取，引起孔隙内流体压力下降，导致地层变形，该问题的研究涉及流固耦合问题。我国上海、天津及其它一些大城市都出现严重的地面沉降。例如，天津市内年平均沉降大于5cm，个别地区达14cm，1949—1997年累计沉降已达2．7m，上海地区从1949年以来地面下沉1—2m，有些地方甚至降到海平面以下，造成海水入侵、水质恶化，苏锡常部分地区近20年地面下沉1m，造成局部地区房屋开裂、管道错位、防洪工程的防洪标准下降等，这些对建筑工程带来严重影响。
水库诱发地震问题水库蓄水以后，使岩石中孔隙压力增大。对于有裂缝的岩体，库水沿各种裂缝深入岩体内部，造成局部岩体应力积累，使岩体中构造应力及时释放而导致地震的产生。我国黄河上游、长江中上游、雅鲁藏布江的世界第一大峡谷以及云贵地区水力资源异常丰富。这些资源的开发会形成巨大的水体。统计资料表明，我国地震总数的一半为水库诱发地震。对该问题的研究具有重要意义。
对工程领域的应用研究渗流在工程领域的应用日益广泛。特别是隧道工程、高速公路路基建筑、地下储气库工程、环保工程、化学工程等。在航空、航天技术和核工业领域，渗流也有重要应用。
微机电系统(MEMS)中渗流微型的电子—机械系统(简称微机电系统)是21世纪机电系统的重要研究方向，其尺寸为微米量级。它的显而易见的应用领域有诸如基因工程、生物医学工程，包括体内手术、医用注入器等，在工程领域也有广泛的潜在应用前景，如流动控制、打印器具等。微机电系统中的管径亦为微米量级或更细。其中比面很大、表面现象很重要，具有多孔介质的明显特征。气体在其中的流动一般为滑流领域，有时还涉及传热问题。将给渗流的研究带来一些新的课题。
地球物理领域近年来渗流力学在地球物理领域的应用越来越广泛。这种交叉学科的研究日益受到重视。包括岩浆的活动、某些地质构造和地貌的形成等问题以及某些海底结构，都涉及渗流问题。将渗流力学与地质力学、岩石力学结合起来进行研究将取得重要成果。
生物科学领域渗流在生物科学领域的应用将越来越受到重视，该领域的研究成果的重要意义正日益明显，在促进人
类健康防止某些疾病，特别是给人类生命造成严重威胁的心、脑血管疾病的防治方面将提供有益的依据。
从广义的角度而言，生物渗流是指人体利动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。研究生物渗流，对医学科学的发展，尤其是对心脑血管疾病的诊断与防治技术的进步，对农林业及畜牧业的发展，都具有极其重要的意义：郭尚平院士等专家将流体力学与医学及牛物学交叉渗透研究，获得了重大突破，在国际上首次建立了生物渗流理论，成为渗流力学发展史上的一块里程碑。他们的研究成果表明，人体和动物体内多种微细管道系统，具有多孔介质的主要特征和必要的条件，属于多孔介质，其中的流体流动属于渗流，并且人血、羊血、马血、兔血与肝胆汁渗流亦大多数情况下遵循非线性渗流定律。他们创造性地提出了生物多重介质渗流的概念，系统地建立了生物多重介质渗流的数学模型。例如建立了肝脏四重介质渗流的数学模型、肺脏二重介质渗流的数学模型、毛细血管一组织间隙一毛细淋巴管二重介质渗流的数学模型，为揭示生物渗流规律及机制奠定了基础，为推动渗流力学学科的发展和人类健康事业的进步做出了显著的贡献。世界著名力学家、生物力学泰斗、美国国家科学院院士与工程院院士冯元帧教授评价该项生物渗流理论“在世界上是突出的”。此外，阎庆求教授、吴望一教授和中国医学科学研究院血液研灾所的专家等也开展了生物渗流的研究，取得了重要进展。植物的根、茎、枝、叶也是多孔介质，植物体内水分、糖分与气体输运过程都属于渗流，这方面的渗流以及非生物多孔介质中微生物渗流的研究都很薄弱。
本文采用核磁共振自旋回波成像、自旋密度成像、T_1成像和SPI成像，核磁共振多弛豫分离技术和弛豫时间谱分析等技术，系统研究了储层岩石和流体的核磁共振特征、多相渗流机理、储层伤害机理和低渗透储层可动流体的分布规律。主要研究结论如下：首次建立了同时测量岩心孔隙度、渗透率和孔径分布及其随有效压力变化的核磁共振测试方法，研究结果表明：随着地层压力的降低，岩心孔隙度略有降低。二者的关系近似服从线性规律。与此同时，孔径分布曲线右端大孔径部分向小孔径方向移动。渗透率随有效压力的降低而较大幅度降低，二者近似服从指数规律。随着地层压力的升高，岩心孔隙度，孔径分布和渗透率逐渐恢复，但不能达到原始值。其中裂缝性岩心孔隙度和渗透率的恢复率明显低于基质性岩心。随着地层压力的变化，岩心裂缝中主要发生塑性形变，而岩心基质中主要发生弹性形变。因此随着地层压力的下降，裂缝性岩心的渗透率激剧降低，并且随地层压力的上升渗透率几乎不恢复。所以在裂缝性地层开采石油和地下水时，应保持适当的地层压力，以避免由于地层压力下降过多而造成储层严重的永久性伤害。建立了多孔介质润湿性的分子动力学解释模型和核磁共振表面弛豫测试新方
流体通过多孔介质的流动称为渗流。多孔介质是指由固体骨架和相互连通的孔隙、裂缝或各种类型毛细管所组成的材料。渗流力学就是研究流体在多孔介质中运动规律的科学。它是流体力学的一个重要分支，是流体力学与岩石力学、多孔介质理论、表面物理、物理化学以及生物学交叉渗透而形成的。
渗流现象普遍存在于自然界和人造材料中。如地下水、热水和盐水的渗流；石油、天然气和煤层气的渗流；动物体内的血液微循环和微细支气管的渗流；植物体内水分、气体和糖分的输送；陶瓷、砖石、砂模、填充床等人造多孔材料中气体的渗流等。
渗流力学在很多应用科学和工程技术领域有着广泛的应用。如土壤力学、地下水水文学、石油工程、地热工程、给水工程、环境工程、化工和微机械等等。此外，在国防工业中，如航空航天工业中的发汗冷却、核废料的处理以及诸如防毒面罩的研制等都涉及渗流力学问题。
渗流的特点在于：（1）多孔介质单位体积孔隙的表面积比较大，表面作用明显。任何时候都必须考虑粘性作用；（2）在地下渗流中往往压力较大，因而通常要考虑流体的压缩性；（3）孔道形状复杂、阻力大、毛管力作用较普遍，有时还要考虑分子力；（4）往往伴随有复杂的物理化学过程。
渗流力学是一门既有较长历史又年轻活跃的科学。从Darcy定律的出现已过去一个半世纪。20世纪石油工业的崛起极大地推动了渗流力学的发展。随着相关科学技术的发展，如高性能计算机的出现，核磁共振、CT扫描成像以及其它先进试验方法用于渗流，又将渗流力学大大推进了一步。近年来，随着非线性力学的发展，将分叉、混沌以及分形理论用于渗流，其它诸如格气模型的建立等等，更使渗流力学的发展进入一个全新的阶段。
渗流力学的应用范围越来越广，日益成为多种工程技术的理论基础。由于多孔介质广泛存在于自然界、工程材料和人体与动植物体内，因而就渗流力学的应用范围而言，大致可划分为地下渗流、工程渗流和生物渗流3个方面。
地下渗流是指土壤、岩石和地表堆积物中流体的渗流。它包含地下流体资源开发、地球物理渗流以及地下工程中渗流几个部分。地下流体资源包括石油、天然气、煤层气、地下水、地热、地下盐水以及二氧化碳等等。与此相关的除能源工业外还涉及农田水利、土壤改良(特别是沿海和盐湖附近地区的土壤改良)和排灌工程、地下污水处理、水库蓄水对周围地区的影响和水库诱发地震、地面沉降控制等。地球物理渗流是指流体力学和地球物理学交叉结合而出现的渗流问题。这些问题的研究进一步推动了渗流力学理论的发展。地球物理渗流包括雪层中的渗流和雪崩的形成、地表图案的形成、海底水冻层的溶化、岩浆的流动和成岩作用过程以及海洋地壳中的渗流等。
存在于人造多孔介质或工程装置中的流体渗流称为工程渗流，它涉及化学工业、冶金工业、原子能工业、机械工业、建筑工业、轻工食品等多个部门。存在于人体和动植物体内的流体渗流称为生物渗流，它包含人体和动物体内毛细血管中的血液流动与呼吸系统的气体运动，植物体内的水分糖分的流动等。
简单地说．渗流研究的意义体现在；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，在环境保护、地震预报、生物医疗等科学技术领域中，在防止与治理地面沉降、海水人侵，兴建大型水利水电工程、农林工程、冻土工程等工程技术中，已成为必不可少的理论。
《渗流力学》复习题及答案_4431525658164019
中国石油大学（北京）远程教育学院 渗流力学期末复习题 一、概念题（可由文字或公式表示，本类型题目也可以以填空题的形式出现） 1、压力梯度曲线 2、非线性渗流的二项式 3、采油指数 4、不完善井折算半径 5、势的叠加 6、平面径向稳定流的渗流阻力 7、稳定试井 8、折算压力 9、活塞式水驱油 10、渗流速度 11、达西定律 12、汇点反映 13、综合弹性压缩系数 14、导压系数 15、等饱和度面移动方程 二、简答及概念题（本类型题目有的可以以填空题的形式出现） 16、按照储集层的空间形态，油藏可以分成为哪两种类型？ 17、简述油藏开发中的几种天然能量对应驱油方式。 18、简述油藏流体渗流时流体质点真实平均速度的概念，及其与渗流速度的关系。 19、简述多口生产井同时生产时存在死油区的原因，并给出2种以上动用死油区的方法。 20、写出不稳定试井的概念。 21、写出单相不可压缩流体单向渗流时的产量表达式。 22、根据镜像原理，作出图中两条断层相夹油井的“镜像”：
备注：此题可以扩展为两条平行断层、两条断层呈直角、两条断层呈120°等等类型，复习的时候应该要注意。 23、什么是压力的叠加原理？（可由公式或文字表达） 24、简述油水两相渗流区形成的原因是什么，其中哪一个更重要？ 25、作出单相液体封闭边界，油井定产时地层的压力波传播示意图，并说明压力传播的阶段及其特点。（此题还需要注意和它相似的另外三种情况：封边外边界、油井定压；定压外边界、油井定产；定压外边界、油井定压） 26、什么是汇源反映法？汇点反映？ 27、可压缩流体在弹性介质中油水两相的连续性方程的一般形式。 三、在由一条断层和一条直线供给边界构成的水平、均质、等厚油藏中有一口生产井，如图所示，供给边界的压力为pe ，井到水平边界距离为a ，到垂直边界的距离为b ，地层渗透率K ，原油粘度μ，孔隙度φ，油层厚度h ，油井半径Rw ，在 稳定渗流的情况下，试写出该井井底流压的表达 式。（本题15分） 考虑：如果是不稳定渗流时井底流压的表达式又 是什么 四、推导考虑重力与毛管力作用下的含水率公式。 （本题共10分） w o w c t o o w K K gSin x P V K f ?+?-??? += 01)(11μμαρμ 另外请考虑其它三种情况：（1）毛管力和重力都不考虑、（2）不考虑重力，只考虑毛管力、 （3）考虑重力，不考虑毛管力。 五、已知地层被直线供给边界（边界压力为pe ）分割成为半无限大地层，边界附近一口生产井以定压pw 生产（如右图），井距边界距离为a ，地层厚度为h ，渗透率为K ，孔隙度为φ，流体粘度为μ，生产井井底半径为rw ，综合弹性压缩系数为C t ，请建立此情况下地层不稳定渗流 的数学模型（或者稳定渗流时的数学模型），并求地层压力分布、或者生产井的产量表达式。 (备注：这一类型的题目一般要注意告诉的是什么条件，稳定渗流或者不稳定渗流，生产井定压还是定产) 断 层 题三图 e P
流体力学期末考试简答题
一、雷诺实验 雷诺揭示了重要的流体流动机理,即根据流速的大小,流体有两中不同的形 态.当流体流速较小时,流体质点只沿流动方向作一维的运动,与其周围的流体 间无宏观的混合即分层流动这种流动形态称层流或滞流.流体流速增大大某个值 后,流体质点除流动方向上的流动外,还向其它方向作随机的运动,即存在流体 质点的不规则的脉动,这种流体形态称湍流. 雷诺将一些影响流体流动形态的因素用 Re 表示. Vc=Rec*μ/ρd Rec=Vcρd/μ=Vcd/v 二、尼古拉兹实验（内容意义） 什么是尼古拉兹实验: 尼古拉兹通过人工粗糙管流实验，确定出沿程阻力系数与雷诺数、相对粗糙度之间的关系，实验曲线被划分为5个区域，即1．层流区 2．临界过渡区3．紊流光滑区4．紊流过渡区5．紊流粗糙区（阻力平方区）。 意义：尼古拉兹实验比较完整地反映了沿程阻力系数λ的变化规律，揭露了影响λ变化的主要因素，它对λ和断面流速分布的测定，推导湍流的半经验公式提供了可靠的依据。 三、静止流体中应力特性描述说明 应力的方向沿作用面的内法线方向 2.静压强的大小与作用面方位无关 四、元流伯努利方程的物理意义和几何意义， 1.物理意义：式Z+Ρ/ρg+U2/2g=C中的前 两项z p的物理意义说明分别是单位 重量流体，具有的位能和压能，z+Ρ/ ρg，是单位重量流体具有的总势能， u2/2g这是单位重量流体具有的动能。3 项之和z+Ρ/ρg+U2/2g，是单位重量流 体具有的机械能，式Z+Ρ/ρg+U2/2g=C，则表示无黏性流体的恒定流动，沿同一 元，流单位重量流体的机械能守恒，伯 努利方程又称为能量方程。 2.几何意义，式Z+Ρ/ρg+U2/2g=C各项的 几何意义是不同的几何高度，z是位置 高度又称高度水头或位置水头，Ρ/ρg 是测压管高度又称压强水头，两项之和 Hp=Z+Ρ/ρg是测压管水头，U2/2g是流 速高度又称速度水头，速度水头也能够 直接测量，3项之和H=Z+Ρ/ρg+U2/2g， 称为总水头，式Z+Ρ/ρg+U2/2g=C则表 示无黏性流体的恒定流动，沿同一元流 各断面的总水头相等，总水头线是水平 线。五、总流伯努利方程的物理和几何意 义，同元流伯努利方程类似不需详述， 需注意的是方程的平均意义。 z—总流过流断面上某点，（所取计算点），单位重量流体的位能，位置高度或高度 水头 Ρ/ρg--总流过流断面上某点（所取计 算点）单位重量流体的压能，测压管高 度或压强水头。 αv2/2g—总流过流断面上单位重量流 体的平均动能，平均流速高度或速度水 头。 Hw--总流两断面间单位重量流体平均的 机械能损失。 因为索取过流断面是渐变流断面，面上 各点的势能相等，即Z+Ρ/ρg是过流断 面上单位重量流体的平均势能。而αv2 /2g是过流断面上单位重量流体的平均 动能故3项之和Z+Ρ/ρg+αv2/2g是过 流断面上单位重量流体的平均机械能， 是4-19是能量守恒原理的总流表达式 六、雷诺数的物理意义：关于雷诺数的 物理意义如第五章，5.3所述，是以宏 观特征量表征的、质点所受惯性力与黏 性力之比。当Re
渗流力学复习题
油气渗流力学复习资料（成教高起专） 一、名词解释 1. 渗流力学：研究流体在多孔介质中流动规律的一门学科。 2. 多孔介质：含有大量任意分布的彼此连通且形状各异、大小不一的孔隙的固体介质。 渗流——流体通过多孔介质的流动。 3. 连续流体：把流体中的质点抽象为一个很小体积中包含着很多分子的集合体，质点中流体的性质与周围质点中的流体性质成连续函数关系。 4. 连续多孔介质：把多孔介质中的质点抽象为一个很小体积单元，该体积单元的介质性质与周围体积单元中的介质性质成连续函数关系。 5. 连续介质场：理想的连续多孔介质及其所包含的连续流体的整体系统。 6.“点源”：向四周发散流线的点。“点汇”：汇集流线的点。 7. 汇源反映法：对于直线供给边缘以镜像等产量“异号像井”的作用来代替直线供给边缘的作用的解题方法。 8. 汇点反映法：以等产量，对称“同号镜像井”的作用代替封闭断层作用的解题方法。 9. 拟稳定流：油井以定产量生产，当压力波传播到封闭边缘以后，供给边缘压力下降速度与井底及地层内各点的压力下降速度相等，且为一常数的一种流动状态。 10. 活塞式水驱油：就是假定水驱油过程中存在一个明显的油水分界面，前油后水，中间不存在油水过渡（或混相）区油水分界面像活塞端面一样向前移动。 11. 非活塞式水驱油：实际水驱油过程，不存在明显的油水分界面，而是一个“两相区”；同时水区有残余油，油区有束缚水。 12. 溶解气驱：当井底压力或平均地层压力低于饱和压力时，油流入井主要是依靠地下油分离出的天然气的弹性作用的一种开采方式。 13. 原始溶解油气比（Rsi）：单位体积（重量）的地面标准状态下的原油在原始地层压力下，所溶解的天然气在标准状态下的体积。 14. 生产油气比（R）：油井生产时，在地面标准状态下，每采出1吨（m3）原油时，伴随采出的天然气量。 15.采油指数：单位压差下的产油量。 16.舌进现象：当液体质点从注水井沿x方向（主流线）己达到生产井时，沿其他流线运动的质点还未达到生产井，这就形成了舌进现象。 17. 稳定渗流：运动要素（如速度、压力等）都是常数的渗流。 18. 渗流速度：流体通过单位渗流面积的体积流量。 19. 多井干扰：多井同时工作时，地层内各点的压降等于各井单独工作时的压力降的代数和。 20. 稳定试井：通过人为地改变井的工作制度，并在各个工作制度稳定的条件下测量其压力及对应的产量等有关资料，以确定井的生产能力和合理的工作制度，以及推算地层的有关参数等的方法。 21. 折算压力：假想油藏为静止状态，油藏内任意一点的实测压力与该点相对于选定海拔平面的液柱压力之和。 22. 质量守恒定律：在地层中任取一微小的单元体，在单元体内若没有源和汇存在，则包含在微元体封闭表面内的液体质量变化应等于同一时间间隔内液体的流入质量与流出质量之差。
渗流力学 教学大纲
《渗流力学》课程教学大纲 课程编号：02041002 课程名称：渗流力学 英文名称：Fluid Flow Through Porous Media 课程类型：必修课 课程性质：专业基础课 总学时：56 讲课学时：48 实验学时：8 学分： 4 适用对象：石油工程专业、海洋油气工程、资源勘查工程 先修课程：油层物理 一、编写说明 （一）制定大纲的依据 根据《渗流力学》专业本科生培养计划要求制定本教学大纲。 （二）课程简介 “渗流力学”是流体力学的一个分支，是研究流体在多孔介质中流动规律的一门学科。本课程讲述的内容是“渗流力学”中的一个分支——地下渗流部分。专门研究地下油气水及其混合物在地层中的流动规律。 （三）课程的地位和作用 本课程是油气田开发与开采的理论基础，是石油工程专业和海洋油气工程专业的主干课程，同时也是资源勘查工程专业的选修课。明确渗流理论是油气田开发，提高油田采收率等理论的基础，为学好专业课和解决有关地下油、气、水的渗流问题打好基础。 （四）课程性质、目的和任务 本课程是石油工程专业和海洋油气工程专业本科学生的一门专业基础课，目的是通过各个教学环节使学生掌握油、气、水在地下流动规律，以及研究流体渗流规律的基本方法。 本课程的任务是使学生能掌握渗流力学基础概念、基本理论及解决渗流问题的基本技能。 （1）使学生掌握油、气、水渗流的基本规律及建立方程的基本方法； （2）培养学生用所学的渗流力学理论分析和解决渗流问题能力； （3）通过实验课培养学生严谨作风及动手能力。 （五）与其他课程的联系 由于渗流力学是一门专业基础课，所以是其他专业课的基础，为学好其他专业课打下牢固的基础。 （六）对先修课的要求
渗流力学试题一
《渗流力学》试题一 一填空题（本大题20分，每空1分） 1 油气储集层。 2 油气储集层的特点、、和。 3 流体渗流中受到的力主要有、和。 4 单相液体稳定渗流的基本微分方程是，为型方程。 5 油井不完善类型有、和。 6 等产量两汇流场中等势线方程为。y轴是一条。平衡点是指。 7 油气两相渗流中拟压力函数H的表达式为：，其物理意义：。 8 气井稳定试井时，按二项式处理试井资料时，其流动方程为， 绝对无阻流量表达式。 二简答题（本大题30分，每小题3分） 1 试绘图说明有界地层中开井生产后井底压力传播可分为哪几个时期？ 2 试说明溶解气驱油藏气油比变化的特点。 3 渗流速度和真实渗流速度定义。给出两者之间的关系。 4 试绘图说明流变性只与剪切速率有关的纯粘性非牛顿流体的分类及其流变曲线形态。 5 什么是折算压力？其公式和实质分别是什么？ 6 写出导压系数的表达式。导压系数物理意义是什么？ 7 试绘图说明平面单向流和平面径向流的压力消耗特点。 8 说明井干扰现象及其实质。
9 什么是稳定试井？指示曲线的用途是什么？ 10 说明水驱油的活塞式和非活塞式驱动方式各自的特点。 三（本大题10分） 长为1 m的岩心，横截面积为4 cm2，渗透率为2.5×10-12 m2，通过液体的粘度为1 cp，流量为4 cm3/min，则需要在模型两端建立多大的压差？ 四（本大题10分） 某井在生产过程中产量变化如第四题图所示，试推导t2时刻井底压力公式。 五（本大题10分） 一均质地层中有一供给边界和一条断层相交成90°，中间为一口生产井，如第五题图所示。已知地层厚度为h，渗透率为k，液体的粘度为μ，井筒半径为r w，井底压力为p wf，供给边界压力为p e。试导出该井的产量公式。 (第四题图) (第五题图) 六（本大题10分） 根据生产气油比定义推导生产气油比公式。 七（本大题10分，每小题5分） 实验室有一地层模型，如第七题图所示。 1 导出其流量计算公式； 2 画出压力分布曲线示意图，并说明理由。
渗流力学整理
1.渗流力学是研究流体在多孔介质中的运动形态和运动规律的科学。 2.多孔介质—含有大量任意分布的彼此连通且形状各异、大小不一的孔隙的固体介质。 3.渗流—流体通过多孔介质的流动。 5连续流体---把流体中的质点抽象为一个很小体积中包含着很多分子的集合体，质点中流体的性质与周围质点中的流体性质成连续函数关系。 6连续多孔介质----把多孔介质中的质点抽象为一个很小体积单元，该体积单元的介质性质与周围体积单元中的介质性质成连续函数关系。 7连续介质场----理想的连续多孔介质及其所包含的连续流体的整体系统。 8油、气、水之所以能在岩石孔隙中渗流是由于各种力作用的结果。 主要有：1. 重力；2. 惯性力3. 粘滞力4 . 弹性力5. 毛管力 9流体压力的表示式：PZ =10-3ρg z ≈0.01 γz 10当渗流由一种流体驱替另一种流体时，在两相界面上会产生压力跳跃，它的大小取决于分界面的弯曲率（曲度），这个压力的跳跃就称为毛管压力，用PC 表示。r P C θ σcos 2= 11折算压力：假想油藏为静止状态，油藏内任意一点的实测压力与该点相对于选定海拔平面的液柱压力之和。P=P0+0.01·γ·Z 12油藏的（天然）能量主要有：边水的压能，岩石和液体的弹性能，气顶中压缩气体的弹性能，原油中溶解气体的弹性能和原油本身的重力。 驱动类型：1.重力水压驱动；2.弹性驱动；3.气压驱动；4.溶解气驱；5.重力驱动。 13达西定律变形阻力动力 .........A L K P Q ??= μ 14渗流为非线性渗流时渗流速度的表示式： 1指数式：n ）dL dP C （v -=C —与岩石性质有关的系数。n —渗流指数，=1—0.5，n=1, 与满足线性渗流定律。 2二项式：2Bv Av dL dP +=- A 、 B 为与岩石及流体性质有关的系数 15质量守恒定律：在地层中任取一微小的单元体，在单元体内若没有源和汇存在，则包含在微元体封闭表面内的液体质量变化应等于同一时间间隔内液体的流入质量与流出质量之差。 单相渗流的连续性方程： t z v y v x v z y x ??- =??+??+??) ()()()(ρφρρρ（三维）
流体力学期末复习资料
1、流体运动粘度的国际单位为m^2/s 。 2、流体流动中的机械能损失分为沿程损失和局部损失两大类。 3、当压力体与液体在曲面的同侧时，为实压力体。 4、静水压力的压力中心总是在受压平面形心的下方。 5、圆管层流流动中，其断面上切应力分布与管子半径 的关系为线性关系。 6、当流动处于紊流光滑区时，其沿程水头损失与断面 平均流速的1.75 次方成正比。 7、当流动处于湍流粗糙区时，其沿程水头损失 与断面平均流速的2 次方成正比。 8、圆管层流流动中，其断面平均流速与最大流速的比值为1/2 。 9、水击压强与管道内流动速度成正比关系。 10、减轻有压管路中水击危害的措施一般有：延长阀门关闭时间, 采用过载保护，可能时减低馆内流速。 11、圆管层流流动中，其断面上流速分布与管子半径的关系为二次抛物线。 12、采用欧拉法描述流体流动时，流体质点的加速度由当地加速度和迁移加速度组成。 13流体微团的运动可以分解为： 平移运动、线变形运动、角变形运动、旋转运动。 14、教材中介绍的基本平面势流分别为：点源、点汇、点涡、均匀直线流。 15、螺旋流是由点涡和点汇两种基本势流 所组成。 16、绕圆柱体无环量流动是由偶极流和 平面均匀流两种势流所组成。 17、流动阻力分为压差阻力和摩擦阻力。 18、层流底层的厚度与雷诺数成反比。 19、水击波分为直接水击波和间接水击波。 20、描述流体运动的两种方法为 欧拉法和拉格朗日法。 21、尼古拉兹试验曲线在对数坐标中的图像分为5个区域，它们依次为： 层流层、层流到紊流过渡区、紊流区、 紊流水力粗糙管过渡区、紊流水力粗糙管平方阻力区。 22、绕流物体的阻力由和两 部分组成。 二、名词解释 1、流体：在任何微小剪力的持续作用下能够连续不断变形的物质 2、牛顿流体：把在作剪切运动时满足牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体。 3、等压面：在流体中，压强相等的各点所组成的面称为等压面。 4、流线：流线是某一瞬时在流场中所作的一条曲线，在这条曲线上的各流体的速度方向都与该曲线相切。 5、流管：过流管横截面上各点作流线，则得到充满流管的医术流线簇 6、迹线：流场中某一质点的运动轨迹。
工程流体力学试卷答案
工程流体力学考试试卷 一． 解答下列概念或问题 （15分） 1． 恒定流动 2． 水力粗糙管 3． 压强的表示方法 4． 两流动力学相似条件 5． 减弱水击强度的措施 二． 填空 （10分） 1．流体粘度的表示方法有（ ）粘度、（ ）粘度和（ ）粘度。 2．断面平均流速表达式V =（ ）；时均流速表达式υ=（ ）。 3．一两维流动y 方向的速度为),,(y x t f y =υ，在欧拉法中y 方向的加速度为y a =（ ）。 4．动量修正因数（系数）的定义式0α=（ ）。 5．雷诺数e R =（ ），其物理意义为（ ）。 三． 试推求直角坐标系下流体的连续性微分方程。 （15分） 四． 已知平面不可压缩流体流动的流速为y x x x 422-+=υ， y xy y 22--=υ （20分） 1． 检查流动是否连续； 2． 检查流动是否有旋；
3．求流场驻点位置； 4．求流函数。 五．水射流以20s m/的速度从直径mm d100 =的喷口射出，冲击一对称叶片，叶片角度 θ，求：（20分） 45 = 1．当叶片不动时射流对叶片的冲击力； 2．当叶片以12s m/的速度后退而喷口固定不动时，射流对叶片的冲击力。 第（五）题图
六． 求如图所示管路系统中的输水流量V q ，已知H =24， m l l l l 1004321====， mm d d d 100421===， mm d 2003=， 025.0421===λλλ，02.03=λ，30=阀ξ。（20分） 第（六）题图 参考答案 一．1．流动参数不随时间变化的流动； 2．粘性底层小于壁面的绝对粗糙度（?<δ）； 3．绝对压强、计示压强（相对压强、表压强）、真空度； 4．几何相似、运动相似、动力相似； 5．a)在水击发生处安放蓄能器；b)原管中速度0V 设计的尽量小些；c)缓慢关闭；d)采用弹性管。 二．1．动力粘度，运动粘度，相对粘度； 第2 页 共2 页
渗流力学
《渗流力学》综合复习资料 一、填空题 1.圆形封闭地层中心一口井生产时的拟稳态是指。 2.油藏的驱动方式包括几种方式。 3.在油气层中相互连通的油气水构成一个。 4.综合压缩系数的物理意义是。 5.流体在地下渗流过程中，受到这几种力的作用和影响。 6.渗流数学模型必须包括的内容有。 7.影响水驱油非活塞性的主要因素是。 8.达西定律是渗流的基本定律，它表明和成正比关系，与成反比关系。 9.地层导压系数的表达式为：，其物理意义为：。 10.折算半径是指：。 11.把油气层中流动的液体、气体以及它们的混合物统称为，把构成油气层的固体结构称为。 12.流体在油气层中的流动称为。 13.完整的渗流数学模型包括两部分。 14.分流量方程的推导是在忽略了力的情况下得到的一个简化式。 15.油气两相渗流的产量与成正比关系。 二、简述题 1.油井的不完善类型有哪几种？并说明它们对产量的影响。 2.简述油井不稳定试井的基本原理及能解决的问题。 3.绘图说明非活塞式水驱油时含水饱和度变化规律。 4.镜像反映法的作用是什么？在复杂边界油藏中应用的基本原则是什么？ 5.试绘制Horner曲线，并说明利用它来求原始地层压力的方法。 6．简述油井的不完善类型及其引起产量变化的原因，并说明描述不完善性的方法。 7．写出非活塞式水驱油见水前的两相区平均含水饱和度公式，并图示其确定方法。 8．画出平面径向渗流的渗流场图，并说明其特点。 9．油井的不完善类型有哪几种？通常描述不完善性的方法有哪几种？ 10．叠加原理是解决多井问题的基本原理，说明其实质及在具体应用时应注意什么条件？11．如何确定一维水驱油在油井见水前两相区平均含水饱和度及前缘含水饱和度？ 三、计算题
流体力学试题答案(待审定)
流体力学表面张力： 1.连续性原理只适用于理想流体的定常流动。（错）连续性方程即是质量守恒定律,适用于一切流体.可压和不可压的稳定流管,定常非定常等流动都适用. 2.“巷小风大”生动地体现了流体的可压缩性。（质量守恒）（错） 3．流体做定常流动时，各点流速可以不同；…………………………..（对）同一地点的速度不随时间变化。 4.黏滞力总是阻碍流体质量元的运动。………………………………..（对） 运动快的流层给运动慢的流层以加速力,运动慢的物体给运动快物体以黏滞力。 5．黏滞性流体不可做定常流动；…………………………………….….（错）点的确定 6.液体表面张力的方向垂直于张力线并且和液面垂直（相切）。（错） 7.多个小水滴汇合成一个大水滴时要释放能量。（对）8．表面张力存在，使得液体表面积和表面能都不断减小，直至最小；（对） 9.肥皂泡的半径增加时，其内外压强差也随之增加。………………..（错） 10. 毛细现象是由于液体润湿（不润湿）固体引起的。（对） 11.同一流线上各点流速大小相同。（错） 液体表面积越大，其表面张力系数越小。（错）13.大水滴变成小水滴，水的总能量增大。（对）
14.降低水温和加入洗涤剂都可以减小水的表面张力系数。 （ 错 ） 15.理想流体作定常流动时，通过同一横截面的流量不随时间发生变化。（ 对 ） 1.黏滞性流体在圆水平管中做层流时，下列说法中正确的是（ D ） A.管道中各处的流速相等； B.流层之间的摩擦力与速度梯度dy dv 成反（正）比； C.流量与管道直径的立方（四次方）成正比；D.管道轴心的流速大于管壁处的流速； 2. 内直径为3cm 的水管里的水在压强4?105Pa 作用下以1m/s 的流速流入10m 高的楼房室内的内直径为1cm 的水管. 取重力加速度为10m/s 2, 水的密度为 103kg/m 3. 设水为理想流体, 则室内水管内水的流速和压强分别为 ( C ) A. 3m/s, 2.96?105Pa B. 3m/s, 3.04?105Pa C. 9m/s, 2.6?105Pa D. 9m/s, 3.4?105Pa 3.下列说法正确的是………………………………………………………（ A ） A.生活中倒水时，水流越来越细是伯努利方程的体现 B.定常流动是理想流体所特有的，黏性流体不能做定常流动 C.管径越小，毛细管内液面上升的高度越高（可能下降）变化高度 D.钢针能够浮在水面上是由于钢针质量小，受到的浮力小于（等于）重力。表面张力 4.关于液体表面张力，下列说法正确的是…………………………（ ） A.温度越高，液体的表面张力系数越大（小） B.水中加入活性剂的目的是为了增大水的表面张力系数（减小，易于流动）
渗流力学
渗流力学 1、渗流的特点是什么？答：阻力大，流速慢。 2、什么是多孔介质,有哪些特点？答：由毛细管和微毛细管组成。特点为：储容性、渗透性、比表面性、结构 复杂。 3、写出渗流速度及真实渗流速度的定义，并说明它们之间的关系？ 答：渗流速度：流体通过单位渗流面积的体积流量；真实渗流速度：流体通过单位真实渗流面积的体积流量， 关系为V=?·V ? 4、一般的渗流形式有哪些？答：平面单向流、平面径向流、球形径向流。 5、什么是原始地层压力？获得原始地层压力的方法有哪些？ 答：油藏在投入开发以前测得的地层压力称为原始地层压力，获得方法有：打第一批探井时测得的；通过压 力梯度曲线得到。 6、什么是折算压力？其物理意义是？答：油藏中任一点的实测压力均与其埋藏深度有关，为了确切地表示地下 的能量分布情况，必须把地层内各点的压力折算到同一水平面上，这个水平面称为折算平面，经折算后的压力称为折算压力。其物理意义为折算压力在实质上代表了该点流体所具有的总的机械能。 7、在渗流过程中一般受到哪些力的作用？主要作用力是什么？ 答：流体的重力、惯性力、粘滞力、岩石及流体的弹性力、毛细管压力。后三个为主要作用力。 8、油藏驱动类型一般有哪几种？答：弹性驱动、溶解气驱动、气压驱动、重力驱动、重力水驱动。 9、什么是达西定律？为什么说它是线性渗流定律？答：达西定律为q=KA?p/μL 因为流量q 与压差?p 呈线 性关系，故达西定律也是线性渗流定律。 10、达西定律中各物理量的单位是什么？答：K —渗透率—m 2；A —横截面积—m 2；?p —两个渗流截面间的压 差—Pa ；μ—粘度—Pa ·s ；L —两个渗流截面间的距离，m 。 11、在什么情况下会产生非线性渗流？答：高速非线性渗流：一般会出现在气井或裂缝性油井中；低速非线性 渗流：低渗，特低渗油藏或是稠油油藏中。 12解决渗流问题的一般思路是什么？答：第一步，建立比较理想的物理模型；第二步，对物理模型建立相应的 数学模型；第三步，对数学模型求解；第四步，将求得的理论结果应用到实际问题中。 13、渗流基本微分方程由哪几个方程组成？答：连续性方程；运动方程；状态方程；特征方程。。 14、什么是稳定渗流？答：是指运动要素（如速度、压力等）都是常数的渗流。 15、写出稳定渗流的基本微分方程，并说明其属于哪种数理方程？ 答：0z p y p x p 222222=??+??+?? 属于拉普拉斯方程。 16、绘制平面单向流和平面径向流的压力分布曲线，说明其压力消耗特点。 平面单向流：沿程渗流过程中压力是均匀下降的。 平面径向流：压力主要消耗在井底附近，这是因为越靠近井底渗流面积越小而渗流阻力越大的缘故。 17、写出平面单向流的流量计算公式。 答：L p -p h q B e μ）（KW = 18、写出平面径向流的流量公式，并说明提高油井产量一般有哪几种途径？ 答：() w e wf e r r ln p -p h 2q μπK = 途径：1酸化压裂，增加渗透率；2增大生产压差；3加入降粘剂，火烧油层；4补孔处理；5加密井。 19、什么是油井的完善性？表示不完善性有几个物理量？ P Pe P B O L P Pe Pwf rw re r
工程流体力学期末复习重点
第一章 1、流体的定义： 流体是一种受任何微小剪切力作用都能连续变形的物质，只要这种力继续作用，流体就将继续变形，直到外力停止作用为止。 2、流体的连续介质假设 流体是由无数连续分布的流体质点组成的连续介质。 表征流体特性的物理量可由流体质点的物理量代表，且在空间连续分布。 3、不可压缩流体—流体的膨胀系数和压缩系数全为零的流体 4、流体的粘性 是指当流体质点/ 微团间发生相对滑移时产生切向应力的性质，是流体在运动状态下具有抵抗剪切变形的能力。 5、牛顿内摩擦定律 作用在流层上的切向应力与速度梯度成正比，其比例系数为流体的动力粘度。即 μ—动力粘性系数、动力粘度、粘度, Array Pa?s或kg/(m?s)或(N?s)/m2。 6、粘性的影响因素 （1）、流体的种类 （2）、流体所处的状态（温度、压强） 压强通常对流体粘度影响很小：只有在高压下，气体和液体的粘度随压强升高而增大。 温度对流体粘度影响很大：对液体，粘度随温度上升而减小； 对气体，粘度随温度上升而增大。 粘性产生的原因 液体：分子内聚力T增大，μ降低 气体：流层间的动量交换T增大，μ增大
1、欧拉法 速度： 加速度： 2、流场 —— 充满运动流体的空间称为流场 流线—— 流线是同一时刻流场中连续各点的速度方向线。 流线方程 流管—— 由流线所组成的管状曲面称为流管。 流束—— 流管内所充满的流体称为流束。 流量—— 单位时间内通过有效断面的流体量 以体积表示称为体积流量 Q （m 3/s ） 以质量表示称为质量流量 Q m （kg/s ） 3、当量直径De 4、亥姆霍兹(Helmholtz)速度分解定理 旋转 线变形 角变形 w dt dz v dt dy u dt dx == =dt dz z u dt dy y u dt dx x u t u Dt Du a x ??+ ??+??+??== )()(0y z z y x u u z y zx xy xx δωδωδεδεδε-++++=) ()(0z x x z y v v x z xy yz yy δωδωδεδεδε-++++=)()(0x y y x z w w y x yz xz zz δωδωδεδεδε-++++=
流体力学试卷2.
流体力学试卷二 姓名__________ 学号__________ 班级__________ 专业__________ 得分__________ 1.一、选择题： 1．液体的粘性主要来自于液体_______。 A.分子的热运动 B.分子间内聚力 C.易变形性 D.抗拒变形的能力 2．温度升高时，空气的粘度。 A.减小 B. 增大 C.不变 D.无规律 3．流体的压缩性不能用_____直接描述。 A.体积压缩系数 B.弹性模量 C.声速 D.密度。 4．按定义，牛顿粘性定律 A.只适用于牛顿流体。 B.只适用于部分牛顿流体。 C.也适用于非牛顿流体。 D.适用于所有流体。 5．流线与流线，在通常情况下__________。 A.能相交，也能相切。 B.仅能相交，但不能相切。 C仅能相切，但不能相交。 D.既不能相交，也不能相切。 6．单位时间内，控制体内由于密度变化引起的质量增量等于从控制面。 A．流入的质量 B．流出的质量 C.流入与流出质量之和 D.流入与流出质量之差 7．运用沿总流的伯努利方程时所选取的两个断面。 A. 可以是任何断面 B. 必须是均流断面 C. 之间可以有急变流 D. 之间必须是缓变流 8．沿总流的伯努利方程中的速度V是指速度 A. A.有效截面上任意点 B.有效截面平均 C.有效截面形心处 D.有效 截面上最大。 9.在安排水池中的船舶阻力试验时，首先考虑要满足的相似准则是________。 A.雷诺数Re B.弗鲁德数Fr C.斯特罗哈数St D.欧拉数Eu 10．弗鲁德数Fr代表的是之比。 A.惯性力与压力 B.惯性力与重力 C.惯性力与表面张力 D.惯性力与粘性力
渗流力学课后答案
第一章 1．有四口油井测压资料间表1。 表 题1的压力梯度数据 已知原油的相对密度0.8，原始油水界面的海拔为－950m ，试分析在哪个井附近形成低压区。 解： 将4口井的压力折算成折算压力进行比较 111m m zm H g p p ?+=ρ =9.0×106+0.8×103×9.8×(950－940)=9.08MPa 222m m zm H g p p ?+=ρ =9.0×106+0.8×103×9.8×(950－870)=9.48MPa 333m m zm H g p p ?+=ρ =9.0×106+0.8×103×9.8×(950－850)=9.58MPa 444m m zm H g p p ?+=ρ =9.0×106+0.8×103×9.8×(950－880)=9.45MPa 由数值上可以看出在第一口井处容易形成低压区。 2．某油田有一口位于含油区的探井，实测油层中部的原始地层压力为8.822×106Pa ，油层中部海拔为－1000m 。位于含水区有一口探井，实测地层中部原始地层压力为11.47×106 Pa ，地层中部海拔－1300m 。已知原油的相对密度为0.85，地层水的相对密度为1。求该油田油水界面的海拔高度。 解：由于未开采之前，油层中的油没有流动，所以两口探井的折算压力应相等，设h 为油水界面的海拔高度，则： ()10008.91085.010822.8361111-???+?=?+=h H g p p m m zm ρ ()13008.91011047.11362222-???+?=?+=h H g p p m m zm ρ 由21zm zm p p =可得：=h -1198.64m 该油田油水界面的海拔高度为-1198.64 m
流体力学试题及答案
流体力学复习题 -----2013制 一、填空题 1、1mmH2O=9.807Pa 2、描述流体运动的方法有欧拉法和拉格朗日法。 3、流体的主要力学模型是指连续介质、无粘性和不可压缩性。 4、雷诺数是反映流体流动状态的准数，它反映了流体流动时粘性力与惯性力的对比关系。 5、流量Q1和Q2，阻抗为S1和S2的两管路并联，则并 联 后总管路的流量Q为Q=Q1+Q2，总阻抗S为。串联后总管路的流量Q为Q=Q1=Q2，总阻抗S为S1+S2。 6、流体紊流运动的特征是脉动现行，处理方法是时均法。 7、流体在管道中流动时，流动阻力包括沿程阻力 和局部阻力。 8、流体微团的基本运动形式有：平移运动、旋转流动和变形运动。 9、马赫数气体动力学中一个重要的无因次数，他反映了 惯性力与弹性力的相对比值。
11、理想流体伯努力方程 z + p + u + + + 10、稳定流动的流线与迹线 重合 。 r 2 g 2 = 常数中，其中 z + p r 称为 测压管 水头。 12、一切平面流动的流场，无论是有旋流动或是无旋流动 都存在 流线 ，因而一切平面流动都存在 流函数 ， 但是，只有无旋流动才存在 势函数。 13、雷诺数之所以能判别 流态 ，是因为它反映了 惯性力 和 粘性力 的对比关系。 14、流体的主要力学性质有 粘滞性 、 惯性 、 重力 性 、 表面张力性 和 压缩膨胀性 。 15、毕托管是广泛应用于测量 气体和 水流一种仪器。 16、流体的力学模型按粘性是否作用分为 理想气体 和 粘性气体 。作用与液上的力包括 质量力， 表面力。 17、力学相似的三个方面包括 几何相似 、 运动 相似 与 动力相似 。 18、流体的力学模型是 连续介质 模型。 19、理想气体伯努力方程 p （z 1 - z 2）（γ α - γ g ） ρu 2 2 中， p （z 1 - z 2） （γ α - γ g ） 称 势压 ， p + ρu 2 2 全压 ，
渗流力学名词解释及重点公式
1.渗流:流体通过多孔介质的流动 2.多孔介质:由毛细管或微毛细管组成的介质. 3.折算压力Pz:将油藏内各点的压力按静水力学内部压力分布规律折算到同一水平面上的压力,该压力即为折算压力. 4.驱动方式:在油藏开采过程中主要依靠哪种能量来驱动,就称为何种驱动方式. 5.渗流速度:流体通过单位面积的体积流量 6.线性渗流:流速与压力差(或压力梯度)呈线性关系的渗流. 7.非线性渗流:渗流速度 v 与压力梯度不成线性关系的渗流.分高速和低速两种。 8.透明度：在数值上与孔隙度 相等 9.综合压缩系数：地层压力每产生单位压降时，单位岩石视体积中孔隙及液体的总体积变化量。 记为：Ct 10.导压系数：单位时间内压力传播的地层面积，表明地层压力波 传导的速度。单位为cm 2/s 或m 2/s 。 11.渗流场图：由一组等压线和一组流线按一定规则构成的图形。 等压线：渗流场中压力相同点的连线。 等压面：渗流场中压力相同的空间点组成的面。 (规则：各相邻两条等压线间的压差值相等；各相邻两条流线 间通过的流量相等。) 12.流度系数： 13.泄油面积：油井周围参与渗流的面积。精确一点，指单井周围所波及的可动用油的面积范围，储层的性质,质量不同,则波及的范围不同, 因此布井开采的井距和开采方法也有所不同, 具体情况具体确定标准。（网上查的） 14．折算半径 r rw ：把实际不完善井用一产量与之相等，但半径改变的假想完善井来代替，这一假想完善井的半径称为实际不完善井的折算半径。 表皮因子与折算半径的关系： 15. 水动力学完善井：井钻穿全部油层厚度，而且井壁是裸露的，即整个井壁都有流体通过，流线在井壁附近仍符合平面径向流，这种井就称为水动力学完善井。 16．水动力学不完善井：凡是井底结构和完善井的井底结构不同,或井底附近油层性质发生变化的井，称为水动力学不完善井。 17. 表皮系数（表皮因子）S ：用无量纲的附加压力降来表征一口井表皮效应的性质和严重程度的物理量，称为表皮因子。 18. 稳定试井：就是通过人为地改变井的工作制度，在稳定情况下测出相应稳定产量和压力值，然后利用稳定渗流理论对其进行解释（绘出指示曲线 ），从而了解油井的生产能力和求地层参数的矿场试验。又称“系统试井”。 19. 指示曲线：油井的产量 与相应的生产压差 之间的关系曲线就称为指示 曲线。 20. 井间干扰现象:同一油层中当多井同时生产时,其中任一口井工作制度的改变(如新井投产,事故停井以及改变工作制度等)所引起的其它井井底压力及产量的变化现象. 21.势的叠加原理：势的叠加原理:多井同时生产时地层中任一点的势等于每一口井单独生产时在该点所引起势的代数和。 22.压降迭加原理:多井同时生产时,地层中任一点的压降等于各井单独生产时在该点形成的压力降的代数和.(规定:生产井形成的压降值为正,注水井形成的压降为负.) 23.舌进现象：油水前缘沿高渗透层突进的现象，在成层非均质油层中可以见到明显的舌进。x o y L 等压线流线 S w rw e r r -?=P q ?~)(wf e P P -q φ
成都理工大学渗流力学考试真题
《渗流力学》考试试卷（A卷）（120分钟） 大题一二三四五六七总分 得分 一、简要介绍渗流力学的研究内容及研究意义（10分） 答：流体通过多孔介质的流动称为渗流。渗流力学是研究流体在多孔介质内的运动（即渗流）规律及其应用的科学。它是流体力学的一个分支，又是流体力学和多孔介质理论、表面理论、物理化学等多学科交叉的一门边缘学科。 渗流力学的应用范围越来越广泛，日益成为多个工程技术学科的理论基础：（1） 油气渗流力学是油气田开发的重要理论基础。 （2） 地下水开发以及地下水环保领域的理论基础 （3） 是工程渗流（指各种人造多孔材料和工程装置中的流体渗流）的理论基础。 （4） 是生物渗流的理论基础。 （5） 等等 二、多孔介质的定义以及多孔介质的性质，如何定量描述多孔介质的性质。（14 分） 答：多孔介质是指由固体骨架和相互连通的孔隙、裂缝或各种类型毛细管所共同租成的材料，作为油气储集层的岩石就是一种多孔介质。 多孔介质最基本的性质是：储集性和渗透性。 储集性通过多孔介质的孔隙度来描述，即多孔介质的孔隙空间体积V p与整体体积V b之比值。 渗透性通过多孔介质的渗透率来描述，即多孔介质允许流体通过的能力。 实际的含油气储层是复杂的，还具有非均质性及各向异性等特征。
三、解释流体压缩系数并推导理想气体等温条件下压缩系数计算公式。（14分） 答：流体都具有一定的压缩性，即随着压力升高，体积有不同程度的减小。 流体的压缩性强弱通过压缩系数大小来衡量。 压缩系数定义为：单位体积流体在单位压力变化情况下流体体积的变化率。 等温条件下，压缩系数表达式为： dP d dP dV V C ρρ11=?= 气体具有明显的压缩性，对理想气体来说，根据波义尔-马略特定律： RT M m PV =， 其中表示气体质量，m M 表示气体分子量，R 为气体普适常数，T 气体温度。 则等温条件下理想气体压缩系数为：P dP dV V C 11=?=。 四、简述达西定律，写出表达式，介绍各项的意义；分析达西定律的适用范围 （16分） 答：达西定律是法国水利工程是Darcy 于1856年通过实验发现的，它是描述多孔介质中渗流的基本运动规律，指流体在多孔介质中的渗流速度与多孔介质中的压力梯度成线性关系。即： dL dP K v μ310??=， v 指渗流速度，单位为米/秒， K 指多孔介质的渗透率，单位为（达西） 2m μμ指流体粘度，单位为s mPa ?(毫帕秒) dL dP 指压力梯度，单位为兆帕/米 达西定律有一定的适用范围， （1） 流体必须是牛顿流体，即粘度不随流速变化而变化；对非牛顿流体， 渗流速度与压力梯度不再符合线性关系。
流体力学考试复习资料考点(1)
一、流体力学及其研究对象 流体：液体和气体的总称。 流体力学：是研究流体的科学，即根据理论力学的普遍原理，借助大量的实际资料，运用数学和实验方法来研究流体的平衡和运动规律及其实际应用的一门科学。 流体力学研究的对象：液体和气体 流 二、流体的力学特性 1、流体与固体的区别主要在于受剪应力后的表现有很大的差异。 固体－－能承受剪应力、压应力、张应力，没有流动性。 流体－－只能承受压应力，不能承受拉力和剪力，否则就会变形流动，即流体具有流动性。 2、液体与气体的主要差别在于受压后的表现上的差异。
液体：受压后体积变化很小，常称不可压缩流体；液体的形状随容器的形状而变，但其体积不变。 气体：受压后体积变化很大，常称可压缩流体；气体的形状和体积都随容器而变。 注：气体的体积变化小于原体积的20%时，可近似看作不可压缩流体。 1.1.1流体的密度 1、流体密度的定义及计算 定义：单位体积流体的质量，以ρ表示，单位为kg／m3 （1）均质流体： 标态（2）混合流体： 混合气体： 混合液体： 2、流体的密度与温度、压力的关系 （1）液体：工程上，液体的密度看作与温度、压力无关。 （2）气体：与温度和压力有关。
理想气体： 或 工业窑炉：P=P0 分析：t↑ρ↓；t↓ρ↑ 1.1.2流体的连续性 流体的连续性：流体看成是由大量的一个一个的连续近质点组成的连续的介质，每个质点是一个含有大量分子的集团，质点之间没有空隙。质点尺寸：大于分子平均自由程的100倍。 连续性假设带来的方便： (1）它使我们不考虑复杂的微观分子运动，只考虑在外力作用下的宏观机械运动。 (2)能运用数学分析的连续函数工具。 【例题】已知烟气的体积组成百分组成为：H2O12%，CO218%，N270%，求此烟气标态在及200℃的密度。