一種滲流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種滲流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的測量方法，其屬于自然科學(xué)基礎(chǔ)理論、滲流學(xué)研 究領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 滲流力學(xué)體系最初產(chǎn)生于19世紀(jì)50年代。1856年，法國工程師達(dá)西公布了他的著 名實(shí)驗(yàn)與定律:水通過均勻砂層滲流的線性定律一一達(dá)西定律，滲流理論從此開始產(chǎn)生與 發(fā)展。經(jīng)典滲流學(xué)階段初期，主要基于地下水開發(fā)、水利和水力工程建設(shè)的需要，滲流力學(xué) 開始發(fā)展。從20世紀(jì)20年代起，又在石油，天然氣開發(fā)工業(yè)中得到應(yīng)用。在運(yùn)個(gè)階段，滲流力 學(xué)考慮的因素比較簡單：均質(zhì)的孔隙介質(zhì)，單相的牛頓流體、等溫的滲流過程，而不考慮流 體運(yùn)動(dòng)中的復(fù)雜的物理過程和化學(xué)反應(yīng)。運(yùn)種簡單條件下的滲流問題的數(shù)學(xué)模型是拉普拉 斯方程，傅里葉熱傳導(dǎo)方程和二階非線性拋物型方程。運(yùn)個(gè)階段的研究方法主要是數(shù)學(xué)物 理方法和比較簡單的模擬實(shí)驗(yàn)方法?，F(xiàn)代滲流力學(xué)階段從20世紀(jì)30年代起，由于低于飽和 壓力開發(fā)油田、天然水力驅(qū)動(dòng)、人工注水開發(fā)油田W及農(nóng)田水利等工程技術(shù)的需要，逐步發(fā) 展了多相滲流理論，開始了滲流學(xué)理論發(fā)展的新階段。20世紀(jì)60年代W后，滲流力學(xué)發(fā)展迅 速。由于研究內(nèi)容和考慮因素方面的發(fā)展，滲流理論不斷深化，大體沿著五個(gè)方向進(jìn)行:① 考慮多孔介質(zhì)的性質(zhì)和特點(diǎn)，發(fā)展非均質(zhì)介質(zhì)滲流、多重介質(zhì)(裂縫一孔隙一孔桐)滲流和 變形介質(zhì)滲流;②考慮流體的多相性，繼續(xù)發(fā)展多相滲流;③考慮流體的流變性影響，發(fā)展 非牛頓流體滲流;④考慮滲流的復(fù)雜物理過程和化學(xué)反應(yīng)，發(fā)展物理一化學(xué)滲流;⑤考慮滲 流過程的溫度條件發(fā)展非等溫滲流。隨著滲流學(xué)的應(yīng)用范圈日益廣泛，除地下滲流學(xué)外，還 研究工程裝置和工程材料中的滲流問題，逐步形成工程滲流力學(xué)。
[0003] 無論是經(jīng)典滲流學(xué)假說還是當(dāng)代滲流學(xué)體系，都存在著同樣致命的缺陷：對滲流 運(yùn)動(dòng)與其控制因素之間的關(guān)系規(guī)律認(rèn)識不足。控制滲流運(yùn)動(dòng)的主要因素有兩個(gè):驅(qū)使?jié)B流 運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)作用是控制滲流運(yùn)動(dòng)的主導(dǎo)因素，滲流運(yùn)行環(huán)境的特性是控制滲流運(yùn)動(dòng)的制約 因素。經(jīng)典滲流力學(xué)和當(dāng)代滲流力學(xué)體系都沒有真正搞清楚運(yùn)一點(diǎn)。所W，在當(dāng)代滲流力學(xué) 體系中找不到能夠正確描述滲流規(guī)律的理論公式。
[0004] 事實(shí)上，當(dāng)代滲流力學(xué)的最基本理論還是達(dá)西定律。其認(rèn)識問題、解決問題的思維 方式與方法始終保持著達(dá)西定律的思維方式與方法的特色。達(dá)西定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式是
[0006] 式中，q表示通過砂層的滲流流量，量綱為cmVs; K表示意識中的砂層滲透率，量綱 為皿2; S表示滲濾橫截面積，量綱為cm2; A H=H-h表示水位差；Apr表示兩滲流截面間的折 算壓力差，物理大氣壓(工程大氣壓）；y表示液體粘度，量綱為m化? s;AL表示兩滲流截面 間的距離，量綱為cm.
[0007] 達(dá)西定律并不是根據(jù)自然規(guī)律推導(dǎo)出來的，而是建立在一種引入?yún)?shù)的力學(xué)方法 基礎(chǔ)上的、具有假設(shè)性質(zhì)的定量關(guān)系理論，與客觀規(guī)律存在較大距離。因此，在達(dá)西定律產(chǎn) 生W后，人們很快就發(fā)現(xiàn)了達(dá)西定律存在的問題，并進(jìn)行了修正。著名的卡佳霍夫公式
就是修正達(dá)西定律的研究產(chǎn)物。卡佳霍夫認(rèn)為：當(dāng)Re含（0.2~0.3)時(shí)，滲流服 從達(dá)西定律。當(dāng)Re>(0.2~0.3)時(shí)，達(dá)西定律失效，出現(xiàn)非線性滲流。I?e是雷諾數(shù)，其臨界值 為0.2~0.3 ; U是滲流速度；量綱為cm/s ;K是達(dá)西系數(shù)，其量綱是Mi2 表示粘度，量綱為 mPa ? s;P表示流體密度，量綱為g/cm;E表示孔隙度。
[000引描述非線性滲流的力學(xué)關(guān)系式有指數(shù)式:q = C( Ap)n和二項(xiàng)式：Ap = aQ+bQ2.運(yùn)兩 個(gè)式子與新理論關(guān)于作用對立統(tǒng)一理論推導(dǎo)出來的、關(guān)于滲流量與驅(qū)動(dòng)力(壓力）之間的關(guān) 系式：
[0010]和滯流量與壓力之間的關(guān)系式：
[0012] 也不一致。為此，筆者通過反復(fù)研究與實(shí)驗(yàn)證明：修正達(dá)西定律的指數(shù)式和二項(xiàng)式 也都不是根據(jù)自然發(fā)展演化規(guī)律的基本理論推導(dǎo)出來的，也是建立在實(shí)驗(yàn)與力學(xué)關(guān)于參數(shù) 引入法基礎(chǔ)上的函數(shù)式，并沒有從根本上解決達(dá)西定律的不科學(xué)性問題，給出來的也是與 客觀不一致的公式。
[0013] 出現(xiàn)運(yùn)種問題，深究其原因，并不在于過去的研究者本身，而是在于基礎(chǔ)理論發(fā)展 方面的滯后。長期W來，人類對最基本的自然規(guī)律研究比較少?？蒞說，自牛頓力學(xué)產(chǎn)生后 的300多年來，世界上很少有人去探索自然發(fā)展演化與其控制因素之間的最基本關(guān)系規(guī)律。 因此，長期W來，對基本作用規(guī)律的認(rèn)識一直停留在牛頓時(shí)代的水平上。直到20世紀(jì)80年代 W后，在中國才有人花費(fèi)大力氣探索自然發(fā)展演化與其控制因素之間的最基本關(guān)系規(guī)律， 進(jìn)而建立了作用學(xué)理論體系。
[0014] 作用學(xué)給出了探索自然規(guī)律、評價(jià)理論公式、定律或原理科學(xué)性的基本理論、方程 和方法，使人們有了確定解決具體科學(xué)問題、判別理論科學(xué)性、修正科學(xué)錯(cuò)誤的正確方法， 為新時(shí)代的科學(xué)發(fā)展帶來了新的生機(jī)。根據(jù)作用學(xué)，滲流規(guī)律研究的眼光不再限于局部滲 流運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象了，而是著眼于滲流運(yùn)動(dòng)所遵守的作用與變化統(tǒng)一關(guān)系規(guī)律，從包圍滲流現(xiàn)象 的自然統(tǒng)一規(guī)律角度來認(rèn)識滲流規(guī)律，從自然統(tǒng)一規(guī)律中找出了研究滲流規(guī)律的方法，完 成滲流理論研究歷史上的突破任務(wù)。
[0015] 作用學(xué)描述自然發(fā)展演化最基本規(guī)律的方程組是
[0017]式中，A表示主動(dòng)作用量、F表示作用力、t表示作用時(shí)間、E為虛度、T為實(shí)度、Af表示 虛作用量、At表示實(shí)作用量。新滲流學(xué)理論與公式和滲流規(guī)律的測量方法主要是根據(jù)運(yùn)個(gè) 方程組推導(dǎo)建立的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018] 本發(fā)明提供一種滲流規(guī)律測量的宏觀方法和微觀方法。
[0019] 1、滲流運(yùn)動(dòng)規(guī)律測量的宏觀方法
[0020] 著眼于滲流體系整體、宏觀測量滲流運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象中各種物理量之間的統(tǒng)一規(guī)律稱為 滲流運(yùn)行規(guī)律研究的宏觀審視法。測量并描述滲流體系在宏觀上、整體上的統(tǒng)一與對立統(tǒng) 一規(guī)律的方法叫滲流運(yùn)動(dòng)規(guī)律測量的宏觀方法。
[0021 ]下面通過一個(gè)簡單的實(shí)例來說明運(yùn)種滲流規(guī)律測量的宏觀方法如下：
[0022] 第一步，如圖1所示，單相滲流體系中的滲流液體是水，測量滲流量與其它量之間 的定量統(tǒng)一關(guān)系規(guī)律。
[0023] 解:根據(jù)作用對立統(tǒng)一規(guī)律方程組
[0025]首先確定控制體系內(nèi)流體運(yùn)行的作用量：
[0027] 式中，
等于滲流量Q自身的動(dòng)量，等于Q對S斷面產(chǎn)生的沖擊作用量； J = I戶(怒城等于重力對滲流量Q產(chǎn)生的作用量，也是斷面S受作用的一個(gè)動(dòng)力來源； Ji) ^二/成.(y/ - 流等于滯流水體對斷面S產(chǎn)生的作用量。
[0028] 同時(shí)，確定斷面S接受的虛作用量：
[0029] 虛作用量等于通過斷面S上孔隙運(yùn)行、沒有對S斷面形成沖擊作用的水流動(dòng)量，即
[0031] 根據(jù)方程組中的Af = EA式，虛作用量還等于斷面S上的孔隙度E與作用量之積，即
[0033] 同時(shí)還要確定斷面S接受的實(shí)作用量：
[0034] 實(shí)作用量等于滯流動(dòng)量，即
[003引 矣=[/'成' (片-/?)滬/Y ;
[0036]根據(jù)該方程組中的At=TA式，實(shí)作用量與作用量之間的關(guān)系式是
[0038] 在實(shí)際問題解決中，確定W上運(yùn)種作用量是關(guān)鍵一步。
[0039] 第二步，根據(jù)對立統(tǒng)一規(guī)律方程組中的方程確定虛作用平衡關(guān)系式，即
[00川由此，得
[0043]同時(shí)，根據(jù)對立統(tǒng)一規(guī)律方程組中的方程確定實(shí)作用平衡方程，即
[004引由此，得
[0047]可見，供水流量被分成了滲流量和滯流量兩個(gè)部分，滯流量產(chǎn)生水頭高度。方程組
[0049] 叫做流體滲流運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)平衡方程組。
[0050] 第=步，研究滲流物質(zhì)運(yùn)行規(guī)律和滯行規(guī)律：
[0051 ]流體在運(yùn)行中被自然分成兩個(gè)部分:一部分運(yùn)行（穿過斷面向前運(yùn)動(dòng)），