一种渗流运动规律的测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种渗流运动规律的测量方法，其属于自然科学基础理论、渗流学研 究领域。
【背景技术】
[0002] 渗流力学体系最初产生于19世纪50年代。1856年，法国工程师达西公布了他的著 名实验与定律:水通过均匀砂层渗流的线性定律一一达西定律，渗流理论从此开始产生与 发展。经典渗流学阶段初期，主要基于地下水开发、水利和水力工程建设的需要，渗流力学 开始发展。从20世纪20年代起，又在石油，天然气开发工业中得到应用。在运个阶段，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、等溫的渗流过程，而不考虑流 体运动中的复杂的物理过程和化学反应。运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。运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实验方法。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W及农田水利等工程技术的需要，逐步发 展了多相渗流理论，开始了渗流学理论发展的新阶段。20世纪60年代W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(裂缝一孔隙一孔桐)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，发展物理一化学渗流;⑤考虑渗 流过程的溫度条件发展非等溫渗流。随着渗流学的应用范圈日益广泛，除地下渗流学外，还 研究工程装置和工程材料中的渗流问题，逐步形成工程渗流力学。
[0003] 无论是经典渗流学假说还是当代渗流学体系，都存在着同样致命的缺陷：对渗流 运动与其控制因素之间的关系规律认识不足。控制渗流运动的主要因素有两个:驱使渗流 运动的驱动作用是控制渗流运动的主导因素，渗流运行环境的特性是控制渗流运动的制约 因素。经典渗流力学和当代渗流力学体系都没有真正搞清楚运一点。所W，在当代渗流力学 体系中找不到能够正确描述渗流规律的理论公式。
[0004] 事实上，当代渗流力学的最基本理论还是达西定律。其认识问题、解决问题的思维 方式与方法始终保持着达西定律的思维方式与方法的特色。达西定律的数学表达式是
[0006] 式中，q表示通过砂层的渗流流量，量纲为cmVs; K表示意识中的砂层渗透率，量纲 为皿2; S表示渗滤横截面积，量纲为cm2; A H=H-h表示水位差；Apr表示两渗流截面间的折 算压力差，物理大气压(工程大气压）；y表示液体粘度，量纲为m化? s;AL表示两渗流截面 间的距离，量纲为cm.
[0007] 达西定律并不是根据自然规律推导出来的，而是建立在一种引入参数的力学方法 基础上的、具有假设性质的定量关系理论，与客观规律存在较大距离。因此，在达西定律产 生W后，人们很快就发现了达西定律存在的问题，并进行了修正。著名的卡佳霍夫公式
就是修正达西定律的研究产物。卡佳霍夫认为：当Re含（0.2~0.3)时，渗流服 从达西定律。当Re>(0.2~0.3)时，达西定律失效，出现非线性渗流。I?e是雷诺数，其临界值 为0.2~0.3 ; U是渗流速度；量纲为cm/s ;K是达西系数，其量纲是Mi2 表示粘度，量纲为 mPa ? s;P表示流体密度，量纲为g/cm;E表示孔隙度。
[000引描述非线性渗流的力学关系式有指数式:q = C( Ap)n和二项式：Ap = aQ+bQ2.运两 个式子与新理论关于作用对立统一理论推导出来的、关于渗流量与驱动力(压力）之间的关 系式：
[0010]和滞流量与压力之间的关系式：
[0012] 也不一致。为此，笔者通过反复研究与实验证明：修正达西定律的指数式和二项式 也都不是根据自然发展演化规律的基本理论推导出来的，也是建立在实验与力学关于参数 引入法基础上的函数式，并没有从根本上解决达西定律的不科学性问题，给出来的也是与 客观不一致的公式。
[0013] 出现运种问题，深究其原因，并不在于过去的研究者本身，而是在于基础理论发展 方面的滞后。长期W来，人类对最基本的自然规律研究比较少。可W说，自牛顿力学产生后 的300多年来，世界上很少有人去探索自然发展演化与其控制因素之间的最基本关系规律。 因此，长期W来，对基本作用规律的认识一直停留在牛顿时代的水平上。直到20世纪80年代 W后，在中国才有人花费大力气探索自然发展演化与其控制因素之间的最基本关系规律， 进而建立了作用学理论体系。
[0014] 作用学给出了探索自然规律、评价理论公式、定律或原理科学性的基本理论、方程 和方法，使人们有了确定解决具体科学问题、判别理论科学性、修正科学错误的正确方法， 为新时代的科学发展带来了新的生机。根据作用学，渗流规律研究的眼光不再限于局部渗 流运动现象了，而是着眼于渗流运动所遵守的作用与变化统一关系规律，从包围渗流现象 的自然统一规律角度来认识渗流规律，从自然统一规律中找出了研究渗流规律的方法，完 成渗流理论研究历史上的突破任务。
[0015] 作用学描述自然发展演化最基本规律的方程组是
[0017]式中，A表示主动作用量、F表示作用力、t表示作用时间、E为虚度、T为实度、Af表示 虚作用量、At表示实作用量。新渗流学理论与公式和渗流规律的测量方法主要是根据运个 方程组推导建立的。
【发明内容】
[0018] 本发明提供一种渗流规律测量的宏观方法和微观方法。
[0019] 1、渗流运动规律测量的宏观方法
[0020] 着眼于渗流体系整体、宏观测量渗流运动现象中各种物理量之间的统一规律称为 渗流运行规律研究的宏观审视法。测量并描述渗流体系在宏观上、整体上的统一与对立统 一规律的方法叫渗流运动规律测量的宏观方法。
[0021 ]下面通过一个简单的实例来说明运种渗流规律测量的宏观方法如下：
[0022] 第一步，如图1所示，单相渗流体系中的渗流液体是水，测量渗流量与其它量之间 的定量统一关系规律。
[0023] 解:根据作用对立统一规律方程组
[0025]首先确定控制体系内流体运行的作用量：
[0027] 式中，
等于渗流量Q自身的动量，等于Q对S断面产生的冲击作用量； J = I戶(怒城等于重力对渗流量Q产生的作用量，也是断面S受作用的一个动力来源； Ji) ^二/成.(y/ - 流等于滞流水体对断面S产生的作用量。
[0028] 同时，确定断面S接受的虚作用量：
[0029] 虚作用量等于通过断面S上孔隙运行、没有对S断面形成冲击作用的水流动量，即
[0031] 根据方程组中的Af = EA式，虚作用量还等于断面S上的孔隙度E与作用量之积，即
[0033] 同时还要确定断面S接受的实作用量：
[0034] 实作用量等于滞流动量，即
[003引 矣=[/'成' (片-/?)沪/Y ;
[0036]根据该方程组中的At=TA式，实作用量与作用量之间的关系式是
[0038] 在实际问题解决中，确定W上运种作用量是关键一步。
[0039] 第二步，根据对立统一规律方程组中的方程确定虚作用平衡关系式，即
[00川由此，得
[0043]同时，根据对立统一规律方程组中的方程确定实作用平衡方程，即
[004引由此，得
[0047]可见，供水流量被分成了渗流量和滞流量两个部分，滞流量产生水头高度。方程组
[0049] 叫做流体渗流运动动态平衡方程组。
[0050] 第=步，研究渗流物质运行规律和滞行规律：
[0051 ]流体在运行中被自然分成两个部分:一部分运行（穿过断面向前运动），