工程科学学报，第44卷，第X期 are introduced.The study provides certain guiding significance for unconventional oil and gas development processes,revealing the meso-causes affecting flow,clarifying the production mechanism under different conditions,and promoting further development of the discipline of seepage mechanics. KEY WORDS porous media;mesoscopic flow;interface effect;micro force;pore network model 多孔介质广泛存在于地下岩石、生物仿生和 来多孔介质内细观流体的流动机制的完善和工程 工程材料中，但由于多孔介质内孔隙微小、复杂且 实际应用提供一定的理论指导 其中流体（液体和气体等）的流动理论尚不完善， 1 多孔介质细观流动研究的历史回顾 使得大量多孔介质内流体的流动问题亟需解决， 如页岩油气开发、土壤渗流、人体毛细管网络和碳 多孔介质中细观尺度流动所基于的影响因素 纳米管(Carbon nanotube,CNT)等.目前研究人员 与宏观流动不同，主要差别表现在非线性渗流、连 大都将多孔介质内流体的流动尺度划分为细观尺 续介质假设条件、微尺度效应和表界面微观力，由 度（特征长度=10nm~1mm)和宏观尺度（心1mm) 于不同研究者在研究条件和实验方法等选取上的 两种l-.随着微电子机械系统(Micro electro 不同，其结果也各有差异2关于细观尺度的流 mechanical system,MEMS)、3D模型打印技术、原 动问题早在20世纪70年代的“芯片式制冷器”] 子力显微镜(Atomic force microscope,.AFM)、表面 和“色谱仪”的工作中就引起了部分研究者们的 力仪(Surface force apparatus,.SFA)、显微离子测速 关注，他们起先研究的是关于气体在微管道内的 (Micro/Nano particle image velocimetry,Micro/ 流动吼：80年代后，一些学者对微尺度下的液体流 Nano PIV)、岩心重构和孔隙网络仿真模拟等技术 动问题也有所关注，但由于液一液/液-固间微观力 的诞生和不断进步，多孔介质中流体的流动理论 作用的存在，使其力学特性更加复杂6,90年代 在近些年来已经得到了相当的发展，尤其是对细 “微流控芯片”技术的被应用于微流动的实验和模 观尺度下的多孔介质内流动理论及其相互之间耦 拟，以研究微观尺度下界面作用对流体运动规律 合作用的研究现已成为石油工程、地质学、地下 的影响718剧：随着21世纪后“纳米技术”的飞速发 水水文学和生物渗流等领域研究者所关注的重要 展，针对多孔介质中微流动的研究更加火热，如各 课题 种微观力对多孔介质中微流动的影响叨、利用分 石油工程领域对多孔介质内流体流动理论的 子动力学(Molecular dynamics,,MD)手段研究微流 研究主要是针对宏观尺度下的流动，其基本假设 动过程中的界面现象Po、格子玻尔兹曼(Lattice 条件是连续介质场1但随着“美国页岩气革命” Boltzmann method,LBM)和多孔介质网络模型的 的成功，石油开发过程中多孔介质中流动特征尺 重构模拟多孔介质中的流动问题等2-2) 寸不断减小，由宏观(Macro scale)逐步转向细观 1.1理论分析 (Meso scale),特别是纳微米孔隙（如超低渗、页岩/ 流体流动的理论描述，需要明确正确可解的 致密油气储层多孔介质等)-】因此，随着大家对细 连续方程、动量方程和边界条件2.1856年达西 观尺度的多孔介质越来越感兴趣，关于细观流体 定律(Darcy law)的提出为多孔介质中流体流动问 力学的发展将面临很多全新的挑战，比如如何修 题的理论研究奠定了基础，如在石油工程中达西 正宏观动力学方程和边界条件以适应细观流动问 定律是油气在岩石孔隙中流动的基本场方程25-2刃. 题的研究，在细观尺度下如何解释多孔介质内流 2002年Civan2利用努森数(Knudsen number,Kn) 体流动机制，以及如何构建考虑微观力作用的孔 的范围，将气体流动分为连续流、滑移流、过渡流 隙网络模型等，这些问题都需要进一步去探索610 和自由分子流，横跨多个特征尺寸且有相应的流 本文致力于关注多孔介质细观流动理论的发展现 动基本方程，如图1所示四本部分主要介绍在修 状与应用前景，提出了当前多孔介质细观流动理 正细观尺度流动中的基本场方程和边界条件时所 论发展所面临的基本科学问题，综合分析了针对 考虑的关键因素，如多尺度效应、流体微可压缩 目前石油工程领域所面临的实际问题以及与之对 性、界面效应和微观力等 应的多孔介质中细观流动理论的研究进展，同时 多孔介质细观流动中的“尺度效应”十分明显， 介绍了本课题组研究的一些最新成果，以期为未 由宏观尺度(>1mm)到细观尺度(=1nm~1mm)are  introduced.  The  study  provides  certain  guiding  significance  for  unconventional  oil  and  gas  development  processes,  revealing  the meso-causes affecting flow, clarifying the production mechanism under different conditions, and promoting further development of the discipline of seepage mechanics. KEY WORDS    porous media；mesoscopic flow；interface effect；micro force；pore network model 多孔介质广泛存在于地下岩石、生物仿生和 工程材料中，但由于多孔介质内孔隙微小、复杂且 其中流体 (液体和气体等) 的流动理论尚不完善， 使得大量多孔介质内流体的流动问题亟需解决， 如页岩油气开发、土壤渗流、人体毛细管网络和碳 纳米管 (Carbon nanotube，CNT) 等. 目前研究人员 大都将多孔介质内流体的流动尺度划分为细观尺 度 (特征长度 l=10 nm～1 mm) 和宏观尺度 (l>1 mm) 两 种 [1−2] . 随 着 微 电 子 机 械 系 统 （ Micro  electro mechanical system，MEMS）、3D 模型打印技术、原 子力显微镜 (Atomic force microscope，AFM) 、表面 力仪 (Surface force apparatus，SFA)、显微离子测速 仪 (Micro/Nano  particle  image  velocimetry， Micro/ Nano PIV)、岩心重构和孔隙网络仿真模拟等技术 的诞生和不断进步，多孔介质中流体的流动理论 在近些年来已经得到了相当的发展，尤其是对细 观尺度下的多孔介质内流动理论及其相互之间耦 合作用的研究现已成为石油工程、地质学、地下 水水文学和生物渗流等领域研究者所关注的重要 课题[3−5] . 石油工程领域对多孔介质内流体流动理论的 研究主要是针对宏观尺度下的流动，其基本假设 条件是连续介质场[6] . 但随着“美国页岩气革命” 的成功，石油开发过程中多孔介质中流动特征尺 寸不断减小，由宏观（Macro scale）逐步转向细观 （Meso scale），特别是纳微米孔隙（如超低渗、页岩/ 致密油气储层多孔介质等）[7−8] . 因此，随着大家对细 观尺度的多孔介质越来越感兴趣，关于细观流体 力学的发展将面临很多全新的挑战，比如如何修 正宏观动力学方程和边界条件以适应细观流动问 题的研究，在细观尺度下如何解释多孔介质内流 体流动机制，以及如何构建考虑微观力作用的孔 隙网络模型等，这些问题都需要进一步去探索[6, 9−10] . 本文致力于关注多孔介质细观流动理论的发展现 状与应用前景，提出了当前多孔介质细观流动理 论发展所面临的基本科学问题，综合分析了针对 目前石油工程领域所面临的实际问题以及与之对 应的多孔介质中细观流动理论的研究进展，同时 介绍了本课题组研究的一些最新成果，以期为未 来多孔介质内细观流体的流动机制的完善和工程 实际应用提供一定的理论指导. 1    多孔介质细观流动研究的历史回顾 多孔介质中细观尺度流动所基于的影响因素 与宏观流动不同，主要差别表现在非线性渗流、连 续介质假设条件、微尺度效应和表界面微观力，由 于不同研究者在研究条件和实验方法等选取上的 不同，其结果也各有差异[11−12] . 关于细观尺度的流 动问题早在 20 世纪 70 年代的“芯片式制冷器” [13] 和“色谱仪” [14] 的工作中就引起了部分研究者们的 关注，他们起先研究的是关于气体在微管道内的 流动[15] ；80 年代后，一些学者对微尺度下的液体流 动问题也有所关注，但由于液−液/液−固间微观力 作用的存在，使其力学特性更加复杂[16] ；90 年代 “微流控芯片”技术的被应用于微流动的实验和模 拟，以研究微观尺度下界面作用对流体运动规律 的影响[17−18] ；随着 21 世纪后“纳米技术”的飞速发 展，针对多孔介质中微流动的研究更加火热，如各 种微观力对多孔介质中微流动的影响[19]、利用分 子动力学（Molecular dynamics，MD）手段研究微流 动过程中的界面现象[20]、格子玻尔兹曼（Lattice Boltzmann method，LBM） [5] 和多孔介质网络模型的 重构模拟多孔介质中的流动问题等[9, 21−23] . 1.1    理论分析 流体流动的理论描述，需要明确正确可解的 连续方程、动量方程和边界条件[24] . 1856 年达西 定律（Darcy law）的提出为多孔介质中流体流动问 题的理论研究奠定了基础，如在石油工程中达西 定律是油气在岩石孔隙中流动的基本场方程[25−27] . 2002 年 Civan[28] 利用努森数（Knudsen number，Kn） 的范围，将气体流动分为连续流、滑移流、过渡流 和自由分子流，横跨多个特征尺寸且有相应的流 动基本方程，如图 1 所示[29] . 本部分主要介绍在修 正细观尺度流动中的基本场方程和边界条件时所 考虑的关键因素，如多尺度效应、流体微可压缩 性、界面效应和微观力等. 多孔介质细观流动中的“尺度效应”十分明显， 由宏观尺度（l>1 mm）到细观尺度（l=1 nm～1 mm） · 2 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期