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大地热流 等地热学重要术语的概念与应用何丽娟㊀汪集旸(中国科学院地质与地球物理研究所,北京㊀100029;中国科学院地球科学研究院,北京㊀100029;中国科学院大学,北京㊀100049)摘㊀要:大地热流是地热学乃至地球物理学中的重要术语,在地球科学中的使用频率很高㊂与之近似的术语包括热流㊁热流密度㊁热通量㊁地表热流等㊂文章详细介绍了大地热流的定义㊁目前使用过程中存在的问题,以及在第二届地球物理学名词审定委员会对‘地球物理学名词“修订过程中对相关术语定义所做的思考与取舍㊂关键词:热流;热流密度;热通量中图分类号:N04;P314㊀㊀文献标识码:A㊀㊀DOI :10.12339/j.issn.1673-8578.2021.03.001Concept and Application of Some Important Terms in Geothermics and Geophysics Such as TerrestrialHeat Flow //HE Lijuan,WANG JiyangAbstract :Terrestrial heat flow is an important term in Geothermics and Geophysics,which is frequently used in the Geo-periodicals.The synonyms include heat flow,heat flow density,heat flux and surface heat flow.This paper introduces in detail the definition of the terrestrial heat flow,the corresponding problems in its application,as well as the considerations and choices during the defining of the related terms in the second revision of Geophysical Terms .Keywords :heat flow;heat flow density;heat flux收稿日期:2021-03-24基金项目:国家自然科学基金项目 热岩石圈-流变边界层-软流圈相互作用与克拉通稳定性:数值模拟研究 (42074095);国家自然科学基金项目 四川盆地构造-热演化及其对震旦-寒武系天然气成藏的约束 (41830424)引言地热学(geothermics)是地球物理学中研究地球内热及其应用的分支学科,而大地热流(terres-trial heat flow)是地热学科最重要的术语之一㊂大地热流是 窥视 地球内热的窗口,反映了发生在地球深部的各种作用过程和能量平衡的信息㊂它不仅为岩石圈热结构-热演化㊁地球热收支㊁克拉通稳定性㊁板块俯冲等地球动力学基础研究提供关键约束,同时还为传统的盆地油气生成㊁运移与聚集研究以及新兴的天然气水合物研究等提供重要热参数㊂全球大地热流的测量工作始于20世纪30年代末㊂早期工作进展较为缓慢,50年代期间,全球热流数据不足100个㊂20世纪60年代以来,随着全球板块构造理论的兴起和测量方法及仪器的改进,大地热流测量工作进展迅速,数据积累加快㊂1963年在国际地震与地球内部物理协会(Interna-tional Association of Seismology and Physics of theEarth s Interior,IASPEI)下面成立了 国际热流委员会 (International Heat Flow Commission,IHFC),负责全球大地热流数据的汇编与研究工作㊂最新全球大地热流汇编数据已达70000个[1]㊂随着全球热流数据的增加,大地热流在地球科学领域正发挥着越来越重要的作用㊂第二届地球物理学名词审定委员会修订‘地球物理学名词“时,与热流(heat flow)一词相关的术语超过20个㊂大地热流这一术语的使用历史很长,在使用过程中出现了不少问题,在国际刊物上关于这个词的定义和使用也不尽一致,而且有许多派生的词汇㊂本文重点介绍大地热流一词的定义㊁目前存在的问题,同时介绍地热学中与热流相关的一些重要术语及其逻辑关系㊂1㊀大地热流的定义在已出版的地球物理学书籍中,关于大地热流或热流的定义不尽相同㊂在第一版‘中国大百科全书“中关于大地热流的定义是, 指地球内部热能传输至地表的一种现象,简称热流㊂大地热流的量值称大地热流量,它是地热场最重要的表征 [2]㊂在第二版‘中国大百科全书“中,大地热流的定义是 地热在地表直接的显示,能给出发生于地球内部深处各种过程间能量平衡的信息 [3]㊂而‘地球科学大辞典“中收录的术语是大地热流密度,指的是 单位时间内热量由壳幔深部垂向上通过单位面积地球表面向大气散发的热量,简称为热流,其单位为mW/m2,实质为地球表面的散热功率,具有深刻的深部地质和地球物理内涵 [4]㊂‘地热学及其应用“一书中,大地热流定义为 地球表面单位时间内单位面积上由地球内部以传导方式传至地表而后散发到宇宙太空中去的热量 [5]㊂‘地热学导论“采用的术语是热流密度(heat flow density),即 单位时间内流过单位面积的能量流 [6]㊂Mor-gen[7]在2011年Gupta主编的‘地球物理百科全书“ 热流,大陆 一章中,将热流㊁热流密度㊁热通量(heat flux)和大地热流视为同义词㊂其中,热流定义为 从地球内部通过地球固体表面传导出去的热能 ㊂同时给出的大陆热流(continental heat flow)的定义是 来自大陆地壳或岩石圈的热流,这些地区的板块不是通过大洋中脊的海底扩张直接形成的,且通常不被俯冲㊂ 然而,Davis和Fisher[8]在该百科全书的 热流,海底:方法与观测 一章中指出,热流密度和热通量才是同义词,而传统上将热流视为热通量的同义词是不准确的㊂他们将热流定义为 通过传导或对流方式在介质中传递的热能速率㊂标准单位为W㊂这个术语也用来描述地球物理学的一个分支学科 ㊂同时还给出传导热通量(conductive heat flux)的定义是 单位面积内沿地热梯度传导的热流,由地热梯度和热导率的乘积确定,标准单位为W/m2 ;对流热通量(convective heat flux)的定义是 单位面积内通过介质移动造成的热传递速率,与介质的速度和热容量成正比,标准单位为W/m2 ㊂在第二版‘地球物理名词“[9]中,大地热流定义为 以传导或对流方式由地球内部㊁经地球的固体表面向外传送热能的现象,或单位时间内以传导或对流方式由地球内部㊁经地球的固体表面向外传送的热能,标准单位是W ㊂大地热流密度定义为 通过单位面积的大地热流,标准单位是W/m2 ㊂由于从早期到现在国际文献中(terrestrial)heat flow density[10-13]与(terrestrial)heat flow[1,14-20]以及heat flux[21-26]一直作为同义词使用,考虑到地球物理学上约定俗成的使用习惯,故在第二版‘地球物理名词“的定义中又将大地热流视为大地热流密度的简称㊂大地热流包括大陆热流和海洋热流(o-ceanic heat flow,marine heat flow),海洋热流也称海底热流(seafloor heat flow)㊂最新的全球热流数据库(New Global Heat Flow)收录大地热流数据约70000个,其中大陆热流数据51621个,海洋热流15333个[1]㊂在早期的文献中热流的单位是热流单位(heat flow unit,HFU)或热流密度单位㊂定义为:1HFU= 10mCal/cm2㊃s,它与国际单位制(S.I.)的单位换算关系为:1HFU=41.868mW/m2㊂该热流单位目前已不再使用㊂尽管大地热流的标准单位是W/m2,但考虑到地球实测数据的数量级,实际常用单位为mW/m2,比如目前全球大陆热流平均值为67mW/m2[1]㊂2㊀关于大地热流的含义在地球浅部传热过程中传导和对流经常交织在一起㊂关于大地热流含义的争议多在于其只包含传导热流还是同时包含传导热流和对流热流㊂热传导(heat conduction,thermal conduction)是指由于物质分子㊁原子或电子的运动,热量从物体内高温处向低温处,或者热量从高温物体向低温物体传递的过程㊂而热对流(thermal convection)指的是热量通过流动介质由空间的一处传播到另一处的现象㊂关于大地热流的定义目前国际上并未达成共识,因而分为两派㊂一派多为研究大陆热流的学者,强调大地热流的传热方式应该是纯传导[7,27]㊂另一派多为研究海洋热流的学者,则认为大地热流的传热方式既包含传导也包含介质运动[8,20],或者在大地热流定义中不区分传热方式[1]㊂考虑到大地热流同时包括大陆热流与海洋热流,故在第二版‘地球物理名词“中关于大地热流的定义与Davis和Fisher[8]一致,即认为大地热流为单位时间内以传导或对流方式由地球内部㊁经地球的固体表面向外传送的热能㊂这样定义主要是考虑到以下三方面㊂2.1㊀水热活动的影响相对于从几百米至几千米深钻孔获取的大陆热流,海洋热流更容易受到水热循环的影响㊂海洋热流数据主要由两种途径获得:一种是类似大陆热流通过钻孔测温来获得,也为钻孔热流,另一种是通过几米长的海底地热探针测量来得到,也称为探针热流(probe heat flow)㊂最新全球热流数据库中海洋热流变化范围是-302~33448mW/m2[1],这些极端的高或低热流数据无疑含有对流分量㊂Lister[28]首先指出大洋岩石圈广泛存在热液活动; Harris和McNutt[29]研究了<65Ma的海洋地壳上的全球海洋热流数据,再次证明热液流动传输热量的普遍性;Davis和Fisher[8]指出在大洋中脊附近,浅层地壳中有巨大的开放裂缝,许多热量是通过热液的运动输送的㊂大洋中脊热通量中的对流分量是造成大洋板块(传导)冷却模型的理论预测热流值与实际观测值差异的重要原因[30],一些实测热流值相比预测传导热流甚至超过2000mW/m2[17]㊂要想确保观测值不受对流通量引起的偏差的影响,必须证明在几十千米的距离内,没有暴露的渗透性岩石㊁断层或火山构造[8]㊂热液循环是影响深部热通量测定的主要因素,是一个重要的地质过程,一直是研究焦点㊂2.2㊀其他方式的物质运动除了地下水活动,其他方式的物质运动也会对大地热流造成扰动,使其含有对流分量,比如沉积/剥蚀作用㊁岩石圈变形以及岩浆热对流㊂沉积或剥蚀所造成的地表高程变化会产生与地球表面变化有关的热对流㊂当较冷的低热导率物质持续地以较快速率堆积在高热导率地层或者基底上会产生沉积物热披覆作用,导致地温梯度和热流值降低㊂相反,剥蚀作用将使地层地温梯度和热流值增大㊂沉积作用的热披覆程度不仅与沉积速率㊁沉积持续时间密切相关,而且与沉积物热参数以及沉积物质压实参数㊁孔隙流体活动等有关[31]㊂当沉积速率为100m/myr,持续10myr的沉积会造成地表热流减少10%;而当沉积速率为10m/myr,持续100myr的沉积仅造成地表热流减少几个百分点[20]㊂当岩石圈内存在相对于其顶部边界的变形或净垂直运动时,也会通过运动方式传递热量从而导致地表热流的对流分量㊂一般而言,拉张变形导致岩石圈变薄,岩石圈物质相对于其表面有一净向上运动,岩石圈等温线压缩,地表热流增加[32]㊂相反,挤压变形导致岩石圈增厚,岩石圈内物质相对于其表面有一净向下运动,岩石圈等温线间距加大,地表热流降低㊂因此,在岩石圈变形过程中,地表热流会包含岩石圈变形造成的对流分量㊂岩浆热对流也是一种重要的热传输机制,通常伴随着构造变形的热对流㊂在火山作用过程中,上升的岩浆将热量平流到岩石圈中,此时岩浆的传热过程类似于地下水的传热过程㊂如果地壳内部有岩浆在流动,热异常无疑会传到浅部乃至地表,大地热流会受到岩浆流动(热对流)的扰动㊂如果采用该大地热流数据基于热传导方程计算岩石圈热结构及热岩石圈厚度时,无疑是有问题的㊂2.3㊀大地热流数据的分类由于测试条件㊁测试方法以及区域地质条件的不同,热流数据的质量必然有所差异㊂综合地温测量㊁岩石样品热导率测试㊁热流计算段的选取和测点的地质背景等情况,汪集旸㊁黄少鹏[33]将收集的热流数据区分为A㊁B㊁C㊁D四个质量类别㊂其中A 代表质量高,指地温曲线属稳态热传导型,岩石热导率数据或来自测温段岩心样品测试结果,或通过测区综合热物性柱状图确定㊂B代表质量较高,指资料情况基本同上,但或是测温段(或热流计算段)长度较小,或是岩石热导率样品数量不足,岩石热导率数据采用邻区测试结果或文献值㊂C代表质量较差或质量不明,测量结果不确定性较大或热流测试参数报道不齐,无法判定其真实质量类别㊂D代表局部异常值,测试结果明显存在浅层或局部因素的干扰,或测点位于明显地热异常区㊂也就是说,那些明显受到浅层因素(如地下水流动)干扰的实测值仍是被称为大地热流,在历次热流汇编中,都被纳入大地热流数据库中[33-35],只是数据质量被归于D类㊂在中国大陆地区大地热流数据第四版汇编[35]中,大地热流数据共计1230个,其中A㊁B㊁C和D类数据分别占49.3%㊁34.2%㊁12.6%和3.9%㊂含对流成分的热流数据被归于D类并收录到大地热流数据库中,这也暗示着承认了含对流成分的热流数据也属于大地热流㊂Pollack等[36]在全球热流数据Global Heat Flow dataset(GLOBHEAT)汇编时根据热流随深度的变化将热流数据质量分为四类,其中A表示热流随深度的变化小于10%,B和C分别表示变化小于20%和30%,D则表示变化大于30%㊂在最新的全球热流数据汇编中D类数据约占6.7%[1]㊂并不是受干扰的热流测量结果就不能用,含对流成分的大地热流也有其应用价值㊂D类数据对于研究该地区的新构造活动㊁水文地质条件以及热异常成因等仍然具有重要的参考价值㊂但若要基于大地热流数据计算深部热状态㊁岩石圈热结构及热岩石圈厚度,就必须慎重选择,选取只包含传导热流的大地热流,必要时应对热流数据进行热流校正(heat flow correction)㊂热流校正的内容包括地形起伏㊁古气候的变化㊁抬升剥蚀㊁沉降与沉积作用等㊂3㊀热流相关术语在地球物理学名词中,与热流相关的术语很多㊂在地球不同深度,热流各有命名,如地表热流㊁基底热流㊁地幔热流等,皆指某一深度的热流值㊂其中,地表热流(surface heat flow)指在近地表数百米至数千米深处测定的热流密度,又称大地热流;基底热流(basement heat flow)指盆地基底的热流值;地幔热流(mantle heat flow)则指由地球深部垂直向上传至岩石层上地幔顶部(壳幔边界处的莫霍面)的热流(如图1所示)㊂图1㊀地球不同深度热流的定义与地幔热流命名类似的还有地壳热流,但地壳热流却没有深度的含义㊂地壳热流(crustal heat flow)指的是由地壳内各类岩石所含放射性元素的衰变产生的热流㊂与岩石的生热率(heat genera-tion rate,heat production rate)有关㊂生热率是指单位体积的岩石在单位时间内由于其所含的放射性元素衰变而产生的热量,单位为W/m3或μW/m3㊂在稳态热传导的情况下,大地热流(Q0)等于地壳热流(Q crust)加上地幔热流(Q m),即Q0=Q crust +Q m㊂岩石圈热结构(lithospheric thermal struc-ture)指的就是关于一个地区地壳㊁地幔两部分热流的配分比例及其组构关系,以及岩石层内部温度场分布㊂也称壳幔热流配分(partition of crustal and mantle heat flow),即为界定热流测区所在地质块体的深部热属性将地表热流分解为地壳热流分量和地幔热流分量两部分的做法㊂因此地幔热流又称剩余热流(reduced heat flow),即从地表观测到的热流总量中扣除地壳生热(地壳热流)部分所剩的热流㊂当地壳热流小于地幔热流时,该岩石层热结构属于冷壳热幔,反之,称为热壳冷幔(如图2所示)㊂(a)冷壳热幔㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(b)热壳冷幔图2㊀壳幔热流配分例如,华北东部岩石圈属于冷壳热幔,而藏南则具典型的 热壳冷幔 热结构㊂值得指出的是,该定义是指同一地区地壳热流与地幔热流之间的相对值,并不涉及二者及地表热流本身的大小,也就是说并未考虑其绝对值的大小㊂有时也会将大地热流分解为三个分量:Q0= Q crust+Q lith+Q b,其中Q crust和Q lith分别代表地壳和岩石圈地幔中放射性生热的贡献,Q b是岩石圈底部的热通量[37]㊂其他与热流相关的术语还有:热流省(heat flow province),指具有相同或相近地质-地球化学演化背景,且地表热流与近地表岩石生热率之间存在着线性关系的地质单元;热流亚省(heat flow subprov-ince),即次级 热流省 ;热流佯谬(heat flow para-dox),又称圣安德烈斯佯谬(San Andres paradox),指当断层滑动时摩擦生热应产生大量的热从而导致热流异常,但在圣安德烈斯断层所做的热流测量并没有观测到高热流异常这一实际观测与理论推测之间存在的矛盾㊂4㊀结语大地热流作为地球物理学中的重要术语其定义与使用目前较为混乱,本文详细介绍了大地热流的定义和目前存在的争议,以及第二版‘地球物理名词“的修订中对该词定义过程中所做的思量与取舍㊂考虑到地球物理学科本身约定俗成的习惯,将大地热流㊁热流㊁热流密度和热通量视为同义词㊂关于大地热流的争议在于其传热方式是否包含对流传热㊂相对于从几百米至几千米深的钻孔获取的大陆热流,海洋热流更容易受到水热循环的影响㊂除了地下水活动,其他构造运动也会对大地热流造成扰动,使其含有对流分量,如沉积/剥蚀作用㊁岩石圈变形以及岩浆热对流㊂在历次全球或全国热流数据汇编中,含对流成分的热流数据均被收录,这也暗示着承认了含对流成分的热流数据也属于大地热流㊂然而获取大地热流的主要目的是探索地球深部的热信息,对深部动力学过程进行约束,因此测量热流时还是要竭力避免浅部因素的影响,必要时要对浅部影响因素进行校正㊂如果基于现有大地热流数据研究岩石圈热结构和深部热状态时,须对数据仔细筛选,慎重选取传导热流数据㊂鉴于以往许多热流数据发表时,信息并不全面,严重影响读者对数据质量的判断,建议在今后的热流数据发表时要更加规范,不仅要详细列出位置(经纬度)㊁测温深度㊁温度曲线㊁地温梯度㊁热导率㊁生热率等信息,还要分析论证其数据质量,进行必要的热流校正㊂参考文献[1]LUCAZEAU F.Analysis and mapping of an updated ter-restrial heat flow data set[J].Geochemistry Geophysics Geosystems,2019,20:4001-4024.[2]‘中国大百科全书“总编委会.中国大百科全书㊃固体地球物理学㊁测绘学㊁空间科学[M].北京:中国大百科全书出版社,1993.[3]‘中国大百科全书“总编委会.中国大百科全书㊃固体地球物理学㊁测绘学㊁空间科学[M].2版.北京:中国大百科全书出版社,2009.[4]地球科学大辞典编委会.地球科学大辞典:基础学科卷[M].北京:地质出版社,2006.[5]汪集暘,等.地热学及其应用[M].北京:科学出版社,2015.[6]邦特巴思.地热学导论[M].易志新,熊亮萍,译;汪集旸,校.北京:地震出版社,1988.[7]MORGAN P.Heat flow,continental[M]//GUPTA H K. 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十四章：1、水中杂质按尺寸大小可分成几类？了解各类杂质主要来源、特点及一般去除方法。
答：水中杂质按尺寸大小可分成三类：１）悬浮物和胶体杂质：悬浮物尺寸较大，易于在水中下沉或上浮。
但胶体颗粒尺寸很小，在水中长期静置也难下沉，水中所存在的胶体通常有粘土、某些细菌及病毒、腐殖质及蛋白质等。
有机高分子物质通常也属于胶体一类。
天然水中的胶体一般带有负电荷，有时也含有少量正电荷的金属氢氧化物胶体。
粒径大于０.1mm的泥砂去除较易，通常在水中很快下沉。
而粒径较小的悬浮物和胶体物质，须投加混凝剂方可去除。
２）溶解杂质，分为有机物和无机物两类。
它们与水所构成的均相体系，外观透明，属于真溶液。
但有的无机溶解物可使水产生色、臭、味。
无机溶解杂质主要的某些工业用水的去除对象，但有毒、有害无机溶解物也是生活饮用水的去除对象。
有机溶解物主要来源于水源污染，也有天然存在的。
3、了解《生活饮用水卫生标准》中各项指标的意义。
(7’)答：在《标准》中所列的水质项目可分成以下几类。
一类属于感官性状方面的要求，如不的水度、色度、臭和味以及肉眼可见物等。
第二类是对人体健康有益但不希望过量的化学物质。
第三类是对人体健康无益但一般情况下毒性也很低的物质。
第四类有毒物质。
第五类细菌学指标，目前仅列细菌总数、总大肠菌数和余氯三项。
4、反应器原理用于水处理有何作用和特点？(7’)答：反应器是化工生产过程中的核心部分.在反应器中所进行的过程,既有化学反应过程,又有物理过程,影响因素复杂。
在水处理方面引入反应器理论推动了水处理工艺发展。
在化工生产过程中，反应器只作为化学反应设备来独立研究，但在水处理中，含义较广泛。
许多水处理设备与池子都可作为反应器来进行分析研究，包括化学反应、生物化学反应以至物理过程等。
例如，不的氯化消毒池，除铁、除锰滤池、生物滤池、絮凝池、沉淀池等等，甚至一段河流自净过程都可应用反应器原理和方法进行分析、研究。
9、PF型和CMB型反应器为什么效果相同？两者优缺点比较。
CFD 计算对计算网格有特殊的要求，一是考虑到近壁粘性效应采用较密的贴体网格，二是网格的疏密程度与流场参数的变化梯度大体一致。
对于面网格，可以设置平行于给定边的边界层网格，可以指定第二层与第一层的间距比，及总的层数。
对于体网格，也可以设置垂直于壁面方向的边界层，从而可以划分出高质量的贴体网格。
而其它通用的CAE 前处理器主要是根据结构强度分析的需要而设计的，在结构分析中不存在边界层问题，因而采用这种工具生成的网格难以满足CFD 计算要求，而Gambit 软件解决了这个特殊要求。
如果先在一条边上画密网格再在之上画边界层，边界层与网格能很好的对应起来如果直接在一条边上画边界层，则边界层横向之间的距离很宽怎么设置边界层横向之间的距离，即不用先画网格也能画出横向距离很密的边界层来？在划分边界层网格之前，用粘性网格间距计算器，计算出想要的y+值对应的第一层网格高度；第一层高度出来之后，关于网格的纵横向网格间距之比，也就是边界层第一层网格高度与横向间距之比，大概在1/sqrt(Re)，最为适宜；先在你要划边界层网格的边上划分线网格，然后再划分边界层。
gambit本人也用了一段时间，六面体网格四面体网格我都画过，但是最头疼的还是三维边界层网格的生成。
用gambit自带的边界层网格生成功能画出来的边界层网格经常达不到好的效果，或者对于复杂的外形根本就无法生成边界层网格。
为此我就采用手动设置边界层，但是比较费时间，效果还一般。
不知道大家是不是也遇到相似的问题，或者有更好的方法，请指点一下，先谢谢了！22 什么叫松弛因子？松弛因子对计算结果有什么样的影响？它对计算的收敛情况又有什么样的影响？1、亚松驰（Under Relaxation）：所谓亚松驰就是将本层次计算结果与上一层次结果的差值作适当缩减，以避免由于差值过大而引起非线性迭代过程的发散。
用通用变量来写出时，为松驰因子（Relaxati on Factors）。
第 1 期2024 年 2 月NO.1Feb.2024水利信息化Water Resources Informatization0 引言当前，水利部按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”的要求，正在加快推进智慧水利建设。
数字孪生技术可实现数字模型与物理实体同步仿真运行、虚实交互、迭代优化，对加快构建具有预报、预警、预演、预案功能的智慧水利体系发挥着基础性作用[1-3]。
在智慧水土保持建设中，不断加大监管信息化程度，实现了全国水土保持遥感监管全覆盖，认定和查处了未批先建、未批先弃、超出防治责任范围等违法违规项目，推进了水土保持方案编报率、违规整改到位率和设施验收率连年提升，对有效防止人为水土流失、保护和改善生态环境发挥了良好作用[4-5]。
但将生产建设项目水土流失防治责任范围这一具有显著动态变化特性的事物当作静态对象认识，常常导致一些水土保持违法违规活动不能被及时识别和认定，造成遥感监管盲点。
姜德文等[6-9]通过 GIS 技术，梳理了扰动图斑与防治责任范围的空间逻辑关系，提出将遥感监管发现的扰动图斑与防治责任范围进行空间叠加分析，判别生产建设项目程序合规性的方法。
但将以往入库、未被及时更新、未能同步孪生的防治责任范围，与现势性更高、更具时效性的扰动图斑叠加，必然难以生成符合现状的生产建设活动合规性判别结果。
李智广等[10]首次提出利用数字孪生技术建立防治责任范围变化的预测方法，为减少违法违规活动的漏判和误判提供了新的思路。
本研究系统梳理和归纳水土流失防治责任范围的动态特性，结合数字孪生技术，构建水土流失防治责任范围变化预测模型，并进行应用试验和效果分析。
1 防治责任范围动态变化特性GB 50433—2018《生产建设项目水土保持技术标准》规定，防治责任范围是指生产建设单位依法承担水土流失防治义务的区域，包括项目永久占地、临时占地（含租赁土地）及其他使用和管辖区域。
防治责任范围既具有鲜明的空间确定特性，又具有鲜明的动态变化特性。
沸腾换热文献综述引言近二十年来，多相流体力学和多相传热学发展迅速。
在热能、动力、化工、核能、石油、冶金、制药、电子、航空航天、生物工程等领域均有重要应用。
在多柑流研究中，流动沸腾尤为重要，很多行业的许多生产设备中都涉及到流动沸腾换热工况，人至电站锅炉的沸腾管、化工精馆塔、蒸汽机车，小至MEMS的冷却无不与流动沸腾有关。
沸腾换热只有传热温差小，换热强度高等特点，在许多工业与技术领域内得到了广泛应用。
管内溶液的蒸发就是沸腾换热过程，此过程伴随着汽液相的转换，属于汽液两相流动体系。
由于蒸发的溶液本身只有某些特性，例如有些物料在浓缩时可能析出结晶、易于结垢、粘度较人等，使得蒸发器的安全稳定运行很难得到保障。
将惰性固体颗粒加入到汽液两相流动体系中，形成汽液固三相流，可以较好地解决蒸发换热装置在运行过程中出现的壁面结垢利传热强化问题。
但由于沸腾多柑流动的特点使得其流动状况非常复杂，而加入固体颗粒后形成汽液固三相流动就更为复杂，因此，对沸腾两相流动及汽液固三相流动的动力学特征研究一直是人们感兴趣的课题。
流体动力学特性的硏究是多相流体系的基础,它为与Z相关的物理过程提供了重要的第一手资料，可为流动体系的进一步研究如传热、传质、化学反应等，以及设备的设计和放大提供可靠的依据。
因此，开展气（汽）液固多柑流体系的流体动力学研究，対于深入理解务相流体系的内在运动规律和流型转化机制具冇十分重要的意义。
在多相流动过程中，由于汽、液、固相界面的变形和运动等原因，使得相界面运动貝有动态特性，表现出强烈的非线性性质，是一个多变量相关的复杂非线性系统，其主要特征为复杂性。
在此复杂现象中，也必然存在着某种规律性，这种规律性表现为一系列混沌运动‘。
2；：仅采用传统的基于线性原则的分析方法，如谱分析技术、随机分析技术等，不能深入地从本质上揭示动态的、非线性的多相流动及传递现象和流动机制。
因此，对这些多相流动复杂过程的研究，运用非线性理论是十分必要的。
*本文受到国家科技攻关计划 陕甘宁盆地特低渗油田高效开发与水资源可持续发展关键技术研究 (编号:2005BA 901A 13)项目资助。
作者简介:张荣军,1969年生,副教授,博士研究生;从事油气田开发工程方面的教学与科研工作。
地址:(710065)陕西省西安市石油大学石油工程学院。
电话:(029)88382671。
E mail:rjzhang888@163.co m垂直下降管流流态界限转变研究*张荣军1陈军斌2蒲春生1(1.西安石油大学石油工程学院 2.西安石油大学理学院)张荣军等.垂直下降管流流态界限转变研究.天然气工业,2006,26(9):74 76.摘 要 多相流广泛存在于空气钻井、氮气钻井、高压喷射钻井、泡沫钻井、完井修井作业及管道输送等领域中。
多相流的研究在确保工程顺利实施方面起着极为重要的作用,在很大程度上关系到钻井、固井等质量的优劣与成败。
为此,对垂直下降管流的流型转变及其流型间的转变界线进行了研究,得出了垂直下降管内油气水三相流动可分为W/O 型泡状流、弹状流及环状流和O /W 型泡状流、弹状流及块状流的结论。
通过动力学分析,分别建立了泡状流与弹状流的转变、弹状流与环状流的转变的理论模型,实际计算表明,理论转变曲线与实验曲线基本吻合。
主题词 钻井 固井 流体力学 动力学 多相流 流型图 流态转变在油气水三相流中,由于三相的比例不同以及沿着管道输运中的压力的沿程逐渐地降低,油气水三相混合物的流动形态、相分布及压降特性沿着管道不断地变化,所以要较为准确的计算总的压力降,就必须研究油气水三相流不同的流型间的转变界线以及在某种流型下的三相流的截面含气率、压降规律等方面的内容。
而垂直下降管流是多相流中最常见的之一(图1)。
因此,笔者主要讨论垂直下降管流的流型转变及其流型间的转变界线的问题。
一、垂直下降管中的气液两相流流型在气液两相作用下,下降流动时的细泡状流型和上升流动时的细泡状流型不同。
前者的细泡集中在管子核心部分,而后者则散步在整个管子截面上。
如液相量不变而使气相流量增大,则细泡将聚集成图1 垂直下降管中的气液两相流流型图1.细泡状流型;2.气弹状流型;3.下降液膜流型;4.带气泡下降液膜流型;5.块状流型;6.雾式环状流型气弹。
下降流动时的气弹流型比上升流动时稳定。
下降流动时的环状流动有几种流型,在气相及液相流量小时,有一层液膜沿管壁下流,核心部分为气相,称为下降液膜流型。
当液相流量增大,气相将进入液膜,这称为带气泡的下降液膜流型,当气液两相流量都增大时会出现块状流型。
在气相流量较高时能发展为核心部分为雾状流动,壁面有液膜的雾式环状流型。
1.泡状流与弹状流的转变根据T aitel 等人研究结果,可将垂直下降管内油气水三相的泡状流向弹状流转变的临界条件定为:=0.25(1)Zuber 提出:当液相速度较低时,气泡群在液相中的浮升速度(U h )可由下式计算得:U h =1.53(1- )0.5g( L - G )2L0.25(2)式中: L 为油水两相混合物的密度; 为油水两相混合物表面张力。
在垂直下降管中,泡状流的气泡速(U G )与液相平均速度(U L )为:U G =U L -U h(3)同时根据连续方程,可推导得:74 钻井工程 天 然 气 工 业 2006年9月U S L=1-U SG+1.53(1- )1.5g( L- G)2L0.25(4)式中:U SL为油水混合物的折算液速。
将临界条件式(1)代入式(4),便可得到泡状流向弹状流转变界限的准则关系式:U SG=3U SG+0.994[g( L- G) ]0.250.5L(5) 由式(5)就可计算出以U SG和U SL为坐标的垂直下降管内油气水三相流的泡状流向弹状流的转变界线。
2.弹状流与环状流的转变根据单相流体管内流动的壁面摩擦应力的计算方法,得到气芯受与液膜间的摩擦切应力( 1)为:1=f1 G U2G2(6)式中:f1为气芯与液膜的摩擦阻力系数。
Whalley和H ew itt根据大量的实验数据得到环状流气芯与液膜的摩擦阻力系数计算式为:f1=C G G U G D GG-m1+6LG13(1- )(7)把f1的计算式代入式(6)得到:i=C G G U SG DG-m1+6LG13(1- )G2U SG2(8)式中: L为油水混合物的密度。
由式(8)油水混合物形成的液膜与管壁间的切应力( B)为:B=f L L U2L2(9)式中:f L为液膜与壁面的摩擦阻力系数。
f L=G L L U L D LL-n(10)式中: L为油水混合物的表观粘度。
液膜流通截面的当量直径,根据定义有:D l=4F LS B=4D24-D2G4D=D2-(D )2D=D(1- )(11)当液膜处于层流时,式(10)的C L=16、n=1.0;当液膜处于紊流时,C L=0.0791、n=0.25。
所以式(10)示为:b=C l L U SL DL -n L2U SL1-2(12)代入气芯和液膜的流通截面积,界面周长和管壁周长公式,整理后得到:1-m-531+6LG13(1- )=X21(1- )3-Y(13)其中X2=4C LD LL U SL DL-n L U2SL24C GDG U SG DG-m G U2SG2(14)Y=( L- G)g4C GDG U SG DG-m G U2SG2(15)A mand通过对管内气液两相流动大量的实验数据的分析发现:当体积含气率 G<0.9时,截面含气率与体积含气率近似为线性关系,并可用下式估算:G=0.833 G ( G 0.9)(16) 而当体积含气率 >0.9时,随着体积含气率的增加,截面含气率以指数规律急剧增加,这表明:当 G 0.833 0.9=0.75时,无论是气泡流还是弹状流,气相总是非连续相,因而它们的截面含气率随体积含气率变化的规律具有一定的相似性;而当 > 0.75时,弹状流转变为环状流,其气相和液相都是连续相,截面含气率随体积含气率的变化规律与泡状流和弹状流不同。
因此,将弹状流转变为环状流的条件定为:GC=0.75(17) 将 GC代入式(13)得到垂直下降管内油气水三相流的弹状流与环状流间的理论转变界限表达式:7.921+1.5LG13=64X2-Y(18) 由于式中的 L,X2和Y均与油水混合物的含水率有关,故转变界线不仅与折算气速和折算液速有关,还受到油水混合物中的含水率 w的影响。
3.W/O型与O/W型的转变根据油水两相流动的摩擦压降实验观察可知,在不同的折算液速下油水混合物中连续相的改变均发生在含水率为50%的状态,而且从油气水三相流的实验也有同样的现象存在,故将垂直下降管内油气水三相流的W/O型与O/W型的转变条件确定为含水率50%。
二、结果与分析由式(5)算得到的泡状流与弹状流的转变界线分析可见,在含水率一定的条件下,垂直下降管内的泡状流向弹状流的转变界线是直线;油水混合物的折算液速越高,要实现泡状流向弹状流转变所对应75第26卷第9期 天 然 气 工 业 钻井工程的折算气速越大。
这是因为折算液速增加,截面含气率降低,所以需要更高的折算气速才能使截面含气率达到泡状流向弹状流转变所需要的临界值。
从分析可发现,油水混合物的含水率对泡状流向弹状流的转变有一定影响。
在相同的折算液速下含水率越高,流型转变在越小的折算气速下就可以发生。
由全水时的实验转变曲线与理论转变曲线的比较,可见两者比较的接近,只是在相同的折算液速下由实验测得的转变对应的折算气速要高于理论计算的值。
由式(18)不同含水率下垂直下降管内油气水三相流的弹状流与环状流间的理论转变曲线分析可知,含水率对该转变界线影响较大,特别是在油包水与水包油的不同区域,连续液相(油或者水)的粘度有很大的差异。
油水混合物的表观粘度越大,管壁面对液相的粘滞作用也越强,油水混合物的截面平均速度会降低,那么在油水两相的体积流速一定的条件下,环状流的液膜厚度会增大以维持管内不变的液相体积流速,所以管截面的持液率增加,相应的截面含气率下降。
由综合垂直下降管内的泡状流与弹状流的转变曲线、弹状流与环状流的转变曲线得到的全水时理论流型转变图分析可见,在一定的折算气速下,随着折算液速的增加,垂直下降管内的流动首先出现环状流动,然后进入弹状流动,最终形成泡状流动。
随着折算气速的增加,两个流型转变点对应的折算液速均会升高。
三、结 论(1)垂直下降管内油气水三相流动可以分为W/ O型泡状流、弹状流及环状流和O/W型泡状流、弹状流及块状流。
(2)通过动力学分析,分别建立了泡状流与弹状流的转变、弹状流与环状流的转变的理论模型,并由此得到了理论转变曲线,与实验曲线大致相符。
泡状流与弹状流的转变界线与气泡在液相中的浮升速度有关,但油水混合物的含水率对泡状流与弹状流的转变界线的影响不明显,转变主要取决于折算气速和折算液速。
弹状流与环状流的转变界线不仅与折算气速和折算液速有关,而且与油水混合物的表观粘度有关。
粘度增大,三相流动越容易处于弹状流区域,故在相同的折算液速下,W/O型弹状流向环状流转变所需的折算气速要远大于O/W型转变所需的折算气速。
(3)W/O型与O/W型的转变条件为含水率50%。
参 考 文 献[1]郭烈锦.两相与多相流动力学[M].西安:西安交通大学出版社,2002.[2]P ET ER GRIF FIT H.M ultiphase flow in pipes[J].SPE12895.[3]陈家琅,石在虹,许剑锋.垂直环空中气液两相向上流动的流型分布[J].大庆石油学院学报,1994,18(4):23 25.[4]丁国忠,郑正泉.垂直管道中气液两相流流型辨识研究[J].华中科技大学学报,2002,30(3):49 51.[5]周立加,杨瑞昌,张彬,等.垂直上升管内气液两相流流型鉴别研究[J].工程热物理学报,2000,21(3):359 362. [6]劳力云,郑之初,吴应湘,等.关于气液两相流流型及其判别的若干问题[J].力学进展,2002,32(2):235 249.(收稿日期 2006 03 27 编辑 钟水清)准噶尔盆地煤层气储量超2万亿立方米中国石油新疆油田公司勘探开发研究院近来对准噶尔盆地的煤层气开发进行了可行性分析研究,结果表明该盆地煤层气储量超过20000 108m3,开发潜力较大。
据该院介绍,准噶尔盆地煤层气总资源量为22000 108m3,平均丰度为每平方千米1.51 108m3,具有很大的资源优势。
目前,新疆油田公司已将科学利用准噶尔盆地煤层气资源列为重要课题,新疆也将其列入 天山北坡经济带 发展计划中。
(谭蓉蓉 摘编自《中国石化报》)76钻井工程 天 然 气 工 业 2006年9月ABSTRAC T:Diesel eng ine tail g as dr illing is a kind o f gas based underbalanced drilling,w ith adv ant ages of pr otecting oil/g as reservo ir s and impro ving RO P.H ow ever ,due to complex co mpo sitio n,the diesel tail g as w ill give rise t o sev er e co rro sion t o o il co untr y tubular g oo ds.Investigations w ere made as per t he effects of temperature and flow rate o n the aver age cor rosio n rates and lo cal cor rosion rates of dynamic liquid and gas phases tow ards S135steel,under the simulated cor ro sive diesel eng ine tail gas envir onment.A nalysis w as made on the appea ring status and compositions o f the cor ro ded o bjects.T he r esult s show that,under the same co nditions,the aver age and lo ca l co rr osio n r ates of dynamic liquid phase exceed that of dynamic g as phase.T he co rr osio n r ate will increase first and then decrease w hen temper atur e is increased,and incr ease with pressure and flow v elo city.Since the diesel engine tail g as can r esult in severe cor rosio n to dow nho le oil tubulars,under balanced drilling with diesel tail g as is unsuitable for wat er producing g as w ells and high pressure gas w ells.SUBJEC T HEADINGS:co rro sion,diesel eng ine tail g as,under balanced dr illing,S135steel,o il country tubular go ods(OCT G ),co rr osio n contr olWan Liping,bor n in 1972,ho lds a Ph.D deg ree.H e is w orking in T ubular Go ods Research Center of CN P C,t arg et ing at co r r osio n and pr otectio n o f oil count ry t ubular g oo ds.Add:T ubular G oods Research Centre o f CNP C,N o.32,Block 2,Dianzi Road,X i'an,Shaanx i Pr ov ince 710065,P.R.China Tel:86 29 88726008 E mail:w anlp@tgr c.or g11 www /e/abstracts.aspSTUDY ON THE METHOD PREDICTING SPURT SPEED OF UNCONTROLLED BLOWOUT AT WELL HEADZhou Kaiji 1,Liu Xin 1,Guo Zhaox ue 1,Yuan Q iji 1,Zhou Lei 2(1T he State Key Laborato ry of Oil &GasReservoir Geo logy and Exploitatio n Southw est Petroleum University;2SCANB Pow er,USA ).N AT UR.GA S I N D.v.26,no.9,pp.71 73,09/25/2006.(ISSN 1000-0976;In C hinese)ABSTRAC T:Blow outs out of co ntr ol dur ing petro leum dr illing and completio n are r eally disastro us accidents,which w ill t end to bring sev ere damage to human assets and human liv es,co ntaminate env iro nment,and destr oy the r eso ur ces bur ied under g ro und.T he spur t out speed of the blow out at the w ellhead,the internal pressur e at t he ex it,and the po tent ial o f t he blo wing zo nes are impo rtant basic data fo r blo wout contr ol pr og ram planning and ex ecutio n.Since the w ellhead env iro nment of the un contr olled blow out well is co mplicated,it's impossible to inst all inst ruments at the wellhead o r place refer ence indicato rs in the high speed gushing stream.T he necessary data listed abov e can no t be obtained directly.By using the physical par ameters o f the fo rmations g athered during dr illing and g eo lo gic w or k,this paper has pro bed into models fo r pr edicting g ush out speed o f the blo wo ut in w ellbo res w ith different sizes and differ ent config uratio ns,so as to facilitate the planning and execution of blow o ut co ntr ol pr ocedur es.SUBJEC T HEADINGS:drilling,blow out out of co ntr ol,g ushing st ream,flow ing pressure,pr ediction modelZhou Kaiji,bo rn in 1945,is a pr ofessor and an SPE member,has chair ed ov er 10scient ific r esea rch projects of state and minis ter ial level,has published 5boo ks (teaching materials)and has publicized ov er 40academic pa pers in periodicals of China and a bro ad,is engag ed in theor etic r esea rch on pr essure co nt ro l during drilling,and study on sy stematic analysis o f drilling eng ineer ing system and drilling fluid dynamics.Add:Southwest P et roleum U niversit y,X indu Distr ict,Cheng du,Sichuan Pr ovince 610500,P.R.China Tel:86 28 83033043 E mail:zhoukaiji@hot STUDY ON MULTIPHASE FLOW REGIMES IN VERTICAL DOW NW ARD FLOWING PIPE FLOW ,RE GIME BOUNDARIES,AND REGIME TRANSFORMATION Zhang Rong jun 1,2,Chen Junbin 3,Pu Chunsheng 2(1The Geolo gy Department of No rthw est U niversity;2Petroleum Engineering College of Xi'a n Shiy ou University;3Science Colleg e o f Xi'an Shiyou University).N AT UR.GA S I ND.v.26,no.9,pp.74 76,09/25/2006.(ISSN 1000-0976;In C hinese)ABSTRAC T:M ult iphase flo w w idely exist s in air drilling,nitro gen drilling ,high pressur e jet dr illing ,f oam drilling,complet ions,and w or ko ver s,and also in industries o f po wer,chemicals,petr oleum,metallurg y,pipeline transpo rt,medical and re fr ig eratio n.Study on the hy dr odynamics,flow mechanism of multiphase flow and precise detectio n o f par amet ers in two phase flow ar e v ery impor tant fo r the development o f mo der n industr ial equipment.Crude o il m ixt ur e can be oil/gas two phase flo w, oil/w ater tw o phase f low or oil/gas/w ater thr ee phase flow in tr anspor t system.Research on multiphase flow will play an im por tant ro le in ensur ing the successful o per atio n,it will,to a lar ge extent,decide the quality of the drilling and co mpletio n o p er ations.T his paper studies o n the flo w r egime tr ansfo rmatio ns of v ertical dow nwar d flow ing pipe f low and the t ransfo rmation bo unda ries.So me preliminary co nclusio ns are made in this paper.By analy zing dy namics,theor etic models ar e set up for tr ans fo rmations betw een bubble flow and elastic flow,between elastic flow and annular flow.A fter actual calculatio n,it is pro ved that the theor etic tr ansfor matio n curv es match the experimental cur ves ver y well.SUBJEC T HEADINGS:drilling,cementing,hydro mechanics,multiphase flo w,flo w r egime map,regime transformat ion Zhang Rongjun(associate pr ofessor),born in1969,holds a Ph.D deg ree.H e has been eng aged in research and teaching wo rks on oil/g as field dev elo pment eng ineering.Add:Pet roleum Engineer ing Colleg e,Xi'an Shiyo u U niversit y,X i'an,Shaanx i P rov ince710065,P.R.ChinaTel:86 29 88382671 E mail:r jzhang888@EFFEC TS OF JET ON LOCAL PORE PRESSURE OF ROCKSLo ng Zhihui1,2,Wang Zhim ing1,Fan Jun2,Lo ng Xuhua3,Xiang Xiaoy an3(1China University o f Petr ole um Beijing;2Chongqing U niv ersity of Science and Technolog y;3West Sichuan Dr illing Com pany of CN PC Sichuan Petr oleum).N AT UR.GA S I N D.v.26,no.9,pp.77 79,09/25/2006.(ISSN1000-0976;In Chinese)ABSTRAC T:T he jet act ion can lar gely improv e R OP dur ing oil/gas well dr illing.While due to the variety of ro ck materials and the com plicated r ock st ructur es,the ro ck cutting mechanism o f the jet is still not know n after so many y ears.T her efor e,it is put fo rw ard herein that hig h seepag e pr essure ex ists locally in the ro cks w hen under jet action,and the magnitude o f seepag e pr essure g reatly affects the ro ck cutting results.Calculatio n mo del for seepage pr essure o f liquid f low streams is t her efore es tablished by t aking elements of ar ea ar ound the g rid no des on r ock surface.N umerical calculation and analysis are made r eg ar d ing jet effects on wet sandsto ne body at surface and hole bo ttom.It is concluded that under the same co nditions,the jet speed will highly affect the po re pressur e o f lo ca l r ocks;the deeper the well,the smaller t he influence;and to increase the jet speed can enhance the r ock cutt ing assisting effects of the jet,and etc.A ll these ar e sig nificant for investig ating the ro ck cutting as sisting mechanism of the jet.SUBJEC T HEADINGS:o il w ell,g as well,dr illing,jet,seepag e pr essure,pore pressure,calculation modelLong Zhihui(asso ciate professor),bo rn in1963,is st udying fo r a Ph.D deg ree.He has long eng aged in r esear ch and teaching wo rks on oil/g as well engineer ing.Add:Cho ngqing U niver sity o f Science and T echnolog y,N o.1,Shiyo u R d.,Chongqing400042,P.R.ChinaTel:86 23 68808086 E mail:L ongzh897@STUDY ON CORROSION FAC TORS AND RELATED PREVENTIVE MEASURES FOR DRILLING OF H2S C ONTAINING GAS W ELLSWang Xia1,Zhong Shuiqing1,2,M a Faming1,3,Zhang Shiqiang4,Zhang M ing wen2(1Southw est Petroleum Univer sity;2CNPC Sichuan Petro leum;3Petr oChina Southw est Oil&Gasfield Company;4West Sichuan Pro duction and T ranspo rt Division of Sino pec Southw est Co mpany).N AT UR.GA S I N D.v.26,no.9, pp.80 84,09/25/2006.(ISSN1000-0976;In C hinese)ABSTRAC T:During drilling of H2S gas w ells,H2S w ill cause cor ro sion fatig ue to dr illing too ls w ith H RC o ver22,and also SSC damag e w hen ambient P H value is below9.T he SSC destructio n is quicker t han the cor rosion fatigue,resulting in larg e a/e/abstracts.asp 12。
