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郭尚平院士:地质学与医学结合的微观渗流力学

2021-11-27  zcm1944

日常 2020-09-20 15:4240

郭尚平院士

提起郭尚平院士,人们首先想到的是渗流力学,因为他一生致力于油气田开发和渗流力学研究工作,是最早提出微观渗流概念和理论的学者,是我国石油工业发展的亲历者、建设者和贡献者。

在建立和发展油气藏渗流、提高采收率的理论和方法及生物渗流理论等方面取得多项重要成果。

他是我国最早按正规设计开发的两个大油田(克拉玛依油田和大庆油田萨尔图中区)开发设计渗流研究计算负责人、克拉玛依油田开发设计主要设计人,为我国油田开发做出重大贡献。

然而,你可能不知道,郭尚平院士在医学领域上的研究水平不亚于地下渗流,还获得了国际知名学者的高度评价,因他在医学研究上的贡献,中华医学会吸纳郭尚平院士为会员。

与渗流力学的不解之缘

在重庆大学矿业系毕业两年后,1953年,郭尚平被选拔到苏联留学。攻读研究生,学的专业是油田开发、渗流力学,由莫斯科石油学院和全苏油田开发研究所共同培养,自此他与渗流力学结缘。

郭尚平学成归国后,正值祖国石油工业建设人才紧缺,他如鱼得水,很快投入到石油科研事业中。1958-1960年,郭尚平作为克拉玛依油田初步开发设计方案主要设计人,采用地质研究分析—渗流研究计算—经济指标分析三者紧密结合优化方案的技术路线,设计方案成为合理开发克拉玛依油田的基本依据。

60年代初,郭尚平开发成功人工模型新技术,在大庆、胜利、新疆和玉门等油田及渗流室持久地推广应用,对渗流力学和资源开采研究起到了很好的作用。

1966年至1976年间,郭尚平主要从事天然气渗流及其在四川气田动态分析和储量计算中的应用和陕甘宁油田开发(含石油渗流)研究等工作。

郭尚平最早提出微观渗流概念。1978年开始,他动手开展微观渗流研究,提出要开展渗流微观研究孔隙水平,并把这种渗流研究暂时称为微观渗流,沿用至今,已成了习惯用术语。1991年3月5日,郭尚平等数十人集体完成的科研成果专著《物理化学渗流微观机理》通过专家鉴定。专家认为,这是国内外第一部微观渗流专著,达到国际领先水平。

微观渗流与医学结合

地下微观渗流研究的是油气水在微观孔隙中的流动,那么,水在植物中的流动、血液在毛细血管中的流动,是不是也属于微观渗流。

郭尚平的父亲是著名中医,也许是受父亲影响,郭尚平对医学饶有兴趣。

1962年,郭尚平阅读一篇科普文章时,一段话引起了他的联想。文章说,毛细血管内流动的血液给细胞带来氧气和营养,人体每个细胞附近约20微米内必须有毛细血管,否则这个细胞会因无氧气和营养而死亡。

这段文字给郭尚平很大启发。他想,既然毛细血管在人体内的分布这么多这么密集,则众多的微细的毛细血管密集成群的集合体就可能是某种类型的多孔介质,其中血液的流动就属于渗流,就可以作为渗流来研究。

那么,为什么我们不能开展一种新型的渗流研究即血液渗流研究,而把渗流研究仅仅局限于岩层和土壤内的流动呢。地下渗流研究对地下能源资源开发和水力水利等有用,血液渗流研究也一定会对人的健康和疾病防治有帮助。

郭尚平与于大森(渗流所)、刘泽阳(中国医学科学院血液研究所)、刘庆杰(现中国石油勘探开发研究院采收率所)等(下称“郭尚平团队”)研究进行的血液渗流研究就是在这一思路启发下开始的。

在血液渗流研究真正开展起来后,他们发现不止血液系统,还有淋巴系统、肺泡系统、肾小管-肾小球系统、肝胆小管系统、肝血窦系统、窦周间隙系统等都属于多孔介质,其中的流动都属于渗流,可作为渗流进行研究。

他们初步分析认为,植物的根茎枝叶也由特殊的多孔介质组成,其中的流动是营养液和光合作用生成的糖液等流体的复杂的特殊类型的双向渗流。由于人体、动物体和植物体内普遍存在多孔介质和渗流,他们就把这种新型渗流称为生物渗流,在世界上首次提出这个概念。

从20世纪70年代后期开始,郭尚平将多年来对渗流力学与生命科学交叉渗透的想法付诸实施,开拓了新的研究方向:生物渗流。他对动物体和植物体内的渗流都做了一些考虑,首先开展了人体和动物体内的渗流研究

生物体内有关组织和脏器是否存在多孔介质是生物渗流力学的基础。20世纪80年代初,郭尚平与于大森、刘泽阳、刘庆杰等合作,艰苦工作,潜心钻研,奠定了生物渗流的初步基础,发表了众多关于生物渗流研究成果的文章。

由于多孔介质中的流动才是渗流,所以必须首先论证生物体内多孔介质的存在及具体细节。他们费了很大的精力,经研究得出重要结论:肾、肺、肝、心的微细血管体系,肾的泌尿管道体系,肺的肺泡-支气管体系和肝的胆管体系等四类脏器的七种管道体系具备孔隙微小、比面很大的多孔介质的必要特征,确属多孔介质。因此,其中的流动确属渗流,其流动力学可作为渗流力学进行研究。

在验证了生物体内有关组织和脏器存在多孔介质的基础上,郭尚平带领研究团队用模拟的生物管道多孔介质和人血、代血浆、马血、羊血和肝胆汁等真实生物流体做实验,发现这些生物流体的渗流基本规律不遵循著名的达西渗流定律,而遵循一种非达西律。

以后,他们又用家兔进行在体和离体实验,仍然表明血液等生物流体的渗流不遵循达西律,而遵循一种非达西律。他们还建立了血管体系多孔介质的孔隙度和渗透率等重要特征的测定和分析方法,在测定的基础上又得到一些重要结论。在上述研究的基础上,他们初步地建立起几种典型的生物渗流多重介质数学模型。

之后,他们与生理病理结合,通过生物渗流计算,得到一些有益的认识。基于上述研究成果,郭尚平等为生物渗流的建立打下了初步基础。“生物力学之父”美国全国科学院和美国工程科学院院士冯元桢教授1993年9月给中国医学科学院刘泽扬的信中对上述生物渗流理论的评价说:“郭先生的理论在世界上是突出的。”

1990年后,郭尚平专注于石油产业有关的研发工作,生物渗流研究工作自此终止。

郭尚平院士一生致力于油田开发及渗流力学研究工作,现已90岁高龄依然在渗流力学领域进行钻研,撰写学术论文并经常被邀请做学术报告,参加学术会议与同行交流。

作者:严增民

人物名片:

1929年生于四川荣县,流体力学家、生物力学家、油气田开发专家。1995年当选中国科学院院士,博士生导师。曾任中国科学院兰州分院院长,中国石油勘探开发科学研究院副院长。

郭尚平首先提出“微观渗流”概念、理论和实验技术,为提高石油采收率提供新的理论基础,使渗流和油藏工程研究深入到多孔介质的孔隙裂隙层次让渗流力学与生命科学交叉渗透,首先提出“生物渗流”思想和理论,获国际同行高度评价。提出压裂采油中的渗流理论及集群(整体)压裂概念和效果(1957)等。中国最早按正规设计开发的大油田—克拉玛依油田的主要设计人之一,石油工业部大庆油田开发工作组渗流研究计算组负责人,为中国油田开发作出重要贡献。

1947—1951年 重庆大学矿冶系学习。

1951—1952年 任重庆大学矿冶系油田开发专业助教。

1952—1953年 北京俄文专修学校留苏预备部学习。

1953—1957年 莫斯科石油学院和全苏油田开发研究所研究生。

1957—1960年 任石油部石油研究院渗流力学组工程师。

1960—1971年 任中国科学院兰州地质所渗流力学室室主任。

1971—1974年 任大庆油田研究院副院长。

1974—1983年 任中国科学院兰州渗流力学室助研、副研、研究员、室主任。

1983—1987年 任中国科学院兰州分院院长。

1987—1994 年任石油勘探开发科学研究院研究员、副院长。

1994年 任石油勘探开发科学研究院专家、博士生导师、研究员。

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