油燃而声 第25期 | 十八般武艺促“蛹”（油气）从地下“飞”到地面
张烈辉 | 《油气简史》
油燃而声 第25期
（第二版 富媒体）
油气在地下岩层中好比“茧”中之“蛹”。有了人工凿成的“蛹”道，形成“蛹” 飞到地面的各式各样的“井”后，“蛹”会乖乖地移动到地面吗？还是要像 大多数水井那样利用抽水机来抽取？地下油气藏中的“蛹”——油气，以什 么方式、依靠什么能量沿着该通道、通过“井”，更多地“飞”到地面上来， 进入千家万户呢？
▲川中女 2井附近，工人在溪河里装石油
（由西南石油大学档案馆提供）
自 1859 年 8月美国艾德温·德雷克钻成世界上第一口油井至今，科学家们从来没有停止过这方面的思考。到目前为止，各种人工的、物理的、化学的、生物的方法等都在应用，可以丝毫不夸张地说，人们用尽了十八般武艺让地 下“ 茧” 中 的“ 蛹” —— 油气“飞”到地面。
我们都知道，地球是一个庞大的热库，蕴藏着巨大的热能，如地热能、熔岩等，具有高温、高压的特点，已成功开发利用在地热发电、地热供暖、温泉疗养、游乐等领域，如在北京小汤山和河北省雄县等地均建立了温泉旅游疗养基地。
▲地热示意图
▲1984 年 3 月 25 日，美国夏威夷 Mauna Loa 火山喷发
（苏德辰，孙爱萍，2017）
显然，地热能、熔岩都是一种天然能量。
▲高温高压深井示意图
是的，油气藏中也存在着天然能量！油气藏中第一种天然能量叫作弹性力。油气藏深埋地下几百米、几千米甚至上万米。世界上已发现的油气藏温度高达 200℃，地层压力接近 200MPa，这相当于在指甲那么大的地方上有 2000kg的压力，相当于在 20000m 海水深处的压力，是异常高温、高压油气藏。例如，我国塔里木油田的克深区块深度达 7000m，温度达 193℃，地层压力达 165MPa（相当于 16500m 海水深处的压力），比马里亚纳海沟最深处（11034m）的压力还大，其中克深 902 井钻井深度达 8028m，是世界上典型的高温、高压油气藏。
第 1 章我们介绍过，油气藏深埋在地下，储层岩石及流体具有弹性，在上覆沉积岩层的重压下处于高度压缩状态，聚集较大的弹性能量，一旦油气层找到通道与地面连通，例如钻井井眼、断层、裂缝等，能量就会释放，如果控制不好，就会造成重大的灾难。2010 年 4 月 20 日，BP 位于墨西哥湾的“深水地平线”钻井平台发生井喷爆炸着火事故，深水地平线平台沉入海底，大面积海域受到严重污染。2003 年 12 月23 日，轰动全国的重庆开县罗家 2 井重大井喷事故 65000 人被紧急疏散安置，这些事故就是因为深埋地下油气藏巨大的天然能量所致。
▲2010 年 4 月 20 日，墨西哥湾的“深水地平线”钻井平台井喷爆炸事故现场
▲重庆开县，罗家 2 井重大井喷事故现场
埋藏于地下的油气一旦找到流动的通道，有的就会势不可挡，喷出地面，好比液化罐中的天然气，一旦罐的阀门密封失效，罐中的气体将势如破竹，带着巨大的“嘶嘶”声喷薄而出。这些天然能量来自岩石和岩石中的流体（石油、天然气和地层水），一旦地层中的流体沿着通道源源不断地“涌”到地面，地层压力自然就会下降，地层压力的下降就会形成各种各样动力推动油气流向井底。
弹性驱动 / 压实驱动
岩石和液体的“胀”与“缩”，助力采掘。液体是可压缩的，是有弹性的，这一点大家都已经很熟悉了。其实，坚硬如铁板的岩石也是可压缩、有弹性的，因为岩石中有数也数不清、肉眼也看不见的孔孔，有的孔孔甚至与“细菌”大小差不多，不容置疑，地下油气藏是有弹性的。一个四周完全封闭的油气藏可以简单地看成是一个充满了气的皮球，如果我们在这个皮球上刺一个小孔，皮球上受压缩的气体就会喷出来。
▲“胀”与“缩”
当钻井工人从地面钻一口井到地下油层，地面压力低，但是油层是高压，地下地面就会有很大的压力差，在这个压力差的作用下，上覆地层就像挤海绵一样将石油从油层挤到油井，并通过井眼“飞”出地面。其实，这个“挤海绵”的过程，有两个推手。一是地层压力下降，液体自身体积膨胀，二是岩石进一步被压缩，充满液体的空隙逐渐减小。这一“胀”一“缩”共同作用，迫使地层原油最终 “飞”到地面，这种方式专业上称之为弹性驱动或压实驱动。
▲挤海绵
这种方式有时威力很大，破坏性很强，有时会导致地面下沉。例如，加利福尼亚州的长滩惠明顿油田开采造成了城市下降。
▲生产造成的地面沉降
这种方式采掘出来的原油产量一般较低，因为弹性能量是有限的。不过，如果采掘过程中地层压力下降对岩石中的孔孔大小影响很大，例如浅层油藏，这种方式就是一种非常重要的油藏能量来源方式。较为典型的是，在 Venezuelan 地区的一个油藏，靠这种方式采掘出的油量为总的采出油量的 50% 以上。这种方式主要发生在：油藏四周封闭、不与任何水域连通；没有任何流体、气体等外来物质注入油藏中去。简言之，油藏采掘过程完全依靠自身的天然能量，无任何能量补充，好似是一个完全独立的地下“储油库”。
▲油藏衰竭开采示意图 ( 油藏，无气顶，无连通水域 )
水压驱动（刚性水驱和弹性水驱）
天然水域，助力采掘。地下油藏并非都是四周封闭的，其实，很多油藏往往是与一个很开阔的水域相连通的。因此，与四周封闭的油藏不同，这类油藏采掘过程中，地层压力下降，与其连通水域（边水、底水）的水会“侵”入油藏，填补被采掘后的原油空间，阻止压力下降，专业上称之为水压驱动。很显然，这里的“水域”是天生的、自然的，是与相连通的油藏一起与生俱来的。
▲边水、底水油藏示意图
通常，依据与水连通的水体区域的大小，科学家们将水压驱动分为刚性水压驱动和弹性水压驱动。简而言之，刚性水压驱动就是从地层中采掘出多少原油，就会有多少水及时“侵”入油层，采掘出的油量与侵入油层的水的量基本相当，换言之，地层能量“亏空”与“补偿”基本平衡，地层压力基本保持不变，油井的产油能力比较强。“侵”入油层的水不稳定并且比从地层产出的原油少（或称为弹性水侵），这种情形难以保持地层压力不变，但因为或多或少有水“侵入”补偿一部分亏空，所以能减缓地层压力的下降速度，也是有利于原油的产出的。这种情形好比从水库里边抽水。
▲水库抽水示意图
有些情况下水域的存在并非是好事。例如，对于存在裂缝，尤其是存在大裂缝的油气藏，如果与其连通水域面积大、水体的能量很强，油气采掘过程中水会沿裂缝快速“突”进或“窜”进，导致油气井过早见水，甚至水淹，采掘出来的油气产量低。例如，菲律宾海上一个小的 Nido 油田就发生了这种情况，强烈的底水能量导致油井过早水淹，公司被迫关闭。我国四川威远震旦系气藏，由于强烈的底水作用和大裂缝的存在，气井过早见水、水淹，导致气藏全面停产并关闭。
那么，有没有办法在地层原油采掘时能够保持地层压力不下降或者说能够找到办法人工干预地层压力下降速度呢？答案是肯定的，后面我们会回答这个问题。
溶解气驱动——依靠气体膨胀的作用
“束缚”的天然气，助力采掘。从第 1 章大家已经知道了，地下原油与地层水最大的区别就是溶解了天然气，有时溶解的天然气量还很大，显然它们处于高度压缩的状态被“束缚”在原油之中。一旦石油工人钻井钻开油层，便形成油层—井底—井筒—地面的原油运动通道。当采掘原油过程中地层压力下降到某一压力值（称之为饱和压力）时，溶解在原油中的天然气就会挣脱束缚从原油中不断“逃逸”出来，成为一个一个独立的气泡，气泡逐渐膨胀将原油推向井底。显然，随采掘的进行，地层压力进一步降低，“逃逸”出来的一个一个独立、分散、自由流动的气泡变大、合并成连续流动的气体，体积逐渐增大、膨胀将原油“推”向井底，这种方式专业上称之为溶解气驱动。
▲溶解气驱油藏示意图
其实，这种方式也是弹性驱动的一种，不过它的弹性能量主要是气泡的膨胀，而不是液体和岩石的膨胀。因此，这种方式采掘过程中，压力下降很快，采掘出的原油量降得也快，特别是当“逃逸”出的气体进入井底后，气把油“排挤”到了一边，原油就几乎产不出来了，采掘出来的就基本上是气体了。
气顶膨胀驱动——顶部气体膨胀作用
油层的“帽子”，助力采掘。有的油藏在油层的上方或顶部还有一个气层，就好像油层顶部戴了一顶“帽子”，“帽子”中的天然气处于高度压缩状态，原油采掘时，地层压力下降，它们会膨胀成为“推”动原油运动到井底的动力，这种方式称为气顶膨胀驱，也叫气压驱动。
▲气顶驱油藏示意图
▲重力驱动油藏及生产特征示意图
这种方式采掘过程中，地层压力和采掘出的原油量下降很快，很有趣的是，当地层中膨胀的天然气到达井底后，气把油“排挤”到了一边，油井就基本上只产气，几乎采不出油了。因此，对于这类油藏，石油工程师们绞尽脑汁想办法，先采掘油藏中的油，让气层中的天然气“均匀”膨胀推动油到井底，待将油“吃干榨尽”之后再来采掘帽子中的气。
这种方式采掘出的原油可以达到整个油藏地质储量的 20%～30%，一般高于溶解气驱动方式。
重力驱动——依靠原油自身重量作用
油层自身的重力，助力采掘。大家都知道，地球上任何物体都有重力，地下油、气也不例外。依靠油层中原油本身重力作用将油推入井中，称之为重力驱动。什么情况下重力“驱”油效果最好呢？通常，当油层渗透性较好、油层较厚、油层倾斜且较陡时（倾角至少 15°），重力驱动是最有效的。重力作用有时威力还是很大的，通常采掘出来的原油量可以达到总的地质储量的 30%~60%，是非常可观的。
▲一次采油示意图
因此，石油工人们在油藏采掘的初期，通常依靠这五种天然能量中的一种或几种的共同作用采掘出地层中的部分原油，这种方式也习惯称之为“一次采油”。
显然，一次采油揭开了地下油气的神秘面纱，沉睡了数百万年甚至上亿年的油气依靠自身的天然能量摆脱各种束缚，沿着“井”这个通道“飞”到地面。可惜的是，这种方式由于没有任何外来的能量补充到油层中，因此，随着原油采掘的不断进行，地层不断亏空，压力不断降低，最终能采掘出来的原油不多。一般只能采掘出原始地质储量的 5%~20%。道理很简单，因为岩石、流体的弹性能量是有限的，这好比弹簧被压缩一样，开始弹力很强，随着弹簧体积扩展，弹力越来越弱，最终失去弹力。正因为如此，科学家们给这种方式又取了一个名字，叫“衰竭”开采方式。
我们下期再见
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图文来源 | 《油气简史》
编辑 | 赵德平责编 | 王思翔
审核 | 刘仲铭