油燃而声 第30期 | 地下油气水的“渗流”及过程中的“七十二变”
张烈辉 | 《油气简史》
（第二版 富媒体)
油燃而声 第30期
生活中无处不在的“压差”
首先，让我们看看生活中的“流汗出血”现象。
当你参加长跑、打篮球或踢足球等体育运动时，身体会出汗，而且汗水的多少与运动剧烈程度有关。你知道汗水是怎样从体内经过皮肤渗透出来的吗？
在日常生活中，比如削苹果时不小心伤了手指，鲜血顿时从手指内流出来，而且，当伤口越深越大，血就流得越猛越多，这又是为什么呢？
这是因为人体是由骨骼和机体组织组成的。机体组织也就是我们通常所说的肉体，其中除了有机质外，还有水分（所占的比例相当高）和大大小小、密密麻麻的毛细血管（简称毛细管）。当心脏搏动时，毛细血管内会产生微小的压差，促进毛细血管中的血液循环，从而输送营养、传递能量，促进人体的新陈代谢。也正是这个压差，使人在运动或受伤时，促使汗水或血液沿着毛细血管或伤口流出来。
与此类似，油气水在地下岩石孔隙中也存在压差，由于埋藏较深，压差通常很大；同时，当钻井钻开地层后，井底和周围地层还会产生新的压差。在压差的作用下（当然还有温度等其他诸多因素），地层中的石油、天然气和水就像人体流汗出血一样流向井底，然后再从井底流到地面。
SP
生活中油气藏开采的基石——地下油气的“渗流”
让我们再看看生活中的一些其他“流动”现象。给花盆中的植物浇水，水会从土壤表面渗透到土壤内部，部分可穿过土壤到达花盆底部；自然界中雨水通过土壤流动、河水透过砂层流动、水分在植物内部流动，人体中血液在毛细血管中流动等，均是常见的流体流动现象。
实际上，油气水在地下岩层孔隙中的流动也是自然界中一种常见的流动现象，但因其流动空间或流动环境更加复杂，看不见，摸不着，石油工程上将石油、天然气、煤层气、页岩油气及非烃类气体N2、CO2等在地下岩石的孔、洞、缝中的流动过程称之为“渗流”——河道水流、管内流动、大气流动等都属于流体的流动，但是与渗流有很大不同。
大家在第 1 章中已经了解，岩石中的渗流孔道截面积极小，一般为 10-8～10-4cm2 （一个图钉尖的面积大约是 10-4cm2 ），且形状弯弯曲曲，极不规则，所以这种环境下，岩石孔中的流体与岩石骨架之间存在巨大的接触面积，因此，它的流动阻力很大很大，流动速度很小很小。以地下水为例，一般在孔隙中水的流速是一天几厘米到几十厘米（在裂隙中水的流速稍大一些，一天是几十厘米到几米），一个形象的比喻就是如同蜗牛散步。
大家知道，一切物体运动的快慢都是用“速度”来表示的，例如，飞机、火车、轮船、汽车行驶、人走路的快慢等。与此类似，江河中水的流动及自来水在管道中的流动快慢通常用“流动速度”来表示。那么，地下油、气、水的流动快慢用什么来表示呢？
油、气、水在地下岩石中流经弯弯曲曲的孔隙、 裂缝、溶洞，完全不同于江河中水的流动，也不同于自来水在管道中的流动，其流动的复杂程度难以想象。科学家们通过长期的探索和研究，提出用“渗流速度”来描述地下流体流动得快与慢。不言而喻，这个“速度”受到很多因素的影响，例如：流体自身的性质、岩石性质、流体与岩石相互作用以及流动环境等。
油、气、水在地下岩石孔隙（多孔介质）中的流动十分复杂：一方面体现在油气水自身的性质，与温度、压力、组分组成、赋存状态等有关；另一方面，油气水流动空间具有多尺度性，从病毒大小的分子尺度（纳米级）—孔隙尺度（微米级）—岩心尺度（厘米级）—宏观尺度（米级）至缝洞尺度（上百米级）都可能存在流动。大多数情况下，油、气、水流动的孔隙空间小、流动通道狭窄、 曲曲折折、形状不一、大小各异；此外，处于地下几百米、几千米甚至上万米的岩石孔隙中的油、气、水还具有高温、高压等特性，这就使得油、气、水在地下岩石孔隙中的流动既充满了神秘色彩，又魅力无穷，吸引了无数科技工作者为之不懈努力而一探究竟。
知识小讲堂
地下油气水“渗流”过程中的“七十二变”
物理化学知识告诉我们，在日常生活和自然界中，存在着许许多多气体、液体和固体形态相互转化的现象，即所谓的“相变”——物体状态的变化（也称“相态变化”或“物态变化”）。比如，冬天河水结冰，水从液体变成了固体；湿衣服晾干，水由液体挥发成了气体；干冰（固体 CO2）挥发，固体的冰变成了气体， 因而有了云雾缭绕的舞台等。
那么，储存在地下的石油、天然气在压力、温度等条件变化及采掘、生产过程中，会发生类似的相变吗？答案是肯定的。例如，液化天然气（LNG）就是天然气从气体变成了液体。再试想，液态石油从地层中采掘（抽）到地面时，会发生哪些相变呢？
大家已知，一旦油气藏采掘开始，地层压力会下降，从而导致石油当中的较轻组分（天然气等）“逃逸”出来，由原来的“液体状态” 转变为“气体状态”。更奇妙的是，有些气藏在采掘过程中会有液态油从气体中“凝析”出来，即存在温度压力降低时气体变成液体的反常现象（凝析气藏开发的典型特征）。此外，天然气水合物（俗称可燃冰，也许是不久的将来最有效的替代能源之一），它在冰川冻土中或海床上以“固体状态”存在，但采掘到地面后会分解成水和天然气……实际上，所有这些油气“状态变化”都源于温度、压力等条件改变，导致原来处于气态、液态或固态的油气相态（包括其化合物组成）发生了改变。
事实上，在数千米深的地下，储集石油天然气的地下岩层中还赋存高矿化度的地层水（即高含盐量的地层水）——就其储存状态或条件而言，越往地下深处温度越高，静水柱压力越大，因此与地面常温常压条件下相比，地下的油、气、水都处于高温高压状态。目前发现的地下油气矿场温度最高已超过 200℃、压力最高已超过150MPa，导致了石油和天然气的密度、黏度等流体基本性质与在地面完全不同。
因此，把石油天然气从地下采掘到地面是一个非常复杂的过程。当它们艰难地在曲曲折折、形状多变的狭小通道中行进，然后一点一滴形成涓涓细流汇聚到井底，再从井底抽到地面——实际上伴随着“身材”不断地、反复地发生变化——科学家们给这个变化取了一个很美的名字：相变（或相态变化）。
一般而言，沉睡在地下的油气藏在被开采之前，它的温度压力不会发生变化，油气藏中的相与相之间亲密接触，但却互不影响，互不干涉，也就是说各个相的体积、各个相中的组分和组成等是不变化的（称之为相平衡）。例如，一个顶部有气层的油藏，在开采油气之前，顶部气层中的气相与底部的油相之间虽有“肌肤之亲”，但相互保持克制，不越雷池一步，它们之间的界面始终不会移动，各自的体积、组分和组成不会发生变化。可是，一旦投入采掘时，温度、压力就会变化，它们之间也开始相互影响，它们之间的界面也不再宁静而是发生移动——原本处于沉睡状态的油气藏打破了安宁而活跃起来，这就是油气藏中相与相之间从平衡状态到非平衡状态的过程——在石油工程中称之为相变过程。
在日常生活中经常会遇到相平衡和相态变化的现象。比如，煮饭时的水（液相）变成蒸汽（气相）以及水蒸气（气相）在锅盖上变成水滴（液相）的现象；在中学时学过的瓦特蒸汽机原理也是相态变化的典型例子，即在压力一定时，改变温度使液相向气相转变。压力改变也会引起相平衡发生改变。如利用高压锅煮饭时，因为压力阀限制了蒸汽排出（需要更高的蒸气压才能突破气阀），蒸气压提高，实际上相应提高了水的沸点温度（高于 100℃），这就是为什么高压锅煮饭更快的原因。由于压力、温度和体积直接影响相平衡。因此，人们提出用相图来描述压力—温度—体积三者之间的关系，它是一个三维立体图，图中的任意一个点对应一个温度、一个压力和一个体积，这种方式比较复杂，不易理解，因此，油气藏中油气相态的改变通常用压力—温度二维投影图来表达，或称p —T 相图，简称相图。最简单的相图就是单一组分的p — T 相图，形状很简单。从相图可一目了然看出，不同的温度、压力范围，水是“液体”、是“蒸汽”还是“冰”，乙烷是“气体”还是“液体”。
油气采掘过程中，地下深处的地层温度通常变化很小。因此，纯组分或单一组分的泡点压力和露点压力是完全相等的。但是，大家知道，石油和天然气实际上是由很多烃类物质的混合物组成的，在压力温度一定时，它的相态是由油气所含有的组分和每一种组分的性质所决定。所含组分组成不同，相态就不同。因此，不同油气藏中的流体，有各不相同的相图，与单一纯组分的水或乙烷的相图相比，多组分烃类体系（石油、天然气）的 p—T 相图要复杂得多，从它的形状上看很有特点，非常明显的就是一个形状似反写的 “U”形包络线，明显不同于单一组分的烃类相图。多组分烃类体系（石油、天然气） p—T 相图的功能很强大，通过它的“轮廓”，就可以判断我们发现的油气藏是什么类型，是油藏，还是气藏，是干气藏、湿气藏还是凝析气藏，是轻质油藏还是重质油藏。
由此可见，在油气采掘过程中，随着地下深处流体的采出，岩层中流体的压力会持续降低。当地层压力下降到“两条线”—— 泡点线 a—Cp—C 和露点线C—CT—b 以下时，地层流体便会不由自主地发生相态变化，此时，天然气中会“析”出液体，原油中溶解的天然气会 “逃逸”出来形成气体（在某些条件下还有可能有胶质沥青质或者石蜡等固态物质析出来），地层中原来的单相（气相或液相）流动会变为“气—液”两相或“气—液—固”三相流动；如果有地层水参与流动，因水、油不混溶（石油工程中称为“液—液双相”），还可能会出现“气—液—液—固”四相流动的情况；此外，不难想象，随着相态变化，每一相的比例也会不断发生变化……真可谓孙大圣“七十二变”。因此，人们常说“上天容易下地难”——难就难在地下油气采掘过程中的“七十二变”。
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我们下期再见！
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图文来源 | 《油气简史》
绘图 | 侯雪梅
编辑 | 张奉圩
责编 | 王雨婷
审核 | 刘仲铭