油燃而声 第31期 | 窥探地下油气微观“渗流”的奥秘及单相“渗流”
张烈辉 | 《油气简史》
（第二版 富媒体)
油燃而声 第31期
“人造油气藏” —— 窥探地下油气
微观“渗流”的奥秘
人造油气藏
已发现的油气藏，有的很大很大，面积几百平方千米以上，有的很小很小，不足1km2 。油气水在地下数百米、数千米甚至上万米的油气藏岩石孔隙中流动，人们不可能钻到地下去观察它们的流动状况。为此，科学家们想出了一个可行的办法，就是在实验室人工制作物理模型来模拟或仿真地下油气藏——这些人工制作的物理模型与地下油气水流动环境非常相似，包括了地下油气水分布的孔隙空间，也包括了岩石颗粒所占据的空间，具有非常真实的多孔介质环境——简称“人造油气藏”。
显然，“人造油气藏”不可能有实际油气藏那么大，一般是油气藏或油气藏某一局部的缩小，其大小规模可为几十米、几米、几厘米、几毫米、几微米甚至纳米级尺度，不同尺度的人造模型有不同的模拟目的。基于这些“人造油气藏”，科学家们再利用相应的实验设备和先进的检测手段就可以观察到多孔介质中油、气、水的流动现象，最终通过实验测试获得的数据就可以分析流体的运动特点和流动规律。
目前，广泛应用的“人造油气藏物理模型”有三大类：天然岩心模型、平板模型（或称人工填砂模型）及微观可视化渗流物理模型（或称激光刻蚀模型）。
所谓天然岩心模型，实际上就是把地下几千米深（例如 6km 深）的岩石通过钻井取出地面后，再用小型空心钻具取长10cm、直径 2.54cm 的柱塞岩样。然后把柱塞岩样放入特殊的岩心夹持器，使岩样两端及圆柱外面承受该样品在它原来地下位置处承受的压力，同时岩心夹持器被放入高温烘箱，使岩心除所承受的压力和它在地下的状态相同外，也使它所承受的温度和它的原始状态相同。由此，当实验人员向岩心注入它处于原始位置原始条件下的油、水以后，就可以用来模拟地下油气藏中油、气或水的流动了。
事实上，即使是相对于整个油气藏来讲，一个柱塞样品像大海中的一粟一样微小，但油、气、水在柱塞岩样中的流动在微观上也是非常复杂的。
上面右图是用 CT 扫描柱塞岩样后获得的孔隙分布图像，红色的色度越高代表孔隙度越高，蓝色和白色均代表无孔隙。借助 CT 扫描成像了解孔隙分布与医生为了了解人体的健康情况，利用 CT 扫描成像诊断分析人体的健康状况是一个原理。柱塞岩样 CT 扫描实际上就相当于人体的 CT 扫描。从上面右图可以看出，即使是柱塞岩样，其相互连通的孔隙空间分布看上去也是随机而复杂的，孔隙的直径变化 幅度也是相当大。在流动的方向上，即使是彼此连通的孔隙的直径大小变化也是很大的。这些连通孔隙在进一步放大以后，还可能有很多黏土物质切割它们，使其变得更加复杂，孔隙直径已经小到几微米了，有的孔隙直径甚至远远小于 1μm，而我们人的一根头发丝直径为 40~50μm。
平板模型02
前面所指的“人造油气藏”中柱塞样品中油气的流动，由于油、气或水是从岩心的一个端面进去，然后在压力作用下从另外一端出来，从宏观上看是一维流动，即“表观一维流动”。这与自来水在管道中的流动类似，沿着一个方向，一维流动。事实上，从微观的角度来看，岩样中的油、气水的流动并不是沿一个直线方向流动的，流动的路径是复杂多变的，也是多个方向的。因此，为了进一步体现比柱塞岩样里边的“表观一维流动”更宏观一点的流动，往往也采用“二维平板模型”观察和仿真油气藏中的平面二维流动，来代表地下几千米深油气藏中二维流动情况。这种尺寸的二维流动可以做到几米的长宽和几十厘米高，显然，其流动情况比柱塞岩样（长10cm、直径 2.54cm）的流动更加复杂、更加接近实际流动情况。
上面彩色图像为平板二维“人造油藏”的聚合物水驱油实验，注入井在图的左下角，采油井在图右上角。图中红色越深代表油越多，越聚集，颜色越偏蓝色代表水越多。可以看出，在较大尺寸范围内的流动比柱塞岩样里边的非均质性更强，更能够体现较大尺度下的油、气、水流动特点。
03微观可视化渗流物理模型不言而喻，上面所指的微观层面的孔隙无论在尺寸上和结构上都非常复杂，超乎了人们的想象，因此，石油人一方面想知道宏观上的流动情况，另一方面又希望能够非常直观了解油、气、水在这些复杂的微观孔道中的流动情况，因此又设计了可视化微观实验物理模拟模型来观察油气藏中油、气、水的微观流动。
单相“渗流”——最简单的
地下流体运动形式
地下油气藏中最简单的流动方式，就是岩石的孔隙中仅有一相流体流动，即所谓的“单相流动”，就像生活中自来水管道中只有水的流动或家用燃气管道中只有天然气的流动一样。不过，油气藏中只有一相流体的流动情况是很少的，也是几乎不存在的，因为在地下油气藏中或多或少都会有原始的地层水存在。地下水的流动大家都比较熟悉。地下水在多孔介质中流动时受到多种力的作用，最主要的是相邻水分子层之间的黏滞力、压力差以及水分子与孔隙表面岩石颗粒之间的摩擦力等。石油或天然气在地下油气藏中呈单相流动时所受到的作用力与地下水流动时基本相同。
一般而言，石油、天然气或地下水在岩石孔隙中的流动主要与岩石的孔隙结构、流体性质和流动压差有关。当外部施与的动力（或压差）与流动方向相同时，对于同一种流体，孔道半径越大，流体在其中流动的速度越快；对于同一个孔隙，流体黏度越小，流体流动性越好，相应地流动速度越快。同样地，对于同一种孔隙，流体黏度相同，当外部施与的动力越大，即流动压差越大，流动速度越快。
石油、天然气以单相形式在多孔介质中的流动，好比血液在血管中的流动，大孔道类似人体的大动脉，小孔道类似人体的毛细血管。
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图文来源 | 《油气简史》
绘图 | 侯雪梅
编辑 | 缪游佳
责编 | 王思翔
审核 | 刘仲铭