油燃而声 第32期 | 多相渗透及从气水微观“渗流”看“气藏”开采为什么“怕”水
张烈辉 | 《油气简史》
（第二版 富媒体)
油燃而声 第32期
多相“渗流” ——地下流体流动复杂、奇妙之源
复杂的多相流动
通常，地下油气藏中是两相或两相以上的流体同时参与流动，人们习惯称之为“多相流动”。因此，油气藏中就有了很多流动形式，“油—水两相流动”“油—气两相流动”“气—水两相流动”以及“油—气—水三相流动”。
不过，“气—水两相”的流动与“油—水两相”的流动差异很大，大家可以想想这是为什么呢？
显然，多相流动世界远比单独一相流体的流动世界更精彩，当然，也远比我们的想象更复杂。
为什么多相流体在一起运动时就变得更复杂了呢？
在第一章中介绍了，岩石孔道中多种流体参与流动时会有一个神秘的“力”，也就是表面张力（或界面张力），因为它在不同大小的孔道中产生了大大小小的毛细管压力。显然，“力”不同，这些不同大小孔道中的流体流动也千差万别。与此同时，地下岩石也很“神秘”，对不同的流体会有“亲疏”“爱恨”之分，或者说岩石对不同流体的“亲热”程度不同，也就是我们所说的不同流体的润湿性不同，这也使得孔道中的流体流动更加复杂、奇特。
例如，油水两相一起在孔道中运动时，在曲曲折折、大小不同的孔道中的驱替动力和所产生的毛细管压力各不相同，并不像人们所想象的那样，外界施加的驱动压力差一定，各个孔道内的流体运动的动力都应该相同，这与仅仅只有一相流体的流动是明显不同的。其实，多相流体流动时，毛细管压力可以是流体流动的力，也可以是流体流动的阻力。动力或阻力取决于什么呢？关键的因素就是岩石的润湿性，或者说岩石究竟是“亲水憎油”还是“亲油憎水”，说得更形象一点就是，岩石与哪一个更亲热一些，就更容易与哪一个粘附在一起。
大家已知，岩石孔道半径的大小直接影响毛细管压力的大小，那么在大小不同、千差万别的孔道中所产生的流动动力或流动阻力也必然不同而且差异很大，这就会导致不同孔道中的流体流动非常复杂，同时会发生很多奇特的流动现象。
目前为止，科学家们在实验中发现了贾敏效应、赫恩斯阶跃、卡断、绕流、指进等流动现象，这些现象在不同的多相流体流动中表现也不相同，这让人们看到了地下油气水流动的复杂性，也给多相流体的流动添加了神秘的色彩。
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贾敏效应，赫恩斯阶跃，卡断，绕流，指进
从气水微观“渗流”看“气藏”开采
为什么“怕”水
一个普遍的共识是：一个不与任何水域相连通的天然气藏，所蕴藏的天然气采出量会很高，有时甚至超出人们的想象，可以达到 90% 以上，也就是说这类气藏中 90% 以上的天然气可以开采到地面供人类使用。但是，大多数情况下，勘探发现天然气藏与地下水域是连通的，有时水域的面积还很大，能量也很充足，这种气藏的天然气采出程度较低，一般只能采出 30%~50% 的储量，有的甚至更低，大量的天然气被滞留在地层中了，十分可惜。因此，在天然气开采过程中人们常常谈“水”色变，气藏开发最怕水，水成了“水患”，由此，天然气开采中治水防水成了躲不开的话题，那么是什么原因造成了天然气采掘过程中的“水患”呢？按照“人造油气藏”的办法，科学家们在实验室建立了“毛细管网络模型”和“岩石物理模型”等来探索地下气水两相运动的奥秘。“岩石物理模型”和“毛细管网络模型”分别属于目前广泛应用的三大类人造油气藏模型中的“天然岩心模型”和“微观可视化渗流物理模型”。
通常有四种类型：绕流形成封闭气、卡断形成封闭气、孔隙盲端形成封闭气和“H”形的孔道形成封闭气。简单来说，“封闭气”就是指地层中的天然气被水给包围起来，形成了一个又一个互相孤立的“天然气包”。
此外，科学家们还发现，天然气藏中若存在裂缝或裂缝网络，水将沿高渗透的裂缝发生“水窜”现象，这种现象也是形成“封闭气”的主要原因。
针对地层中“封闭气”形成的各种情况，科学家们对症下药，提出了解放“封闭气”、提高天然气藏中天然气采掘量的两种方法：一是降低井底的压力，使气体能充分膨胀；二是提高地层中的流体流动动力，即驱动压力差。
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利用岩石物理模型，科学家们还做了“水”置换“气”或“水”驱替“气”的实验。他们发现：水在不同大小的毛细管通道中，具有不同的运动速度，也会形成像手指形状一样的水相驱动前缘。换句话说，只要地下岩石孔隙大小和分布不均、渗透能力不同，气水两相运动就会出现“指进”现象，导致水沿着高渗透区域运动从而形成封闭气。同样地，地下岩石系统存在裂缝或裂缝网络时，水会快速进入纵横交错的裂缝并将岩块中的天然气“封闭”起来而形成“封闭”气。
在“水”置换“气”或“水”驱替“气”的过程中，当水到达裂缝时，水将改变运动方向，沿着阻力较小的裂缝运动。同时，在裂缝的另一侧，出现进入裂缝中的水“浸入”岩块的现象，在石油工程中称为“渗吸”现象。也就是岩块将裂缝中的水吸入岩块里边的过程，此过程置换出了岩块中的“气”。
日常生活中的渗吸现象非常普遍，例如，将腊肉做成各种菜肴之前，一般先放在水中浸泡一段时间，目的是减少腊肉的咸味，让腊肉变淡一点，实际上本质就是水进入腊肉中置换出了里边的盐，这就是水的“渗吸”现象。
结合气藏生产实际和人造模型，科学家们发现，不管是以孔隙为主还是以裂缝为主的天然气储层，无论储层存在底水还是边水，只要储层被钻开，形成井眼与储层的连通，在储层边界和井底之间就建立了“气水两相”流动压力差，则水的侵入就是不可避免的，气井出水迟早都会出现，影响气井的正常生产和产量。特别是在有裂缝发育的储层中，一旦底水或边水进入储层，水将沿着裂缝快速水窜而将大片低渗透储层中的天然气封闭起来。对于孔隙度低、渗透性很差的裂缝性储层，这一现象更加明显，问题更加严重。
此外，由于储集天然气的地下岩石孔隙还具有非均质性，“气水两相”运动在微观上会表现出较明显的“指进现象”，在宏观上则反映为像“舌头”一样的运动轨迹，科学家们将这一有趣的现象取名为“舌进现象”。
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图文来源 | 《油气简史》
绘图 | 侯雪梅
编辑 | 张心怡
责编 | 石娇杨
审核 | 刘仲铭