油燃而声 第32期 | 从油水微观“渗流”看油藏开采及地下流体“渗流”遵循的最基本规律

张烈辉 | 《油气简史》

（第二版 富媒体)

油燃而声 第33期

在天然气开采过程中，人们常常谈“水”色变，可是在原油开采过程中，人们却又不得不从地面把水“灌”到地层中，用水“置换”地层中的原油，从而将原油采掘到地面。为什么会有如此天壤之别呢？这里先做一些简单探讨，具体情况将在后边详细介绍。 

在油田开发实践中发现，有的“灌”水效果好，采掘出的原油多；有的“灌”水效果差，采掘出的原油少，因此，“灌”水也涉及怎么“灌”的问题。

针对这些问题，科学家们同样采用人造油藏的办法，在实验室研制了各种各样的物理模型，模拟地下原油的流动和采出过程，进而探寻“油水两相”运动的奥秘。这里我们仅就经典的“平面径向渗流物理模型”及其实验做介绍，它属于目前广泛应用的三大类人造油气藏模型中的“微观可视化渗流物理模型”。

平面径向渗流物理模型

平面径向渗流物理模型制作较为简单，首先是模型本体的制作，可以是天然岩石，也可以是预先处理干净的沙子（可以是与地层岩石颗粒性质相近的沙子，也可采用地下取心粉碎洗净后的砂粒）压实而成；然后，将模型充满油（油中加入甲基蓝染成蓝色）；最后，灌注水（常用蒸馏水，水中加甲基红染成红色）。

亲水憎油，砂粒与水更亲热  

制作好了人工物理模型，接下来就开始灌“水”置换“油”或“水”驱“油”系列实验。科学家们发现，由于模型中充填的砂粒是“亲水憎油”的，或者说砂粒与水更亲热，水相总是黏附在砂粒表面上。在灌水置换原油的过程中，水相总是沿着孔隙表面流动，油相总是在水相中间流动，在孔隙中总是可以观察到“水包油” 的现象以及水置换油结束后的“油—水”分布（图中蓝色是油，红色是水，黄色颗粒是砂粒 )。 

这里我们提出一个问题，如果模型中充填的砂粒是“亲油憎水”的，会是什么现象呢？结果会一样吗？

剩余油 

科学家们观察到，在“亲水憎油”的砂粒孔隙中灌注的水，总是优先沿着岩石表面进入较小的孔道并很快充满其孔隙空间，将其孔隙内的原油缓慢置换出来。在相对较大的孔隙中，油水运动出现两种现象：一种情况与小孔隙中的水置换原油一样，水相进入将其孔隙内的原油逐渐置换出来；另一种情况是颗粒表面在黏附较厚的水膜后，水相完全沿着这些水膜向前推进而进入下一个孔隙，同时将孔 隙中心部位中的原油“滞留”下来，这些“滞留”下来的油，科学家们取名为“剩余油”。

微观与宏观的指进现象 

科学家们还发现，在灌水置换原油的过程中，总是存在水相的“指进”现象（也称微观指进现象）—— 水总是沿着阻力最小的运动通道进入充满油的孔隙空间。不过，这是人造小模型中的实验结果，大家可以想象，对于整个油田“灌”水置换油而言，会是什么结果呢？与人造小模型类似，油层中水相总是沿着阻力最小的运动通道到达生产井，将油层中未波及区域中的大部分油“包围”起来形成“剩余油”，这种现象称之为“宏观指进现象”。

指进形成剩余油 

无论是“宏观指进”还是“微观指进”，均是“灌水置换油”过程中普遍存在的渗流现象，与“气水两相”运动产生指进的原因一样，也是由于储层岩石的孔隙大小和分布不同，以及储层岩石的非均质性造成的，最终结果都是将储层中的原油成片成片地“滞留”于岩石孔隙中而形成剩余油，从而导致水置换油的效率偏低。 

油田开发实践表明，从整个油田的角度看，油田经历一次、二次采油之后，仍然会有 70% 左右的原油滞留地下。 

在“平面径向渗流物理模型”实验中还发现，当模型的出口端见水后，沿着突破渗流通道流动的水，几乎不再波及其他区域，灌水置换原油的驱油效率几乎不再提高。由此可以类推，对于整个油田开采而言，水突破到产油井后，水置换油的驱油效率也不会再提高了，其实这早已被现场生产所证实。 

需要指出的是，人造气藏和人造油藏物理模型实验均表明：地层中“气—水”运动和“油—水”运动各有各的特点和不同。前面介绍的人造模型实验结果，只是多相流体运动共性的一面（有兴趣的读者可以参考相关专业书籍）。管中窥豹可见一斑，地下油气渗流世界的无穷奥妙，迫使石油科技工作者绞尽脑汁，探索规律，指导实践。要想从地下开采出更多的天然气和原油，需要并且也用到了“十八般武艺”。

地下流体“渗流”遵循的最基本规律 

 —— 达西渗流

达西（H. Darcy）是一名法国工程师。他与油气渗流有何渊源呢？为什么谈油气渗流一定要说到达西呢？故事可以追溯到 1856 年，达西在研究法国城市供水问题时，利用水通过净化过滤器的流动实验发现了一个奥秘，也就是水在多孔介质中流动时，沿流动方向流过的水量大小与单位路径长度上的压力变化（也称为压力梯度）成正比关系。后来，人们为了纪念他，将这个发现命名为达西渗流或达西定律。迄今为止，可以说这个发现一直是流体在多孔介质中流动遵循的基本定律，也可以说是渗流力学的基本定律。 

由于通过多孔介质的流量与压力梯度成一次方的关系，因此，人们又给达西定律取了另一个名字——线性渗流定律。更通俗地来说，如果把流量与压力梯度这两个变量分别作为纵坐标与横坐标，其图像是平面上的一条直线。

多孔岩石中单相流体的达西定律可简单地表达为：

式中，q 为通过多孔岩石的流体的流量，cm3 /s；K 为渗透率，D；A 为流体通过的截面积，cm2 ；μ为流体的黏度，mPa·s；Δp 为多孔岩石两端的压力差，atm；L 为流体通过岩石的距离，cm。 

从达西定律表达式可以明显地看出，通过多孔岩石中的流体的流量与岩石的渗透率及流入流出该岩石截面的压力差成正比，与流体的黏度和通过的距离成反比。我们可以打一个比方来进一步说明达西定律的物理意义。设想居住在地下油气藏岩石中的油、气，如果我们用相同的压力差来驱赶它们，显然孔越多，孔越大，孔之间相互连通得越好，油、气运动起来越通畅（渗透性好），油、气越容易被驱赶出来；反之，孔少，孔小，孔之间相互连通差（渗透性差），油、气就很难被驱赶出来，除非增加驱赶油气的压力差，或者人工改造（例如压裂、酸化等）油、气的天然运动通道，使原来“村村不通路”变得互连互通，将小道改造为大道，将大道改造为高速公路，使油、气的运动变得通畅， 从而被驱赶出来。很容易理解，同样的地下“库”，同样的“黑匣子”，里边装气比装油更容易驱赶出来，因为与油相比，气黏度低，流动阻力小，更容易流动。里边如果装的是稀油，就比装稠油更容易驱赶出来。

回顾达西实验，不难发现，达西在实验中用的是水，水沿某一个方向流动，100% 充满多孔介质，这种流动是稳定的。因此，达西定律是研究地下水在岩土孔隙中渗透时获得的水在岩土孔隙中的渗流规律。如果将它全面推广到不同多孔介质中是有局限的，因为地下油气藏中可能是“油—水”两相，也可能是“油—气—水” 三相一起参与流动，并且流动是在真实的三维空间中。因此，达西定律虽然简单，但是它不是万能的。科学家们发现，要用它描述流体在地下油气藏孔道中的流动，有几个条件是不可少的。

一是流体必须是牛顿流体，即流体流动过程中黏度不变化的流体。相反，不满足这一情况的流体，如塑性流体、假塑性流体、膨胀性流体，统称为非牛顿流体。地下天然气、轻质原油等黏度较 小的流体都是牛顿流体。 

二是流体的流动是层流运动，即流动是有序的，好似一层一层排着，互不掺混，像“整齐的队伍一样”前进。相反，不满足这一情况的流体流动是“杂乱无章”的，称为紊流。多孔介质中的油气 流动，主要以考虑层流为主。 

三是流体不与孔道岩石发生任何化学反应，因为一旦发生反应孔隙大小和形状就改变了，流动的通道大小也自然就发生变化了。 

四是流动通道的渗透能力不随流动环境压力、温度的改变而改变。 

五是气体在孔道中参与流动时，不考虑气体分子与孔道壁的碰撞 （即滑脱效应）。 

因此，达西定律不仅解决了当时城市供水的问题，更为重要的是在“一定条件下”也可以很好地用于描述三维空间和多相同时参与流动的情况，其中对每一相流体（油、气或水）在每一个流动方向上的流动仍然适用于达西定律。于是，在达西定律的基础上科学家们建立了一门新的学科——渗流力学；在石油工程上也有一个分支——油气渗流力学，从而实现了油气“渗流场”的定量描述。

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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