油燃而声 第34期 | 非达西渗流以及岩石与流体碰撞之“火花渗流”
张烈辉 | 《油气简史》
（第二版 富媒体)
油燃而声 第34期
非达西渗流 —— 地下流体渗流复杂而奇妙之源
在实际的油气采掘中，储层岩石中流体的流动一般都会偏离达西的线性规律，也就是说，不会完全遵循达西渗流定律。科学家们把所有不遵循达西定律渗流的情形，统称为非达西渗流。简而言之，流体通过地下多孔介质中时的流量和压力梯度之间的关系偏离线性的流动，都可视为非达西流动或非线性流动。
通常，油气藏中的流体以非牛顿流体形态流动，流速较低或较高，孔隙空间、渗透性发生变化，岩石形状发生改变，油气藏温度发生变化等都会导致非达西渗流的情况发生。同样地，当地下流体在地层“高速公路”中快速流动，或者在产量很大的井附近区域流动时，由于流速较大，会引起流量与压力梯度之间线性关系遭到破坏，科学家们称这种流动为“高速非达西渗流”。比如，把池塘中的水放掉时，水在漏水口的上边会形成一个漩涡，这就是典型的高速非达西流动。
事实上，油气藏开采过程中逐渐形成的优势渗流通道，大的地下溶洞或暗河，天然裂缝，人工压裂、酸压形成的裂缝等均算得上是“高速公路”通道。由于水力裂缝和储层之间渗透率差距很大，高速非达西渗流往往发生在邻近井的裂缝中。
与“高速非达西渗流”相反，在致密储层（像磨刀石）中往往由于流动通道狭窄曲折，与“高速公路”相比，这些通道只能算得上是“村道”，甚至是荆棘丛生的“小径”，因此，里边流体的流动多表现为流动十分缓慢，同时引起的流量与压力梯度之间线性关系也遭到破坏，这种情况称之为“低速非达西流动”。
岩石与流体碰撞之“火花” —— 多场耦合渗流
前面已经知道，地下油气藏中的流体（地层水、石油、天然气）与充满这些流体的岩石好似“孪生兄弟”，彼此形影不离。储层岩石含有孔隙，是骨架与孔隙的组合体。孔隙形状多种多样，孔隙大小变化范围很大，从纳米级（纳米级很小很小，也就是一个病毒的大小，大概是人的头发丝的六百分之一）到微米级、毫米级、厘米级，甚至米级（例如人工裂缝）。
为了开采地下油气资源，人们可能还会向地层中注入水、化学剂、蒸汽、空气、二氧化碳等物质，这样一来，就会导致沉睡孔隙中的油气与岩石之间的平衡被打破，孔隙中原有的流体与外来注入的流体在岩石中的流动变得不再简单，注入流体与原有流体之间、注入流体与岩石之间、原有流体与岩石之间甚至会发生反应，这些反应可能是物理反应，也可能是化学反应，也可能物理化学反应都存在。因此，岩石孔隙中新、老流体混合后的流动变得更加复杂，但也更加有趣——这就是近几十年来固体力学、渗流力学、物理化学等多学科相互交叉融合而形成的新兴交叉学科——多场耦合渗流。
为什么叫“多场耦合”呢？
正如大家知道的磁铁有磁场（磁力场）一样，地下油气藏中也存在着多种场。首先，在岩石的内部因为应力的作用，形成了一个“岩石应力场”；其次，孔隙中的流体也不甘示弱，其流体压力形成了一个“流体应力场”；再次，流体在岩石孔隙中很难是完全静止的，尤其是油气藏一旦投入开采后，流体流动也会产生一个“渗流场”；此外，油气藏中岩石及岩石孔隙中的流体一般处于高温环境，自然就会形成一个“温度场”，这个场的影响也是不可忽视的。当然，油气藏中还有其他场，如“电流场”“化学场”等。
由于这些“场”彼此之间不是孤立的，而是相互作用、相互影响、相互叠合，为此，科学家们时髦地称之为“多场耦合”，正所谓“藕断丝连”。
实际上，油气藏中的多场耦合非常复杂，要认识多场耦合对渗流的影响，进而弄清对油气开采的影响，非常困难。这里仅结合一些实际例子来进一步说明这个概念。
“多场耦合”中有一种现象就是“地面下沉”。
“因水而生，因水而美，因水而兴”的意大利北部名城威尼斯，享有“水上都市”的美誉——因为上帝将眼泪流在这里而成为魅力十足的“水城”。然而，遗憾的是，这个晶莹剔透并充满柔情的城市目前正面临着“消失”的命运，因为上帝的眼泪在慢慢干涸。上帝的眼泪去了哪里呢？原来罪魁祸首之一，是人们过度地抽取地下水和开采天然气等人为因素造成了“地面下沉”（“地面沉降”）。
“地面下沉”是石油工业中的一种常见现象。例如，北海挪威海域的 Ekofisk油田，由于工业开采引起海底沉降，导致平台安全也受到了威胁；加利福尼亚的Belridge 油田及其附近的油藏，由于工业开采发生的沉降已经导致了很多钻井（井场）事故的发生。
实际上，石油工业中的地面下沉（沉降）是由于工业开采时，地层水、石油、天然气等流体从岩石中流出来导致岩石孔隙空间“亏空”而压缩，即岩石体积“缩小”产生的，如岩层，一方面受到上面的岩石和流体形成的上覆岩石压力—— “压” 的作用，另一方面，受到岩层孔隙中流体产生的孔隙流体压力——“撑”的作用，这一“压”一“撑”，二者并不均衡，必然导致岩石形状改变甚至破坏：当流体从岩石中流出而又得不到及时补充时，岩层中流体的减少将使得孔隙流体压力降低——“撑”的作用减弱，岩层的孔隙空间将会被压缩——当压缩足够大时，就会表现出地面的下沉，严重时将会造成灾害。不过，不可否认的是，这样的“撑压”作用也有积极的一面，例如将岩层中的石油、天然气等“挤”出来。
就本质而言，这种“撑”“压”作用来源于“流体—岩石”之间“力”的较量，也就是应力场与渗流场的相互作用——耦合。
此外，在油气开采过程中，常常向岩层中注入流体、固体及其混合物等物质（例如：压裂、注水、注气、化学药剂等）。这时候，注入岩层孔隙流体的压力会随着注入流体的增加而增大，使得岩石孔隙空间增大，甚至会使得岩石张开而形成裂缝，类似于在岩层中修了一条“高速公路”——这条高速路搭建起了更多、更通畅的地下石油、天然气与地面的“通道”，这也是石油工程中人工压裂技术在岩层中应用的重要目的之一。
人工压裂后，向地层注入水，从而让水去置换出岩石中石油。当然，还可能会在注入的水中加入一些化学剂让油更容易被“洗”出来，这和用清洗剂清洗含油泥的马路是一样的道理——加入化学剂的水注入孔隙中后与地下原生的水混合，就会改变地下原生水的性质，改变岩石存在的环境，岩石与流体间的化学反应也在所难免，流体在岩石孔隙中的渗流通道也将会改变。
如果要开采稠油，由于流动性差，很难流动，人们往往还向储层岩石中注入高温蒸汽以降低稠油的黏度，使石油容易流动。这是因为，首先注入的蒸汽使得稠油变稀、变轻，像常规易于流动的石油；其次，温度作用使石油和岩石发生膨胀，也会不断地把油“挤”出来；最后，地层温度变化导致岩石的应力状态和岩石的孔隙形态、大小也发生了变化。
近年来备受关注的“致密油”岩层，像磨刀石一样，水都很难注进去，又怎么办呢？人们自然想到了用气体来代替水，即把气体注入致密油层孔隙中来置换油。
在石油工程中，有注二氧化碳的，也有注氮气、空气的。不过，不同气体置换“致密油”的效果是不一样的。
这里，我们重点介绍一下，这几年全球因气候变化而饱受争议的温室气体 CO 2（二氧化碳）如何在注气采油中变废为宝。前面介绍过，CO 2 的特点是易溶解于油中，使油膨胀，降低油的黏度，让油更容易流动，从而使油更易开采出来。
注 CO 2 采油可谓一举两得：首先，注 CO 2 有可能置换出更多的油；其次，当置换效果较差时，人们索性把 CO 2 封存在地层中，让它永不翻身，再也不能重见天日，这个做法又很好地解决了 CO 2 产生的温室效应问题。
发达国家目前对 CO 2 的综合利用范围广，主要集中在 CO 2 驱油、食品加工、精细化工、冶金和焊接、生物工程、制冷和消防等行业。全球的 CO 2 消费量主要集中在北美、欧州、亚太，占全球 90% 以上。美国消费量最大，70%～80%CO 2 用于驱油；加拿大主要以驱油埋存和 ECBM 为主，如 Weyburn 项目；挪威主要以 CO 2 埋存项目为主，如 Sleipner 项目；日本主要以工业应用为主，消费数量少。
除了注入 CO 2 ，还可以注入空气，空气是取之不尽用之不竭的，它廉价、便宜、成本低，而且含有氧，所以一旦被注入油层中将可能与地下石油发生氧化反应，甚至导致地下石油自燃，由此降低油的黏度，使其更容易流动，从而被开采出来。
除此之外，为了让核废料更好地“藏”起来，人们还想到将核废料注入较深的岩层中用以采油。
由此可见，各种流体甚至废料的注入有助于油气开采，也有助于废料的处理——“变废为宝”。然而，需要指出的是，注入流体也可能对环境造成污染，甚至诱发地震，对人类生活造成伤害，这一点必须倍加关注。
如果进一步考察，其实无论注入哪种流体，它们与地下油气水的组成、矿化度等都是有差异的，这个差异有一股神奇的力量，使得原本只有“流体—岩石”间的相互作用演变成了“流体—流体”“流体—岩石”间的化学与物理作用，以及“温度—流体—岩石”间复杂的多场耦合作用。
面对岩层中复杂的多场耦合渗流，科学家们并非束手无策，在达西和非达西渗流基础上，进一步考虑到岩石的孔隙“跨尺度”特征，利用物理模拟、分子动力学模拟和理论建模与分析、数值模拟与分析等手段探索各种尺度流体的流动规律以及各尺度间的相互耦合流动规律，形成了一系列跨尺度的非线性耦合渗流理论。
与此同时，科学家们还在流体间的扩散与弥散，温度与压力导致流体相变，温度影响岩石变形及流体—岩石、流体—流体间的物理与化学作用等表征方面取得了明显进展。可以预见，随着计算机、图形等技术的迅速发展，岩层中的多场耦合渗流描述与表征将会帮助人们更为客观科学地认识油气藏，这对于油气资源的高效开采和灾害预防具有重要的现实意义。
我们下期再见！
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我的论文致谢有您的名字 | SWPU特别版
图文来源 | 《油气简史》
绘图 |侯雪梅
编辑 | 张心怡
责编 | 王思翔
审核 | 刘仲铭