地下巖石與流體

俗話說，上天容易，入地難。那我們又是如何知道地層中到底儲存了多少石油和天然氣呢？到底有沒有工業(yè)開采價值呢？這一切都和地下巖石中有大量肉眼“看得見”和“看不見”的孔孔、洞洞、縫縫有關(guān)，石油、天然氣就主要儲存在這些孔隙里。

人們勘探發(fā)現(xiàn)深埋地下的油氣藏之后，接下來就要將蘊(yùn)藏在地下巖層中的“油氣”成功采掘出來。采掘過程和結(jié)果不僅與“藏”油氣的巖石性質(zhì)有關(guān)，還與油氣本身的性質(zhì)以及巖石-流體間的相互作用有很大關(guān)系。

地質(zhì)學(xué)家把巖石中所有孔孔、洞洞、縫縫的體積與巖石總外觀體積之比叫作“孔隙度”?？紫抖仍酱螅汀⑻烊粴獾摹凹摇本驮酱?，說明巖石儲藏石油、天然氣的能力越強(qiáng)。另外，組成巖石的顆粒大小不同、形狀不同、顆粒間的接觸方式不同，孔隙形態(tài)也不同，所能夠容納的流體體積也不同，即孔隙度也不同。一般地，時代越老、埋藏越深的巖石孔隙度越低。

根據(jù)巖石中這些孔洞之間的連通情況，巖石中的孔隙可以被分為連通孔隙和不連通孔隙，孔隙的連通情況直接決定了油氣的流動能力，油藏工程師們更感興趣的也是連通孔隙。雖然地層巖石中的微小孔隙很多只有微米級大小，與頭發(fā)絲尺寸差不多，有的甚至更小，只有頭發(fā)絲直徑的幾百分之一。但由于地下巖層面積很大、很厚，所以儲存在這些巖石微小孔隙中的所有油氣體積總量可能是相當(dāng)大的。

儲層孔隙度是決定油氣藏規(guī)模和開采價值的重要特征。是否所有巖石孔隙空間都是被石油和天然氣所占據(jù)呢？地質(zhì)學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，油或氣總是與地層水共同占據(jù)著地下巖石中的孔隙空間；也就是說，無論是油藏還是氣藏，地下巖石孔隙中除了原油、天然氣之外，還總是含有一定量的地層水。

到底有多少孔隙空間里面儲存了原油、天然氣呢？這將直接關(guān)系到原油和天然氣的儲藏量和可采量。為了描述地下巖石孔隙中油、氣、水所占據(jù)的比例，人們提出了“流體飽和度”的概念，把儲層巖石孔隙中某一種流體所占據(jù)的體積百分比定義為這種流體的飽和度。很顯然，某一種流體的飽和度值越高，說明巖石中儲藏的這種流體就越多。

確定了地下巖層中油、氣流體的儲藏量之后，接下來的任務(wù)就是想方設(shè)法地將油、氣采掘到地面來，這就必然涉及流體在地層中的流動，那么，流體在地層中又是如何流動的呢？前面我們講到，地下巖石看似鐵板一塊，實(shí)際上有大量的孔、洞、縫，其中連通的孔、洞、縫的存在，使得流體在看似不透氣的巖石中的流動成為可能。在一定的壓力差作用下，流體可以從一個孔隙流向另一個孔隙，并最終找到合適的路徑流到井底。如同高速公路和羊腸小道的車速存在明顯差別一樣，不同巖石中的孔洞數(shù)量、形狀、連通關(guān)系、礦物等存在差異，導(dǎo)致巖石中流體的穿透能力也大不相同。

為了定量化描述不同巖石中流體透過能力的不同，科學(xué)家提出了“絕對滲透率”的概念。巖石的絕對滲透率反映了流體在巖石中流動的難易程度，它是巖石本身的一種固有屬性，它的數(shù)值只和巖石本身的性質(zhì)有關(guān)，例如，孔隙喉道大小、形狀和彎曲程度等，而與所通過的液體性質(zhì)無關(guān)。

很顯然，巖石滲透率的大小會影響地層中油水的流動快慢，進(jìn)而影響到原油和天然氣的最終采出量。此外，由于油氣是在地下巖石中極為細(xì)小、彎彎曲曲的孔道中流動，流體與巖石的接觸面積也會直接影響到流體的流動狀態(tài)?？茖W(xué)家們把單位體積巖石中孔隙總的內(nèi)表面積定義為“內(nèi)比表面積”。地下巖石具有不可思議的巨大孔隙比表面積，一個長、寬、高均為1米的砂巖，它的孔隙空間內(nèi)表面積大約與20個足球場的面積相當(dāng)。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，組成巖石的顆粒越細(xì)，它的內(nèi)比表面積值就越大，流體流動時和巖石表面的接觸面積就越大，流體的流動阻力就越大，流體流動也就越困難?？上攵?，油、氣在地下極為細(xì)小的孔道中流動需要克服的阻力有多大。

巖石的“孔隙度”和“飽和度”反映了巖石儲存油氣的能力，巖石的“滲透率”反映了巖石中油氣流動的能力。地下儲集巖層能形成具有工業(yè)開采價值的油氣藏，必須具備這兩個重要特性。

我們都知道，世界上找不到完全相同的兩片葉子，其實(shí)地球上也不存在兩塊完全一模一樣的巖石。由于不同巖石的組成和結(jié)構(gòu)各不相同，巖石的各種物理-力學(xué)性質(zhì)，比如孔隙度、滲透率、導(dǎo)電性、熱學(xué)性質(zhì)、彈塑性、脆性、韌性等隨空間位置的不同也會有一定差異，我們把這一現(xiàn)象叫作巖石的“非均質(zhì)性”。

地下油氣藏中的石油、天然氣能否成功被開采出來，除了與巖石的特征密切相關(guān)以外，還與流體的性質(zhì)有很大關(guān)系。流體的黏度越大，流體流動性越差。例如“濃稠”的蜂蜜流動性就明顯比“稀薄”的自來水差，液體的流動性也明顯比更為“稀薄”的氣體差，這也是為什么在地下油氣藏中原油的流動性能明顯好于地面。我們在日常生活中可以觀察到，在一定壓力條件下，氣體會溶解于液體中，我們常見的碳酸飲料就是基于這一原理而制作的。我們知道，從地表向下，地層壓力和溫度都會隨著深度的增加而增大，石油和天然氣往往埋存于數(shù)百米到數(shù)千米深的地下巖層中，因此，在地下儲層高壓條件下，大量天然氣就會溶解于原油中，這些溶解的天然氣就像原油的潤滑劑一樣，會明顯改善原油的流動能力。

不同類型油藏的地層原油中溶解氣量也會有很大差異，這個“量”的大小和某一個特別的“壓力值”直接相關(guān)。地層壓力一旦低于這個“壓力值”，原油中溶解的天然氣就開始從原油中“逃逸”；反之，若地層壓力高于這個壓力值，也不會有更多的天然氣再溶解到原油中，因?yàn)樵椭械奶烊粴庖呀?jīng)很飽和了，再也“盛”不下更多的天然氣。石油工程師把這個特殊的壓力值稱為“飽和壓力”，在油藏的開采過程中，油藏工程師們往往會盡量維持地層壓力高于這個“飽和壓力值”，目的就是防止天然氣從原油中“逃逸”出來，避免原油變“稠”而更難以被采掘。

地層深處的高溫高壓除了影響油、氣黏度以外，對流體的體積也會產(chǎn)生明顯影響。所有流體都有一定的可壓縮性，液體的可壓縮性相對較小，而氣體的可壓縮性則較大。我們知道，當(dāng)我們用手去擠壓裝有一定氣體的氣球時，氣球的體積會發(fā)生變化。其實(shí)，地下油、氣、水在不同的壓力和溫度作用下，體積也會發(fā)生相應(yīng)的變化。由于不同的油氣藏其埋藏深度、地層壓力和溫度都不相同，即便是相同質(zhì)量的流體，在不同油藏壓力、溫度下所占據(jù)的體積也會不同。

我們該如何比較不同油氣藏儲存油、氣量的多少呢？科學(xué)家們引入了流體體積系數(shù)的概念，簡單來說，流體體積系數(shù)是指一定質(zhì)量的流體在地下所占據(jù)的體積與在某個統(tǒng)一壓力、溫度條件下所占據(jù)的體積的比值。這個統(tǒng)一的溫度壓力條件一般被選定為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，也就是1個大氣壓、20℃條件。利用流體體積系數(shù)，人們可以將不同地層壓力、溫度下流體所占據(jù)的體積轉(zhuǎn)變?yōu)橥粔毫?、溫度條件下的體積，這樣就可以實(shí)現(xiàn)不同油氣藏之間的橫向?qū)Ρ?，我們平時在新聞報道中經(jīng)常聽到的“某地區(qū)發(fā)現(xiàn)探明地質(zhì)儲量為多少的氣藏”，這個“地質(zhì)儲量”就是轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一條件下的地面體積。

對于原油和天然氣來說，他們是在地下所占據(jù)的體積大還是在地面條件下所占據(jù)的體積大呢？對于不同的流體類型，這個答案并不統(tǒng)一。由于天然氣具有很大的壓縮性，當(dāng)它從地下被采掘到地面后，氣體體積往往會發(fā)生幾十倍甚至幾百倍的膨脹；換言之，天然氣體積系數(shù)總是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1。對于地下原油，它在地層壓力、溫度條件下一般都溶解有大量的天然氣，而相同質(zhì)量條件下氣體所占據(jù)的體積要遠(yuǎn)大于液體，再加上液體的“熱脹冷縮”效應(yīng)，地下原油的體積總是大于地面體積。

（二）

前面我們了解了巖石和地下油氣的一些物理化學(xué)性質(zhì)，在地層條件下，當(dāng)油、氣、水多相流體與高度分散、彎彎曲曲的巖石孔道相遇時，又會產(chǎn)生什么樣的巖石-流體綜合特性呢？這些特性對于流體在巖石中的分布和流動又會產(chǎn)生什么影響呢？

大家在日常生活中應(yīng)該都看到過水或雨滴落在玻璃上的現(xiàn)象，當(dāng)水滴落在干凈的玻璃上，水會沿著玻璃表面展開；而把一滴水銀滴在玻璃上，水銀往往會縮成一個小球。為什么會有這樣的差異呢？這是由于玻璃表面潤濕性不同所引起的。當(dāng)多種互不相溶的流體與固體接觸時，其中某一種流體會表現(xiàn)出更加容易在固體表面延展開的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象就是潤濕性。我們也可以這樣理解，潤濕性就是指固體表面更“喜歡”或更“親近”哪種流體。當(dāng)水滴落在玻璃上時，其實(shí)是水和空氣兩種流體同時與玻璃接觸，水在玻璃表面自動鋪展開的過程，實(shí)際上是水把玻璃表面空氣驅(qū)趕走的過程，我們可以說相對于空氣，玻璃更“親近”水，也就是玻璃能夠被水潤濕。

在地下巖層中，也會存在油、水同時與巖石顆粒表面接觸的情況。如果水能夠自動進(jìn)入巖石孔隙中并把孔隙中的油擠出來，說明巖石更加“親近”水，通常我們把這種情況稱為“水濕”。反過來，如果油能夠自動進(jìn)入巖石孔隙中并把孔隙中的水?dāng)D出來，說明巖石更加“親近”油，我們把這種情況稱為“油濕”。

地下油藏中的巖石到底是“親水憎油”還是“愛油恨水”，對于油、氣、水在地下孔隙中的分布和后期開采都有著重要的影響。如果巖石是親水的，它所親近的流體：水，就會盡可能地占據(jù)巖石顆粒表面的位置，形成一層類似“水膜”的存在，而把油推向孔隙更中間的位置。如果巖石親油的話，油就會緊緊貼在巖石顆粒表面，把水推到孔隙中間去。當(dāng)我們對孔隙施加一定壓差時，位于流動通道中央的原油會比緊貼在巖石表面的原油更容易流動。換句話說，油藏巖石潤濕性不同，同樣開采條件下原油的采出量也會有所不同。

也正是由于潤濕性的影響，地下巖石的細(xì)小孔道中產(chǎn)生了另外一種特殊界面現(xiàn)象：毛細(xì)管現(xiàn)象。什么是毛細(xì)管現(xiàn)象呢？

在日常生活中，當(dāng)我們把一根細(xì)小的玻璃管插入盛水的敞口容器時，會觀察到這樣一種神奇的現(xiàn)象：水會在玻璃管內(nèi)自動上升，管內(nèi)水和空氣的界面形狀并不是平面，而是凹形，而且最終玻璃管內(nèi)水面高度高于盛水容器中水面高度。但如果換成一根較大管徑的玻璃管之后，玻璃管內(nèi)的水面就會是平直的，而且玻璃管內(nèi)水面高度和盛水容器水面高度一致。這種僅發(fā)生在半徑很小的管子內(nèi)的液體上升（或下降）的神奇現(xiàn)象被稱為毛細(xì)管現(xiàn)象。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，之所以會產(chǎn)生毛細(xì)管現(xiàn)象，是因?yàn)樵诿?xì)管中彎曲流體界面存在一個附加的“毛細(xì)管壓力”。毛細(xì)管壓力和我們在日常生活中遇到的其他力一樣，不僅有大小，也有方向，它的方向恒定指向固體界面更“憎惡”的那一種流體。正是因?yàn)檫@個附加的力的存在，導(dǎo)致毛細(xì)管中流體液面和敞口容器中流體液面高度不一致。并且毛細(xì)管半徑越小，彎曲液面上的附加毛細(xì)管壓力越大。

由于玻璃管表面是親水的，毛細(xì)管壓力的方向會向上指向玻璃表面更“憎惡”的空氣，所以玻璃管中的水會自動上升到高于敞口容器中水面的高度。如果我們把敞口容器中的水換成水銀，又會發(fā)生什么情況呢？我們在日常生活中可以觀察到，玻璃表面并不“親近”水銀。由于玻璃管中這個附加的力的方向是向下指向水銀，最終玻璃管內(nèi)水銀的高度比敞口容器中水銀高度更低，且玻璃管內(nèi)水銀界面形狀會呈現(xiàn)凸形。

地下巖石中有大量彎彎曲曲的細(xì)小孔道，這些孔道都可以被看成毛細(xì)管。地下油、氣、水在這些毛細(xì)管孔道內(nèi)流動時，也會產(chǎn)生毛細(xì)管現(xiàn)象，不同流體交界面上也會產(chǎn)生附加的“毛細(xì)管壓力”。油藏通常會采用注水的方法，讓水在一定壓差下進(jìn)入到孔隙中，置換趕走其中的原油，這個附加的毛細(xì)管壓力將會直接影響水置換原油的效果。在“親水憎油”的巖石孔道中，毛細(xì)管壓力指向巖石孔道表面憎惡的“油”，毛細(xì)管力的方向與水推動原油的壓差方向是一致的，對于注水置換原油來說，相當(dāng)于增加了一個額外的動力。相反，在“親油憎水”的巖石孔道中，毛細(xì)管力的方向與水推動原油的壓差方向是相反的，對于注水置換原油來說，相當(dāng)于增加了一個額外的阻力。地下巖石中不同孔隙表面的潤濕性可能并不一致，這就導(dǎo)致注水置換原油時，每個孔道中的實(shí)際置換動力是不同的，進(jìn)而導(dǎo)致地層中不同區(qū)域、不同孔道內(nèi)原油被采出的程度也不一致。

可以看出來，這些深埋在地下的看似普普通通的巖石，其實(shí)并不普通。它們里邊有孔隙，而且大部分互聯(lián)互通，能透氣透水，油、氣、水等流體能“藏”在里邊。巖石中的“油、氣”性質(zhì)很特別，油與氣性質(zhì)差異很大，與大家熟悉的水的性質(zhì)也有很大不同。油、氣、水性格不同，同處一“房間”，他們之間的相互作用使得流體在巖石中的流動復(fù)雜而神秘。特別是當(dāng)?shù)叵聨r石和其中的流體相遇后，在長期的“相處”過程中，它們之間又會產(chǎn)生一系列物理、化學(xué)作用，形成巖石與流體之間獨(dú)特的愛恨故事，增加了油氣在地下巖石中流動的復(fù)雜性和神秘性。

地下巖石、巖石中的流體、巖石與流體之間，以及流體與流體之間的奧秘，直接關(guān)系著一個油氣藏中石油、天然氣儲藏量的多少，影響著“藏”在巖石中的石油、天然氣的運(yùn)動路徑和速度，也決定了油氣藏中石油、天然氣能不能成功采掘出來，有多少石油、天然氣能比較容易地采掘到地面來。如果想把儲藏在地下巖石中的石油、天然氣更多、更快、更經(jīng)濟(jì)地采出來，科學(xué)家們就必須不厭其煩地與這些冷冰冰的石頭打交道，就必須好好認(rèn)識這些石頭，全方位地研究這些石頭以及蘊(yùn)藏在其中的不為人知的奧秘。

作者：張烈輝

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