地下岩石与流体

俗话说，上天容易，入地难。那我们又是如何知道地层中到底储存了多少石油和天然气呢？到底有没有工业开采价值呢？这一切都和地下岩石中有大量肉眼“看得见”和“看不见”的孔孔、洞洞、缝缝有关，石油、天然气就主要储存在这些孔隙里。

人们勘探发现深埋地下的油气藏之后，接下来就要将蕴藏在地下岩层中的“油气”成功采掘出来。采掘过程和结果不仅与“藏”油气的岩石性质有关，还与油气本身的性质以及岩石-流体间的相互作用有很大关系。

地质学家把岩石中所有孔孔、洞洞、缝缝的体积与岩石总外观体积之比叫作“孔隙度”。孔隙度越大，石油、天然气的“家”就越大，说明岩石储藏石油、天然气的能力越强。另外，组成岩石的颗粒大小不同、形状不同、颗粒间的接触方式不同，孔隙形态也不同，所能够容纳的流体体积也不同，即孔隙度也不同。一般地，时代越老、埋藏越深的岩石孔隙度越低。

根据岩石中这些孔洞之间的连通情况，岩石中的孔隙可以被分为连通孔隙和不连通孔隙，孔隙的连通情况直接决定了油气的流动能力，油藏工程师们更感兴趣的也是连通孔隙。虽然地层岩石中的微小孔隙很多只有微米级大小，与头发丝尺寸差不多，有的甚至更小，只有头发丝直径的几百分之一。但由于地下岩层面积很大、很厚，所以储存在这些岩石微小孔隙中的所有油气体积总量可能是相当大的。

储层孔隙度是决定油气藏规模和开采价值的重要特征。是否所有岩石孔隙空间都是被石油和天然气所占据呢？地质学家们发现，油或气总是与地层水共同占据着地下岩石中的孔隙空间；也就是说，无论是油藏还是气藏，地下岩石孔隙中除了原油、天然气之外，还总是含有一定量的地层水。

到底有多少孔隙空间里面储存了原油、天然气呢？这将直接关系到原油和天然气的储藏量和可采量。为了描述地下岩石孔隙中油、气、水所占据的比例，人们提出了“流体饱和度”的概念，把储层岩石孔隙中某一种流体所占据的体积百分比定义为这种流体的饱和度。很显然，某一种流体的饱和度值越高，说明岩石中储藏的这种流体就越多。

确定了地下岩层中油、气流体的储藏量之后，接下来的任务就是想方设法地将油、气采掘到地面来，这就必然涉及流体在地层中的流动，那么，流体在地层中又是如何流动的呢？前面我们讲到，地下岩石看似铁板一块，实际上有大量的孔、洞、缝，其中连通的孔、洞、缝的存在，使得流体在看似不透气的岩石中的流动成为可能。在一定的压力差作用下，流体可以从一个孔隙流向另一个孔隙，并最终找到合适的路径流到井底。如同高速公路和羊肠小道的车速存在明显差别一样，不同岩石中的孔洞数量、形状、连通关系、矿物等存在差异，导致岩石中流体的穿透能力也大不相同。

为了定量化描述不同岩石中流体透过能力的不同，科学家提出了“绝对渗透率”的概念。岩石的绝对渗透率反映了流体在岩石中流动的难易程度，它是岩石本身的一种固有属性，它的数值只和岩石本身的性质有关，例如，孔隙喉道大小、形状和弯曲程度等，而与所通过的液体性质无关。

很显然，岩石渗透率的大小会影响地层中油水的流动快慢，进而影响到原油和天然气的最终采出量。此外，由于油气是在地下岩石中极为细小、弯弯曲曲的孔道中流动，流体与岩石的接触面积也会直接影响到流体的流动状态。科学家们把单位体积岩石中孔隙总的内表面积定义为“内比表面积”。地下岩石具有不可思议的巨大孔隙比表面积，一个长、宽、高均为1米的砂岩，它的孔隙空间内表面积大约与20个足球场的面积相当。科学家发现，组成岩石的颗粒越细，它的内比表面积值就越大，流体流动时和岩石表面的接触面积就越大，流体的流动阻力就越大，流体流动也就越困难。可想而知，油、气在地下极为细小的孔道中流动需要克服的阻力有多大。

岩石的“孔隙度”和“饱和度”反映了岩石储存油气的能力，岩石的“渗透率”反映了岩石中油气流动的能力。地下储集岩层能形成具有工业开采价值的油气藏，必须具备这两个重要特性。

我们都知道，世界上找不到完全相同的两片叶子，其实地球上也不存在两块完全一模一样的岩石。由于不同岩石的组成和结构各不相同，岩石的各种物理-力学性质，比如孔隙度、渗透率、导电性、热学性质、弹塑性、脆性、韧性等随空间位置的不同也会有一定差异，我们把这一现象叫作岩石的“非均质性”。

地下油气藏中的石油、天然气能否成功被开采出来，除了与岩石的特征密切相关以外，还与流体的性质有很大关系。流体的黏度越大，流体流动性越差。例如“浓稠”的蜂蜜流动性就明显比“稀薄”的自来水差，液体的流动性也明显比更为“稀薄”的气体差，这也是为什么在地下油气藏中原油的流动性能明显好于地面。我们在日常生活中可以观察到，在一定压力条件下，气体会溶解于液体中，我们常见的碳酸饮料就是基于这一原理而制作的。我们知道，从地表向下，地层压力和温度都会随着深度的增加而增大，石油和天然气往往埋存于数百米到数千米深的地下岩层中，因此，在地下储层高压条件下，大量天然气就会溶解于原油中，这些溶解的天然气就像原油的润滑剂一样，会明显改善原油的流动能力。

不同类型油藏的地层原油中溶解气量也会有很大差异，这个“量”的大小和某一个特别的“压力值”直接相关。地层压力一旦低于这个“压力值”，原油中溶解的天然气就开始从原油中“逃逸”；反之，若地层压力高于这个压力值，也不会有更多的天然气再溶解到原油中，因为原油中的天然气已经很饱和了，再也“盛”不下更多的天然气。石油工程师把这个特殊的压力值称为“饱和压力”，在油藏的开采过程中，油藏工程师们往往会尽量维持地层压力高于这个“饱和压力值”，目的就是防止天然气从原油中“逃逸”出来，避免原油变“稠”而更难以被采掘。

地层深处的高温高压除了影响油、气黏度以外，对流体的体积也会产生明显影响。所有流体都有一定的可压缩性，液体的可压缩性相对较小，而气体的可压缩性则较大。我们知道，当我们用手去挤压装有一定气体的气球时，气球的体积会发生变化。其实，地下油、气、水在不同的压力和温度作用下，体积也会发生相应的变化。由于不同的油气藏其埋藏深度、地层压力和温度都不相同，即便是相同质量的流体，在不同油藏压力、温度下所占据的体积也会不同。

我们该如何比较不同油气藏储存油、气量的多少呢？科学家们引入了流体体积系数的概念，简单来说，流体体积系数是指一定质量的流体在地下所占据的体积与在某个统一压力、温度条件下所占据的体积的比值。这个统一的温度压力条件一般被选定为标准状态，也就是1个大气压、20℃条件。利用流体体积系数，人们可以将不同地层压力、温度下流体所占据的体积转变为同一压力、温度条件下的体积，这样就可以实现不同油气藏之间的横向对比，我们平时在新闻报道中经常听到的“某地区发现探明地质储量为多少的气藏”，这个“地质储量”就是转换到统一条件下的地面体积。

对于原油和天然气来说，他们是在地下所占据的体积大还是在地面条件下所占据的体积大呢？对于不同的流体类型，这个答案并不统一。由于天然气具有很大的压缩性，当它从地下被采掘到地面后，气体体积往往会发生几十倍甚至几百倍的膨胀；换言之，天然气体积系数总是远远小于1。对于地下原油，它在地层压力、温度条件下一般都溶解有大量的天然气，而相同质量条件下气体所占据的体积要远大于液体，再加上液体的“热胀冷缩”效应，地下原油的体积总是大于地面体积。

（二）

前面我们了解了岩石和地下油气的一些物理化学性质，在地层条件下，当油、气、水多相流体与高度分散、弯弯曲曲的岩石孔道相遇时，又会产生什么样的岩石-流体综合特性呢？这些特性对于流体在岩石中的分布和流动又会产生什么影响呢？

大家在日常生活中应该都看到过水或雨滴落在玻璃上的现象，当水滴落在干净的玻璃上，水会沿着玻璃表面展开；而把一滴水银滴在玻璃上，水银往往会缩成一个小球。为什么会有这样的差异呢？这是由于玻璃表面润湿性不同所引起的。当多种互不相溶的流体与固体接触时，其中某一种流体会表现出更加容易在固体表面延展开的现象，这种现象就是润湿性。我们也可以这样理解，润湿性就是指固体表面更“喜欢”或更“亲近”哪种流体。当水滴落在玻璃上时，其实是水和空气两种流体同时与玻璃接触，水在玻璃表面自动铺展开的过程，实际上是水把玻璃表面空气驱赶走的过程，我们可以说相对于空气，玻璃更“亲近”水，也就是玻璃能够被水润湿。

在地下岩层中，也会存在油、水同时与岩石颗粒表面接触的情况。如果水能够自动进入岩石孔隙中并把孔隙中的油挤出来，说明岩石更加“亲近”水，通常我们把这种情况称为“水湿”。反过来，如果油能够自动进入岩石孔隙中并把孔隙中的水挤出来，说明岩石更加“亲近”油，我们把这种情况称为“油湿”。

地下油藏中的岩石到底是“亲水憎油”还是“爱油恨水”，对于油、气、水在地下孔隙中的分布和后期开采都有着重要的影响。如果岩石是亲水的，它所亲近的流体：水，就会尽可能地占据岩石颗粒表面的位置，形成一层类似“水膜”的存在，而把油推向孔隙更中间的位置。如果岩石亲油的话，油就会紧紧贴在岩石颗粒表面，把水推到孔隙中间去。当我们对孔隙施加一定压差时，位于流动通道中央的原油会比紧贴在岩石表面的原油更容易流动。换句话说，油藏岩石润湿性不同，同样开采条件下原油的采出量也会有所不同。

也正是由于润湿性的影响，地下岩石的细小孔道中产生了另外一种特殊界面现象：毛细管现象。什么是毛细管现象呢？

在日常生活中，当我们把一根细小的玻璃管插入盛水的敞口容器时，会观察到这样一种神奇的现象：水会在玻璃管内自动上升，管内水和空气的界面形状并不是平面，而是凹形，而且最终玻璃管内水面高度高于盛水容器中水面高度。但如果换成一根较大管径的玻璃管之后，玻璃管内的水面就会是平直的，而且玻璃管内水面高度和盛水容器水面高度一致。这种仅发生在半径很小的管子内的液体上升（或下降）的神奇现象被称为毛细管现象。

科学家们发现，之所以会产生毛细管现象，是因为在毛细管中弯曲流体界面存在一个附加的“毛细管压力”。毛细管压力和我们在日常生活中遇到的其他力一样，不仅有大小，也有方向，它的方向恒定指向固体界面更“憎恶”的那一种流体。正是因为这个附加的力的存在，导致毛细管中流体液面和敞口容器中流体液面高度不一致。并且毛细管半径越小，弯曲液面上的附加毛细管压力越大。

由于玻璃管表面是亲水的，毛细管压力的方向会向上指向玻璃表面更“憎恶”的空气，所以玻璃管中的水会自动上升到高于敞口容器中水面的高度。如果我们把敞口容器中的水换成水银，又会发生什么情况呢？我们在日常生活中可以观察到，玻璃表面并不“亲近”水银。由于玻璃管中这个附加的力的方向是向下指向水银，最终玻璃管内水银的高度比敞口容器中水银高度更低，且玻璃管内水银界面形状会呈现凸形。

地下岩石中有大量弯弯曲曲的细小孔道，这些孔道都可以被看成毛细管。地下油、气、水在这些毛细管孔道内流动时，也会产生毛细管现象，不同流体交界面上也会产生附加的“毛细管压力”。油藏通常会采用注水的方法，让水在一定压差下进入到孔隙中，置换赶走其中的原油，这个附加的毛细管压力将会直接影响水置换原油的效果。在“亲水憎油”的岩石孔道中，毛细管压力指向岩石孔道表面憎恶的“油”，毛细管力的方向与水推动原油的压差方向是一致的，对于注水置换原油来说，相当于增加了一个额外的动力。相反，在“亲油憎水”的岩石孔道中，毛细管力的方向与水推动原油的压差方向是相反的，对于注水置换原油来说，相当于增加了一个额外的阻力。地下岩石中不同孔隙表面的润湿性可能并不一致，这就导致注水置换原油时，每个孔道中的实际置换动力是不同的，进而导致地层中不同区域、不同孔道内原油被采出的程度也不一致。

可以看出来，这些深埋在地下的看似普普通通的岩石，其实并不普通。它们里边有孔隙，而且大部分互联互通，能透气透水，油、气、水等流体能“藏”在里边。岩石中的“油、气”性质很特别，油与气性质差异很大，与大家熟悉的水的性质也有很大不同。油、气、水性格不同，同处一“房间”，他们之间的相互作用使得流体在岩石中的流动复杂而神秘。特别是当地下岩石和其中的流体相遇后，在长期的“相处”过程中，它们之间又会产生一系列物理、化学作用，形成岩石与流体之间独特的爱恨故事，增加了油气在地下岩石中流动的复杂性和神秘性。

地下岩石、岩石中的流体、岩石与流体之间，以及流体与流体之间的奥秘，直接关系着一个油气藏中石油、天然气储藏量的多少，影响着“藏”在岩石中的石油、天然气的运动路径和速度，也决定了油气藏中石油、天然气能不能成功采掘出来，有多少石油、天然气能比较容易地采掘到地面来。如果想把储藏在地下岩石中的石油、天然气更多、更快、更经济地采出来，科学家们就必须不厌其烦地与这些冷冰冰的石头打交道，就必须好好认识这些石头，全方位地研究这些石头以及蕴藏在其中的不为人知的奥秘。

作者：张烈辉

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