王怒濤

摘? 要：油氣層滲流力學(xué)是石油與天然氣開發(fā)必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，是研究油氣藏流體在多孔介質(zhì)儲層中的滲流形態(tài)和滲流規(guī)律的一門學(xué)科，它是認(rèn)識和改造油氣藏的基礎(chǔ)理論，它貫穿于油氣田開發(fā)的全過程，是油氣田科學(xué)開發(fā)的基礎(chǔ)，涉及多孔介質(zhì)理論、物理化學(xué)、固體力學(xué)、生物學(xué)等多門學(xué)科。其主要特點是以油氣滲流實驗研究為手段，以數(shù)學(xué)力學(xué)為工具，采用多學(xué)科交叉滲透結(jié)合的研究方法，建立油氣藏科學(xué)開發(fā)的滲流力學(xué)理論。滲流力學(xué)研究的內(nèi)容復(fù)雜、抽象，工程應(yīng)用性非常強，流動環(huán)境難以準(zhǔn)確描述，因此導(dǎo)致學(xué)生學(xué)起來感覺困難重重。根據(jù)作者多年的教學(xué)思考，也在滲流力學(xué)教學(xué)方面做了大量改進工作，總結(jié)出油氣層滲流力學(xué)的教學(xué)經(jīng)驗有助于學(xué)生對滲流力學(xué)的理論及應(yīng)用的理解。

關(guān)鍵詞：滲流;實驗;儲層;流動規(guī)律

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）02-0114-03

Abstract： Mechanics of fluids in porous media is a required professional basic course in the development of oil and natural gas. It is a discipline that studies the seepage patterns and seepage laws of fluid in porous media reservoirs. It is a basic theory for understanding and reforming oil and gas reservoirs. It runs through the entire process of oil and gas field development and is the basis for the scientific development of oil and gas fields. It involves many disciplines such as porous medium theory， physical chemistry， solid mechanics， and biology etc.Its main characteristics are based on the experimental study of oil and gas seepage， using mathematical mechanics as a tool， and adopting a multidisciplinary cross-osmosis combined research method to establish a scientific theory of seepage mechanics for oil and gas reservoirs. The content of seepage mechanics research is complex and abstract， the engineering application is very strong， and the flow environment is difficult to accurately describe， so it leads to many difficulties for students to learn. According to my many years of teaching thinking， I have also made a lot of improvement work in the teaching of seepage mechanics. Summarizing the teaching experience of seepage mechanics in oil and gas reservoirs is helpful to students 'understanding of the theory and application of seepage mechanics.

Keywords： seepage; experiment; reservoir; flow law

《油氣層滲流力學(xué)》課程是石油工程專業(yè)的核心課程，是油氣田開發(fā)設(shè)計、動態(tài)分析、油氣井開采、增產(chǎn)工藝、反求地層參數(shù)、提高采收率等的理論基礎(chǔ)，是學(xué)好石油工程其它專業(yè)課如《油藏工程》、《采油工程》、《油藏數(shù)值模擬》、《試井分析》的關(guān)鍵課程之一。本門課程的主要目的與任務(wù)是讓學(xué)生掌握油氣在儲層中的滲流的基本概念、基本規(guī)律，學(xué)會研究油氣在復(fù)雜工程問題中滲流的基本方法，為學(xué)好其它專業(yè)課程打好理論基礎(chǔ)。

通過本課程的教學(xué)，使學(xué)生達到以下課程目標(biāo)：1. 通過本門課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生系統(tǒng)地掌握油氣層滲流的基本概念、基本規(guī)律。在單相流體滲流部分，掌握穩(wěn)定滲流時，各種情況下的水動力學(xué)場及其特征參數(shù)，井間干擾及疊加原理，不穩(wěn)定滲流的壓力傳播規(guī)律、動態(tài)特征，氣體滲流的特點，雙重介質(zhì)滲流的特征;在多相流部分，了解油氣兩相滲流物理過程及滲流數(shù)學(xué)模型，掌握油水兩相流、非活塞式水驅(qū)油的理論和方法。2. 培養(yǎng)學(xué)生利用油氣層滲流的基本概念、基本規(guī)律對復(fù)雜油氣層滲流過程進行識別和表達的能力，能夠?qū)嶋H的復(fù)雜滲流過程進行簡化、組合，選擇合理的表達方式，建立滲流數(shù)學(xué)模型。3. 通過課程所屬滲流力學(xué)實驗，培養(yǎng)團隊協(xié)作精神，在學(xué)生掌握實驗基本原理、流程和操作步驟的基礎(chǔ)上，通過綜合滲流基本原理、數(shù)學(xué)方法、數(shù)據(jù)分析等完成實驗報告，得出正確認(rèn)識與結(jié)論，具備解決石油工程復(fù)雜問題的實驗研究能力，能夠進行實驗設(shè)計、實驗操作。4. 培養(yǎng)基于科學(xué)原理和石油工程專業(yè)基礎(chǔ)知識對石油工程復(fù)雜問題開展深入專業(yè)研究的能力。在掌握油氣滲流的基本概念、滲流規(guī)律的基礎(chǔ)上，初步具備研究復(fù)雜工程問題中油氣層滲流相關(guān)問題的能力。

許多老師和學(xué)生都感覺到滲流力學(xué)理論比較抽象、數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，非常難以理解[1]。的確是這樣，其實油氣藏滲流力學(xué)理論不外乎分為兩部分，一部分不涉及到傳熱與傳質(zhì)的流體滲流理論，這部分理論相對簡單些，其實就是常規(guī)油氣藏的開采，即壓力與產(chǎn)量的關(guān)系，單相流動與多相流動的關(guān)系;另一部分是涉及到傳熱與傳質(zhì)的滲流理論，第二部分理論要求更高，涉及到傳熱與傳質(zhì)理論，就是非常規(guī)油氣藏的開采，比如稠油熱采、聚合物驅(qū)、化學(xué)驅(qū)等，這部分內(nèi)容在本科教學(xué)中暫時不討論。對于第一部分理論來說要使學(xué)生明白與后續(xù)課程的關(guān)系，油氣層滲流力學(xué)理論主要在兩個方面的應(yīng)用，宏觀方面的應(yīng)用就是油氣井試井分析，它是我們監(jiān)測地層能量變化和獲取地層參數(shù)的主要手段，沒有它油藏工程的動態(tài)分析就是空中樓閣，在微觀方面的應(yīng)用就是油氣藏數(shù)值模擬，至少目前它是我們窺探油氣藏內(nèi)部變化規(guī)律的唯一手段，可想滲流力學(xué)在油田開發(fā)中的重要性，下面是我對油氣層滲流力學(xué)教學(xué)思考。

一、對學(xué)生講清楚油氣層滲流力學(xué)在專業(yè)課中的位置

油氣層滲流力學(xué)是石油工程專業(yè)的核心課程，起承前啟后的作用，承接學(xué)生在前期學(xué)習(xí)的數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等基礎(chǔ)課以及石油地質(zhì)、油層物理等專業(yè)課基礎(chǔ)課上開展?jié)B流力學(xué)理論學(xué)習(xí)，啟后為大三大四的專業(yè)應(yīng)用課提供基本原理。使學(xué)生明白前面的基礎(chǔ)理論實際是為滲流力學(xué)提供靜態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)實驗以及解決問題的手段與方法（計算數(shù)學(xué)與物理化學(xué)知識），而滲流力學(xué)是要回答如何將這些靜態(tài)參數(shù)動態(tài)化？將這些靜態(tài)參數(shù)動態(tài)化后又如何來解決實際生產(chǎn)問題？簡單地說就是將復(fù)雜的地層滲流物理模型用數(shù)學(xué)模型來描述，然后對數(shù)學(xué)模型進行求解來研究流體在地層中的流動規(guī)律，只有通過這種手段才能知道地下流體的分布狀況。由于地下油氣儲集和滲流通道非常復(fù)雜，不但有孔隙、裂縫甚至還有溶洞，但是描述這些儲層的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實驗難以獲取，使得滲流力學(xué)應(yīng)用與實際相差甚遠，反之我們要如何應(yīng)用的滲流理論來修正這些靜態(tài)參數(shù)？如何來修正這些靜態(tài)參數(shù)，就是后續(xù)課程油氣井試井分析與油氣藏數(shù)值模擬課程要應(yīng)用的問題，使學(xué)生明白其重要性，自然會花時間學(xué)好。

二、滲流力學(xué)教學(xué)中做到“五”方面的區(qū)別教學(xué)

如果老師在教學(xué)過程中，將以下“五”方面的區(qū)別教給學(xué)生，學(xué)生在后續(xù)的課程學(xué)習(xí)中應(yīng)該非常輕松。

（一）線性滲流與非線性滲流的區(qū)別

首先流體在多孔介質(zhì)中的流動，我們稱為滲流，由于地層巖石孔隙空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，從而決定了流體在多孔介質(zhì)中具有滲流阻力大、滲流速度小的流動特點，因此把流速與壓差成線性關(guān)系的流動稱為達西流動或稱為線性滲流，反之流速與壓差不成線性關(guān)系稱為非線性滲流，不成線性關(guān)系分兩種情況，一是滲流速度非常低，甚至流體流動需要一定的壓差才能流動，此壓差稱為啟動壓差，常用啟動壓力梯度來描述低速非達西滲流;二是滲流速度較高的情況下，流體流動除了克服流體的粘滯阻力外，還要克服速度引起的慣性阻力，常用二項式來描述。一般對于油在地層中流動常采用線性流，而氣體在地層中流動采用高速非線性流動。氣體具有高壓縮性在地面與地下的滲流速度相差是非常大的，假設(shè)100萬方/天的氣井產(chǎn)量在地面條件下0.1米的油管生產(chǎn)可以達到200米/秒左右的速度，這樣的速度非常高，遠遠超過第一宇宙速度，而實際地層中的速度大概只有1.0米/秒左右，流體在地下流動的速度是非常小的，因此如何區(qū)分氣體在地層中是線性流動還是非線性流動的問題是滲流力學(xué)建立數(shù)學(xué)模型首先考慮的問題，目前如何區(qū)分是線性流動還是非線性流動的難題，有待于滲流力學(xué)教學(xué)老師繼續(xù)研究。

（二）油氣層穩(wěn)定流理論與不穩(wěn)定滲流理論的區(qū)別

從哲學(xué)的觀點看，穩(wěn)定是相對的，不穩(wěn)定是絕對的，因此在實際生產(chǎn)過程中，絕對穩(wěn)定生產(chǎn)的幾乎沒有，只是在一定的范圍和一定的時間里，可以將生產(chǎn)看成穩(wěn)定生產(chǎn)，從而處理為穩(wěn)定流動，穩(wěn)定滲流理論的應(yīng)用條件是將多孔介質(zhì)與流體都看出不可壓縮，即都是剛性體，從壓力波傳播看，瞬間完成，同時外圍必須有流體補充，而不穩(wěn)定滲流理論的條件是多孔介質(zhì)與流體都彈性體，壓力波傳播不是瞬間完成的，壓力波傳播隨時間變化。穩(wěn)定流滲流理論主要用于產(chǎn)能試井分析，獲取單井的產(chǎn)能，用于優(yōu)化配產(chǎn)，不穩(wěn)定滲流理論主要用于不穩(wěn)定試井分析，用于地層能量變化儲層物性變化監(jiān)測。不管是穩(wěn)定試井還是不穩(wěn)定試井一定要讓學(xué)生明白為什么現(xiàn)場上以試井為主進行產(chǎn)量分析和壓力分析，結(jié)合油層物理分析其原因在于儲層分布非均質(zhì)性造成，巖心分析不能完全代表儲層的性質(zhì)。

（三）油與氣滲流理論區(qū)別

油與氣的主要區(qū)別在于油氣的物理性質(zhì)不同，油一般是微可壓縮流體，而氣體是可壓縮流體，其連續(xù)性方程是完全相同的，邊界條件與初始條件都是相同的，在微分方程求解過程稍有區(qū)別，主要區(qū)別在于油、氣的高壓物性隨壓力、溫度變化不同，原油物性參數(shù)變化很小，甚至幾乎可以看成常數(shù)，比如油的粘度、體積系數(shù)、壓縮系數(shù)等，而氣體滲流中氣體的物性參數(shù)是壓力和溫度的函數(shù)關(guān)系，變化很大，不能處理為常數(shù)，但是在不同的壓力區(qū)間可以處理為不同的常數(shù)，因此微分方程存在壓力平方、壓力和擬壓力的三種形式，但這三種形式通過變換完全可以借用前面講油的滲流規(guī)律去研究氣體的滲流規(guī)律。同時引導(dǎo)學(xué)生對于氣藏多井生產(chǎn)時采用疊加原理時，使用壓降疊加呢？還是用擬壓降疊加，還是用壓力平方差疊加，同學(xué)們下去可以展開研究哪種疊加更符合實際生產(chǎn)。還有氣井的穩(wěn)定試井與油井的穩(wěn)定試井又有什么區(qū)別，為后面天然氣工程打下埋伏。

（四）單相流與多相流滲流理論的區(qū)別

單相滲流與多相滲流從滲流微分方程來說是完全一樣的，多相滲流微分方程看出多個單相滲流的組合，但這些組合不是孤立的，主要靠飽和度的歸一化與毛管力曲線方程以及相滲曲線聯(lián)系在一起，因此在講授單相微分方程建立完成后，聯(lián)系油層物理的內(nèi)容提出如何引入多相流的思考問題，借助油層物理思考方法可以直接引入多相滲流微分方程，在引入油水多相滲流之后，再提出思考如何引入油氣多相滲流問題，又可以借助油層物理油氣的溶解與分離理論，引入氣相的滲流，但油氣滲流與油水的滲流主要區(qū)別在于氣相的流動，氣相流動來源于兩部分，一部分是油藏中的自由氣，一部分是油中分離的溶解氣，溶解氣對于油相是流出，對于自由氣相是流入，因此導(dǎo)致油氣的密度都要發(fā)生變化，從而孔隙空間的飽和度相應(yīng)變化，因此在單相微分方程的基礎(chǔ)上稍微修改就可以得到油氣兩相滲流的微分方程。在前面油氣的區(qū)別基礎(chǔ)上，再次提出問題，是否可以建立氣水兩相滲流微分方程，為后期氣田開發(fā)理論理解更容易。從模型到應(yīng)用，還可以提出多相流的試井問題以及試井的多解性問題如何分析等問題。

（五）均質(zhì)與非均質(zhì)滲流理論的區(qū)別

在滲流力學(xué)教材中前七章的內(nèi)容都是針對均質(zhì)油藏或氣藏來說的，對于非均質(zhì)油藏滲流問題，教材書中只介紹裂縫-孔隙性雙重介質(zhì)油藏模型，在講授雙重解釋滲流微分方程時，如何將均質(zhì)滲流模型引入雙重介質(zhì)模型，教會學(xué)生如何理解雙重介質(zhì)，其實就是流體在不同孔隙之間的流動，因此可以將雙重介質(zhì)滲流看出兩個均質(zhì)孔隙介質(zhì)滲流的組合，但組合過程中必須明確流體的流動方向，對于裂縫-孔隙性介質(zhì)就可以看成純孔隙介質(zhì)滲流與純裂縫介質(zhì)滲流，兩個都可以看成均質(zhì)介質(zhì)流動，但必須有孔隙向裂縫中有流體流動，即存在竄流，用他將兩個均質(zhì)模型聯(lián)系起來，在教學(xué)過程中可以將其滲流模型擴充到三重介質(zhì)模型，裂縫-孔隙-溶洞，其關(guān)鍵是三者之間的流體流動關(guān)系，其流動關(guān)系清楚了微分方程就能很好理解了。

三、滲流微分方程模型求解方面的教學(xué)思考

涉及到滲流微分方程求解是學(xué)生們感到比較困難的問題，數(shù)學(xué)模型求解一般有兩種形式，一種是解析解，解析解只能宏觀上了解地層的流體流動規(guī)律，無法精細描述地層流體流動規(guī)律及流體的分布規(guī)律;第二種是數(shù)值解，這是觀測地層流體流動及分布規(guī)律的唯一手段，目前除了這種方法外沒有其他辦法指導(dǎo)地層石油開采。本科滲流力學(xué)要求主要介紹解析解，解析解主要是我們假設(shè)儲層是均質(zhì)的或簡單的非均質(zhì)儲層（雙重介質(zhì)），因此在教學(xué)過程中引入實際儲層是非均質(zhì)的，提出數(shù)學(xué)模型如何修正？數(shù)學(xué)模型求解又如何求解等問題？引導(dǎo)學(xué)生利用前期基礎(chǔ)高等數(shù)學(xué)的原理來解決這些問題，結(jié)合大學(xué)二年級的MathLab教學(xué)來解決儲層非均質(zhì)性的問題，為后面的油氣藏數(shù)值模擬提供前期了解。

四、滲流力學(xué)應(yīng)用方面的教學(xué)思考

在滲流力學(xué)教學(xué)過程中使學(xué)生明白學(xué)習(xí)過后主要在哪幾個方面應(yīng)用？一個方面就是常說的正問題，已知儲層的基本特征參數(shù)，需要預(yù)測井的產(chǎn)量或壓力;第二個方面就是反問題，已知井的產(chǎn)量或壓力，通過井的產(chǎn)量或壓力來了解儲層的特性，就是油氣井試井分析，主要又體現(xiàn)在兩方面，一方面與穩(wěn)定流相關(guān)的產(chǎn)能試井，在講產(chǎn)能試井的時候，由于油與氣的產(chǎn)能方程不同對應(yīng)不同產(chǎn)能測試方法與分析方法，體現(xiàn)前面說的“油與氣”的區(qū)別，另一方面就是不穩(wěn)定試井分析，這是后續(xù)課程油氣井試井分析要重點應(yīng)用的問題。

五、滲流力學(xué)教材改革的思考

《油氣層滲流力學(xué)》作為石油工程專業(yè)基礎(chǔ)課，在打牢專業(yè)基礎(chǔ)知識的同時，使學(xué)生能夠體現(xiàn)滲流力學(xué)的應(yīng)用與學(xué)習(xí)更深層次的知識，按前面“四”方面的教學(xué)區(qū)別，可以將試井分析課、油藏數(shù)值模擬課、油藏工程課與天然氣工程課中相關(guān)內(nèi)容整合到一起，不要每門課程中都出現(xiàn)雷同的教學(xué)內(nèi)容。油氣井試井分析、油藏工程與天然氣工程相應(yīng)內(nèi)容更能體現(xiàn)滲流力學(xué)在宏觀方面的應(yīng)用，油氣藏數(shù)值模擬更能體現(xiàn)滲流力學(xué)另外的解法和滲流力學(xué)在儲層微觀方面的應(yīng)用，使得石油工程專業(yè)教材更加優(yōu)化，少出現(xiàn)重復(fù)內(nèi)容。

六、提高教師滲流力學(xué)理論教學(xué)水平的思考

隨著我?！半p一流學(xué)科”的發(fā)展，學(xué)校引進了大量國內(nèi)外博士，這為我校在“雙一流學(xué)科”教學(xué)工作的開展注入了新的活力。在從事滲流力學(xué)課程建設(shè)中，首先鼓勵中青年教師先進行油層物理基礎(chǔ)知識的教學(xué)，在從事油層物理教學(xué)過程中加強與滲流力學(xué)及油藏工程的聯(lián)系，其次拓寬課堂教學(xué)內(nèi)容，比如由油水兩相理論拓寬到氣水兩相相滲的測試原理與方法，提高專業(yè)技術(shù)水平。同時，教師必須在科研項目中總結(jié)，只有把書本知識與油田實際問題結(jié)合，才能夠更深層次的理解滲流力學(xué)知識的應(yīng)用，也才能更好地給學(xué)生用講解好滲流力學(xué)[3，4]。

參考文獻：

[1]雷登生，戚志林，李澗松，等.《油氣層滲流力學(xué)》課程教學(xué)改革思考[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報（社會科學(xué)版），2011（12）：177-178.

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[3]張立強，國景星，等.“油氣田地下地質(zhì)學(xué)”教學(xué)改革與課程建設(shè)[J].高教論壇，2008（6）：49-51.

[4]王李波，劉寶忠，等.高校專業(yè)課教學(xué)探索與思考[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報：社會科學(xué)版，2010（1）：186-187.