學(xué)海濤博尋新理 心系油田求創(chuàng)新
——理論與采油生產(chǎn)結(jié)合 助推石油工業(yè)發(fā)展

賈振岐

（東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶 163318）

學(xué)海濤博尋新理 心系油田求創(chuàng)新
——理論與采油生產(chǎn)結(jié)合 助推石油工業(yè)發(fā)展

賈振岐

（東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶 163318）

闡述大慶油田注水開(kāi)發(fā)過(guò)程的水驅(qū)規(guī)律曲線、油井流入動(dòng)態(tài)關(guān)系（IPR）曲線、水平井采油、低滲透油藏非線性滲流特征、提高原油采收率過(guò)程的活化集成涌現(xiàn)理論等油藏工程前沿理論與技術(shù)，提出用數(shù)學(xué)歸納法實(shí)現(xiàn)水驅(qū)規(guī)律曲線的迭加性證明、注水開(kāi)發(fā)油藏的IPR方程的推導(dǎo)與應(yīng)用，裂縫長(zhǎng)度不對(duì)稱及裂縫沿井筒分布不均勻條件下的水平井產(chǎn)能方程、低滲透油藏非線性滲流的壓力分布與產(chǎn)能方程的建立，以及激活遷移束縛滯留油的活化集成涌現(xiàn)理論的提出與論述等創(chuàng)新性成果.

水驅(qū)規(guī)律曲線；流入動(dòng)態(tài)關(guān)系；水平井采油；非線性滲流；活化集成涌現(xiàn)

0 引言

大慶油田的油層是1.5億a前白堊紀(jì)時(shí)期沉積形成的陸相沉積儲(chǔ)層.那時(shí)的松遼盆地面積達(dá)26萬(wàn)km2，盆地中央沉積巖厚度達(dá)6km.這是生油和儲(chǔ)油的良好條件.受古地理?xiàng)l件、頻繁交替變化的古氣候的影響，儲(chǔ)油砂巖體間斷沉積下來(lái)，其形狀大小、內(nèi)部結(jié)構(gòu)差別很大.在注水開(kāi)發(fā)中，多孔介質(zhì)內(nèi)水驅(qū)油的推進(jìn)速度和能力有著明顯的不同，構(gòu)成層間、平面、層內(nèi)三大矛盾.面對(duì)復(fù)雜的地下形勢(shì)，大慶人在突破海相生油理論、發(fā)展完善陸相生油理論的基礎(chǔ)上，承擔(dān)起為國(guó)家多生產(chǎn)原油的重?fù)?dān)，采用早期內(nèi)部注水、保持地層壓力等創(chuàng)新的開(kāi)發(fā)理論與技術(shù)，闖過(guò)一道道難關(guān)，靠科技進(jìn)步、理論創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了油田高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn).

1 融入大慶找規(guī)律 理論推證夯基石

在一個(gè)油田投入開(kāi)發(fā)以后，研究其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，并運(yùn)用規(guī)律調(diào)整和完善油田開(kāi)發(fā)方案是極為重要的.研究油田動(dòng)態(tài)規(guī)律的方法有多種，如經(jīng)驗(yàn)方法、物質(zhì)平衡方法及數(shù)值模擬方法等.油田普遍采用的經(jīng)驗(yàn)方法是通過(guò)直接觀察油田的生產(chǎn)情況，收集足夠的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)油田生產(chǎn)中的規(guī)律，包括主要生產(chǎn)指標(biāo)的變化規(guī)律及各指標(biāo)之間的相互關(guān)系等.

經(jīng)驗(yàn)方法的一般工作程序是系統(tǒng)地觀察油田的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，準(zhǔn)確齊全地收集能說(shuō)明生產(chǎn)規(guī)律的資料，深入分析這些資料，以發(fā)現(xiàn)其中帶規(guī)律性的東西，進(jìn)而對(duì)帶規(guī)律性的資料和數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，并給出表達(dá)規(guī)律的經(jīng)驗(yàn)公式（包括經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的確定），這是經(jīng)驗(yàn)方法的第1個(gè)任務(wù).經(jīng)驗(yàn)方法的第2個(gè)任務(wù)在于運(yùn)用已經(jīng)總結(jié)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，說(shuō)明油田本身的生產(chǎn)過(guò)程，對(duì)今后的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè).

關(guān)于水驅(qū)規(guī)律曲線的研究始于20世紀(jì)60年代，人們通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析得到累計(jì)產(chǎn)油量Np和累計(jì)產(chǎn)水量Wp之間的線性關(guān)系［1－3］.

在實(shí)際工作中，人們發(fā)現(xiàn)如果2個(gè)油藏在同一坐標(biāo)系下都能繪出Wp－Np曲線的直線段，它們的斜率分別為a1和a2，當(dāng)把2條直線迭加起來(lái)，仍可得到一直線段，且它們的斜率等于（a1＋a2）.文獻(xiàn)［2］給出某油田4個(gè)井層的曲線及迭加后的曲線，見(jiàn)圖1.

馬克思說(shuō)過(guò)：“科學(xué)僅當(dāng)它成功地利用數(shù)學(xué)時(shí)才達(dá)到完善的程度”.文獻(xiàn)［4］由油田開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)資料給出的相對(duì)滲透率曲線的表達(dá)式入手，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格數(shù)學(xué)推證，得到水驅(qū)規(guī)律曲線的直線方程，并且用數(shù)學(xué)歸納法進(jìn)行迭加性證明，解決了這一難題.

數(shù)學(xué)科學(xué)中的抽象性和邏輯論證是相應(yīng)于數(shù)量關(guān)系和空間形式的內(nèi)部規(guī)律性的.為了展示高等數(shù)學(xué)中建立數(shù)學(xué)模型的生動(dòng)活潑過(guò)程，應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際問(wèn)題，引導(dǎo)人們從數(shù)量分析方面去觀察問(wèn)題、提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，即從對(duì)實(shí)際問(wèn)題作數(shù)量分析中逐步形成數(shù)學(xué)概念、方法等回到實(shí)際中去.文獻(xiàn)［5］圍繞油田開(kāi)發(fā)中的數(shù)學(xué)模型問(wèn)題給出了系統(tǒng)的推證，其內(nèi)容包括：（1）一維兩相滲流條件下行列注水油田的產(chǎn)量公式；（2）一維兩相滲流條件下面積注水油田的產(chǎn)量公式；（3）二維兩相平面滲流的數(shù)學(xué)模型；（4）水驅(qū)規(guī)律曲線表達(dá)式及迭加性論證；（5）概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)在油田開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用；（6）關(guān)于沃格流動(dòng)方程及其系數(shù)關(guān)系的推證.

圖1 某油田4個(gè)井層的油水關(guān)系曲線

2 創(chuàng)新技術(shù)指導(dǎo)生產(chǎn) 助推石油企業(yè)大發(fā)展

預(yù)測(cè)油井動(dòng)態(tài)的IPR曲線方法，是根據(jù)油井的壓力與產(chǎn)量的關(guān)系曲線計(jì)算油井的產(chǎn)能、預(yù)測(cè)未來(lái)動(dòng)態(tài)的方法.MuskatM在1942年首次采用采油指數(shù)（Productivity Index，簡(jiǎn)稱PI）的概念［6］，后來(lái)石油技術(shù)人員常常用這一概念預(yù)測(cè)油井動(dòng)態(tài).這種方法起初是在研究溶解氣驅(qū)油藏的油井流入動(dòng)態(tài)關(guān)系中提出來(lái)的［7－9］，后來(lái)被油藏工程師們推廣到地層壓力高于飽和壓力條件下開(kāi)發(fā)的油藏及部分水驅(qū)油藏［10－11］.

關(guān)于IPR曲線方法的應(yīng)用，美國(guó)森特里利夫（Centrilife）公司在“潛油電泵設(shè)備目錄”中給出了描述油井流入動(dòng)態(tài)特性的一套公式，廣泛應(yīng)用礦場(chǎng)，其內(nèi)容包括：（1）IPR曲線；（2）PI曲線；（3）PI－IPR曲線；（4）IPR曲線（考慮含水率）；（5）PI－IPR曲線（考慮含水率）.

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，應(yīng)用IPR曲線分析和預(yù)測(cè)油井動(dòng)態(tài)的方法得到迅速發(fā)展.此方法對(duì)壓力在飽和壓力以下開(kāi)發(fā)的各類溶解氣氣驅(qū)油藏較為有效.面對(duì)注水開(kāi)發(fā)的油藏，文獻(xiàn)［12］綜述國(guó)外研究狀況，對(duì)多種實(shí)用方法的內(nèi)容做了簡(jiǎn)述，并說(shuō)明其適用條件.

我國(guó)油田大都實(shí)行注水開(kāi)發(fā).油井在一定的含水率下進(jìn)行轉(zhuǎn)抽降壓強(qiáng)化開(kāi)采，當(dāng)流壓降低到飽和壓力以后，井周圍出現(xiàn)油、氣、水三相流動(dòng).為了有效地預(yù)測(cè)未來(lái)的動(dòng)態(tài)，根據(jù)油田的實(shí)際資料，推導(dǎo)出多類流動(dòng)方程［13］.文獻(xiàn)［13］所述的理論與方法對(duì)礦場(chǎng)大面積油井轉(zhuǎn)抽起到重要的推動(dòng)作用.

隨著油井轉(zhuǎn)抽井?dāng)?shù)的增多，以IPR方法為基礎(chǔ)，20世紀(jì)80年代發(fā)展起提高采油井產(chǎn)能的采油井生產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化方法.此方法是包含流體在油層中滲流、井筒的垂直管流及地面管線中的水平管流為一體的整體系統(tǒng)，內(nèi)含眾多而復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算起來(lái)十分復(fù)雜.鑒于礦場(chǎng)油井大都采用機(jī)械泵抽油及應(yīng)用中所采用的方程式的混亂情況，大慶油田進(jìn)行了多次技術(shù)研討會(huì).針對(duì)生產(chǎn)中的問(wèn)題，著述《油井流入動(dòng)態(tài)及抽油機(jī)井生產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化分析》［14］.該書(shū)按照科研、生產(chǎn)的需求，遵循現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)律，將油氣田開(kāi)采理論與技術(shù)推向新的高度，它代表當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)外石油開(kāi)采先進(jìn)技術(shù)的一個(gè)方面.

3 攻艱啃硬挑重?fù)?dān) 理論突破演奏新生產(chǎn)力

3.1 水平井采油技術(shù)

水平井采油法早在1928年國(guó)外就已提出，1930年美國(guó)開(kāi)始鉆世界上第1口水平井.在之后20a間出現(xiàn)許多水平井專利.20世紀(jì)40～70年代，美國(guó)和蘇聯(lián)打了水平井，但受當(dāng)時(shí)技術(shù)水平所限，鉆水平井費(fèi)用高，其結(jié)論是技術(shù)上可行，而經(jīng)濟(jì)上不合算，限制了水平井技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用.

20世紀(jì)70年代后期，美國(guó)、蘇聯(lián)、法國(guó)和加拿大等國(guó)家展開(kāi)了用水平井開(kāi)發(fā)油氣藏的研究.在水平井鉆井、完井、測(cè)井、油藏工程及采油工程等方面取得重大突破.進(jìn)入20世紀(jì)80年代，水平井開(kāi)采技術(shù)逐步成熟配套，主要表現(xiàn)：（1）水平井開(kāi)采技術(shù)的物理概念十分清楚，有著堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)；（2）水平井開(kāi)采的各種基本技術(shù)，如地質(zhì)模型、油藏工程研究、鉆井、完井、舉升、測(cè)試技術(shù)都已掌握；（3）通過(guò)室內(nèi)研究和礦場(chǎng)試驗(yàn)已獲得較高的開(kāi)采速度和經(jīng)濟(jì)效果；（4）水平井技術(shù)的應(yīng)用使一些常規(guī)方法無(wú)法開(kāi)采的油藏得到了開(kāi)發(fā)，增加了可開(kāi)采儲(chǔ)量.水平井在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用見(jiàn)到明顯效益，水平井完井?dāng)?shù)量逐年增多.由文獻(xiàn)［15－16］知，水平井可成功地用于開(kāi)采天然裂縫油藏、稠油油藏、氣頂?shù)姿筒?、低滲透油藏等，使油井產(chǎn)能提高2倍以上，最高達(dá)10倍，控制儲(chǔ)量增大2.5～4倍.進(jìn)入20世紀(jì)90年代后水平井技術(shù)得到迅速發(fā)展，可以說(shuō)水平井技術(shù)是當(dāng)時(shí)石油工業(yè)的一次革命.

“八五”期間，國(guó)家立項(xiàng)系統(tǒng)開(kāi)展了水平井開(kāi)采技術(shù)研究和試驗(yàn).大慶承擔(dān)“八五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目《大慶榆樹(shù)林低滲透油田水平井開(kāi)采技術(shù)》.研究中，經(jīng)過(guò)大慶外圍低滲透油田水平井機(jī)采方式的優(yōu)選、水平井流入動(dòng)態(tài)曲線分析、水平井井筒多相流動(dòng)及節(jié)點(diǎn)分析技術(shù)、水平井機(jī)采井下設(shè)備改進(jìn)與參數(shù)優(yōu)選、水平井泵況診斷技術(shù)等問(wèn)題的理論研究、模擬試驗(yàn)、軟件編制與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的攻關(guān)，形成了低滲透油田水平井油桿泵舉升的配套技術(shù).在水平井流入動(dòng)態(tài)曲線分析中，利用相似原理，建立了水平井電模擬裝置.結(jié)合電模擬結(jié)果，建立復(fù)雜生產(chǎn)條件下的水平井產(chǎn)能預(yù)測(cè)方法.該方法考慮了裂縫長(zhǎng)度的不對(duì)稱性、裂縫沿井筒分布的不均勻性對(duì)水平井產(chǎn)能的影響，其理論推導(dǎo)有突破，預(yù)測(cè)精度有較大提高.水平井實(shí)測(cè)產(chǎn)能的驗(yàn)證，產(chǎn)量的預(yù)測(cè)誤差小于10%.

低滲透油田水平井的流入動(dòng)態(tài)特征與油藏的物性、完井方式及實(shí)際的生產(chǎn)條件相關(guān).通過(guò)室內(nèi)電模擬研究，得到不同完井方式下壓力分布圖，并分析裂縫條數(shù)和裂縫沿水平井筒的分布對(duì)其產(chǎn)能的影響.結(jié)合電模擬的研究結(jié)果，考慮各種實(shí)際生產(chǎn)條件，如裂縫沿水平井筒分布的不均勻性，裂縫長(zhǎng)度的不對(duì)稱性及大段射孔等，嚴(yán)格推導(dǎo)出各類預(yù)測(cè)水平井產(chǎn)能的方程.用推導(dǎo)的方程對(duì)實(shí)鉆水平井的產(chǎn)量進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明方法是可行的，精度是高的.

基于電模擬研究的結(jié)果，繪制出的裂縫水平井及裂縫加大段射孔水平井的等壓線分布圖在已發(fā)表的文獻(xiàn)中未見(jiàn)報(bào)道，壓裂水平井產(chǎn)能預(yù)測(cè)方法達(dá)到了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平.其成果內(nèi)容“低滲透壓裂水平井的流入特征與產(chǎn)能”收編于大慶油田開(kāi)發(fā)建設(shè)35周年科技進(jìn)步系列叢書(shū)之四——油藏工程［17］中.

3.2 低滲透油田開(kāi)發(fā)

隨著人類對(duì)能源需求量的日益增加，人們對(duì)石油和天然氣的需求更高.世界石油工業(yè)開(kāi)發(fā)對(duì)象的發(fā)展趨勢(shì)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分布廣、儲(chǔ)量大、產(chǎn)能高的油田開(kāi)發(fā)進(jìn)入中后期，比較復(fù)雜的低滲透油田所占的比例愈來(lái)愈大.

低滲透油田滲流問(wèn)題的研究起步較早，蘇聯(lián)學(xué)者布茲列夫斯基НЛ在1924年就已提出.特列賓ФА首先提出了石油滲流時(shí)破壞線性達(dá)西流的問(wèn)題.半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，人們對(duì)流體在低滲透油層的滲流特征和壓力分布［18－20］進(jìn)行了研究.

在開(kāi)發(fā)低滲透油氣藏的過(guò)程中，促進(jìn)了對(duì)地質(zhì)特征分析和采油工藝技術(shù)的發(fā)展［21－22］.在油藏工程計(jì)算中，大都采用中高滲透油藏所用的方法，這在生產(chǎn)中出現(xiàn)許多矛盾和難題，急需較深的滲流理論給出解釋.為此進(jìn)行了“朝陽(yáng)溝低滲透油層水驅(qū)油機(jī)理及應(yīng)用”艱苦攻關(guān).采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)＋礦場(chǎng)資料統(tǒng)計(jì)分析＋理論推證的方法，證實(shí)了低滲透非線性滲流是客觀存在的，并給出描述非達(dá)西滲流的三類方程；擴(kuò)展了壓力分布理論，揭示出低滲透油藏壓力傳導(dǎo)與流度比的“蛇”形曲線關(guān)系；以低滲介質(zhì)的彈塑性變形和非牛頓原油的流變特點(diǎn)為基礎(chǔ)所建立的滲流場(chǎng)顯示出新的特征［23－25］.這些突破性的研究成果為高效開(kāi)發(fā)低滲透油藏提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù).

在深入理論研究的同時(shí)，針對(duì)低滲透油藏注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中呈現(xiàn)出的油井產(chǎn)水快速上升、產(chǎn)能下降、供液能力差、低產(chǎn)低效的局面，選用自制的以微生物表面活性劑為主的菌液，在室內(nèi)進(jìn)行驅(qū)油實(shí)驗(yàn)取得成效的基礎(chǔ)上，推入礦場(chǎng)進(jìn)行先導(dǎo)性試驗(yàn).結(jié)果表明，利用微生物調(diào)剖驅(qū)油，能降低注水井的注水壓力為25.3%～61.0%，提高原油采收率3%以上，改善注采狀況，對(duì)區(qū)塊起到降水增油的作用，使油藏產(chǎn)生新的生產(chǎn)力［26］.

低滲透油藏微觀孔喉網(wǎng)絡(luò)通道細(xì)小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，滲流的環(huán)境條件多種多樣，使得體系內(nèi)存在多種相界面.在注水開(kāi)發(fā)中，相界面的變化引發(fā)多種物理過(guò)程和化學(xué)反應(yīng).這些過(guò)程和反應(yīng)包括膠團(tuán)、蠟晶層、礦物微粒、泥鹽垢、原油乳化的生成、聚沉、運(yùn)移和消散等，其物理過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果導(dǎo)致介質(zhì)和流體的某些組分互相轉(zhuǎn)換，使得介質(zhì)內(nèi)表面的穩(wěn)固性和流體的均衡性受到破壞，誘導(dǎo)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能也隨空間和時(shí)間而變化；因此，流體在低速情況下，呈現(xiàn)出非達(dá)西滲流或非線性滲流的特征.對(duì)低滲透油藏滲流特征，文獻(xiàn)［27－33］給出了不同的描述與表征.

在油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中，當(dāng)系統(tǒng)演化進(jìn)入復(fù)雜混沌區(qū)域由不穩(wěn)定態(tài)向動(dòng)平衡變化時(shí)，微觀狀態(tài)的變化誘發(fā)有序因子的競(jìng)爭(zhēng)與選擇，相關(guān)性遞增或遞減引發(fā)系統(tǒng)組元自發(fā)組織，形成結(jié)構(gòu)、導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)的躍遷，這就是非線性機(jī)制的本質(zhì)所在，也就是說(shuō)，油藏動(dòng)態(tài)系統(tǒng)具有非線性作用3個(gè)特點(diǎn).

（1）非獨(dú)立的相干性.相干是一種總體效應(yīng)，它以介質(zhì)與流體、流體相之間獨(dú)立性的喪失為條件.在非線性作用下，線性疊加失效；油藏內(nèi)除體相流體外，在相界面存在多相共集區(qū)域（新基核產(chǎn)生和生長(zhǎng)的混合域）內(nèi)，流體相間的非線性作用引出復(fù)雜流體的形態(tài)演變.

（2）在時(shí)空中的非均勻性.隨著時(shí)間、地點(diǎn)、條件的不同，非線性相互作用的方式和效應(yīng)也迥然不同.廣義地講，激活、遷移束縛滯留油的過(guò)程中可存在多種復(fù)雜現(xiàn)象.這是在給定的驅(qū)替方式下，多種因素通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)與協(xié)同所呈現(xiàn)出1種或2種為主的態(tài)勢(shì).

（3）多體間的非對(duì)稱性.由于相互作用的對(duì)象之間存在著支配與從屬、策動(dòng)與響應(yīng)、控制與反饋、催化與被催化等關(guān)系，所以作用的各方不存在明顯的對(duì)稱性，表現(xiàn)出對(duì)流分岔、自組織相變、復(fù)雜適應(yīng)遞進(jìn)突變、活化集成涌現(xiàn)的現(xiàn)象.

這3種非線性作用特點(diǎn)表明，油藏動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的非平衡態(tài)約束把從環(huán)境輸入的物質(zhì)、能量轉(zhuǎn)變成系統(tǒng)內(nèi)的勢(shì)差，可產(chǎn)生局部失穩(wěn)擾動(dòng)場(chǎng)；組元間隨時(shí)空變化的非線性作用導(dǎo)致流體重構(gòu)，演繹出可變的流動(dòng)過(guò)程集合體，呈現(xiàn)出以對(duì)稱破缺、多重選擇和長(zhǎng)程相關(guān)為特征的動(dòng)態(tài).從物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)換的角度揭示出油藏動(dòng)態(tài)系統(tǒng)演化的本質(zhì)內(nèi)涵是非線性滲流理論的重大突破.

文獻(xiàn)［34］針對(duì)低滲透油田的特點(diǎn)，通過(guò)理論分析和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，得到了低滲透巖心的非線性滲流特征、油水井間的壓力分布公式及油井的產(chǎn)量公式，并與非達(dá)西線性滲流對(duì)比，發(fā)現(xiàn)非線性滲流的油井指示線不是直線而是曲線，并且在全程的滲流過(guò)程中壓力消耗都很大.此外，在相同的滲流條件下，非線性滲流的壓力消耗在滲流的全程都比非達(dá)西線性滲流要大.非達(dá)西線性滲流與非線性滲流的壓力分布曲線見(jiàn)圖2，非達(dá)西線性滲流與非線性滲流的生產(chǎn)曲線見(jiàn)圖3.

圖2 非達(dá)西線性滲流與非線性滲流的壓力分布曲線

圖3 非達(dá)西線性滲流與非線性滲流的生產(chǎn)曲線

對(duì)特低滲透油藏，流體的滲流能力與流體、巖石表面性質(zhì)相關(guān)：當(dāng)巖石滲透率不同時(shí)，單相滲流呈現(xiàn)出擬彈性流變（Ⅰ）、過(guò)渡流變（Ⅱ1，Ⅱ2）及塑性蠕變（Ⅲ）4個(gè)流變區(qū)［35］；兩相滲流實(shí)驗(yàn)表明，水相相對(duì)滲透率曲線呈現(xiàn)出凹向和凸向含水飽和度軸及反“S”型3種形式，反應(yīng)出其水驅(qū)油過(guò)程的多變性和復(fù)雜性［36］.

4 多學(xué)科融合尋新的增長(zhǎng)點(diǎn) 重構(gòu)理論體系勇向前

隨著當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的深入發(fā)展，自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)和技術(shù)科學(xué)相互滲透，學(xué)科緊密結(jié)合的趨勢(shì)日益增強(qiáng)，人類開(kāi)始進(jìn)入一個(gè)嶄新的知識(shí)綜合的時(shí)代.面對(duì)新知識(shí)的綜合，現(xiàn)實(shí)社會(huì)中的研究課題大都是一個(gè)多學(xué)科、多層次的綜合研究的體系.現(xiàn)實(shí)問(wèn)題是研究的中心，而學(xué)科是研究的手段.一個(gè)學(xué)科不過(guò)是對(duì)問(wèn)題研究的一個(gè)側(cè)面或一種深度，最后各方面的研究還要加以綜合形成理論和對(duì)策.

儲(chǔ)存油氣的巖體是在特定的沉積環(huán)境下形成的三維地質(zhì)體.油藏未開(kāi)發(fā)前，介質(zhì)和流體的存在狀態(tài)具有多樣性，各相間處于熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、機(jī)械力學(xué)、化學(xué)等相對(duì)穩(wěn)定、平衡、有序的狀態(tài).

進(jìn)入開(kāi)發(fā)階段后，由于外界能量、物質(zhì)的進(jìn)出，某些滲流條件、化學(xué)成分的改變破壞了原有的平衡，發(fā)生相應(yīng)的物理過(guò)程、化學(xué)反應(yīng)和生理活動(dòng)，使得油藏由平衡態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定、隨機(jī)、多變的動(dòng)平衡演化態(tài)，其動(dòng)平衡演化態(tài)特征呈現(xiàn)多種復(fù)雜現(xiàn)象，如混沌分形、自組織臨界、復(fù)雜適應(yīng)涌現(xiàn)及活化集成涌現(xiàn)等現(xiàn)象.

三次采油主要指聚合物、表面活性劑、堿溶液及它們的組合體系的驅(qū)油方式.文獻(xiàn)［37－47］對(duì)驅(qū)油機(jī)理及過(guò)程進(jìn)行了闡述，取得的共同認(rèn)識(shí)為驅(qū)油的動(dòng)力是靠聚合物的黏彈性產(chǎn)生的剪切拉伸作用和表面活性劑的相界面作用，且驅(qū)油過(guò)程中流態(tài)是演變的.

在三次采油提高原油采收率的過(guò)程中，其開(kāi)采對(duì)象是水驅(qū)束縛剩余油.在向油層注入化學(xué)驅(qū)油體系驅(qū)替水驅(qū)滯留油過(guò)程中，油層內(nèi)流體與巖石、流體與流體間常發(fā)生較激烈的物理過(guò)程、化學(xué)反應(yīng)和生理活動(dòng)，使得介質(zhì)內(nèi)表面的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和流體均衡性受到破壞，導(dǎo)致油藏動(dòng)態(tài)系統(tǒng)更加復(fù)雜化.然而，在化學(xué)復(fù)合驅(qū)數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)和求解中，應(yīng)滿足達(dá)西定律（非牛頓流動(dòng)中達(dá)西方程中的相黏度為表觀黏度）、固相為靜止穩(wěn)定的且忽略沉淀或溶解反應(yīng)而引起的壓力和體積的變化等因素的影響［48］.這樣處理與實(shí)際油藏驅(qū)油過(guò)程的非平衡狀態(tài)差距較大，尤其在開(kāi)發(fā)低滲透油藏時(shí)，由于低滲透油藏微觀孔喉網(wǎng)絡(luò)通道細(xì)小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，滲流的環(huán)境條件多種多樣，使得油藏系統(tǒng)內(nèi)存在多種相界面.

油田進(jìn)入高含水采收期，開(kāi)采的主要對(duì)象是相界面域內(nèi)的束縛滯留油，此時(shí)提高原油采收率的關(guān)鍵在于激活遷移束縛滯留油.為認(rèn)識(shí)提高原油采收率的原理及本質(zhì)內(nèi)涵，將開(kāi)發(fā)過(guò)程的油藏動(dòng)態(tài)系統(tǒng)看作是開(kāi)放系統(tǒng)，在系統(tǒng)與環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)、能量及信息的交流、轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)倪^(guò)程中考察、分析問(wèn)題；建立沿程具有等距離的測(cè)壓取樣孔的雙層非均質(zhì)模型，進(jìn)行驅(qū)替水驅(qū)滯留油實(shí)驗(yàn)；依據(jù)油層自身的非均質(zhì)性，采用循環(huán)注入方式壓進(jìn)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚表劑溶液加水加表面活性劑溶液組合段塞體系，通過(guò)測(cè)試注入過(guò)程中沿程不同點(diǎn)的壓力和流體樣品的組分、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、黏度的變化，實(shí)現(xiàn)局部擾動(dòng)場(chǎng)的分析、構(gòu)造與描述；引進(jìn)物理化學(xué)、熱力學(xué)、微觀動(dòng)力學(xué)等理論，突破層次概念的束縛，首次將微觀分子熱運(yùn)動(dòng)、介觀分子聚集體行為及宏觀物理化學(xué)現(xiàn)象鏈接起來(lái)，繪制出局部擾動(dòng)場(chǎng)的流態(tài)圖，將提高原油采收率的研究引領(lǐng)到一個(gè)全新的領(lǐng)域［49］.

在提高原油采收率的過(guò)程中，涉及多種隨時(shí)間和空間變化的界面現(xiàn)象，包括流體的傳質(zhì)、傳熱、動(dòng)量傳遞，相的特征及毛細(xì)管力、浮力和黏滯力之間的相互作用.針對(duì)界面域內(nèi)的演變、多樣化和不穩(wěn)定的流體流動(dòng)形態(tài)的轉(zhuǎn)化過(guò)程，在論述激活遷移滯留油的基礎(chǔ)上，引進(jìn)物理化學(xué)、非平衡態(tài)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、活力學(xué)、微觀動(dòng)力學(xué)的有關(guān)理論，提出活化集成涌現(xiàn)和活力觀的概念與理論，闡述活化集成涌現(xiàn)過(guò)程主要包括的失穩(wěn)分解和成核生長(zhǎng)機(jī)制及其過(guò)程；在論述系統(tǒng)演化與質(zhì)能轉(zhuǎn)換的關(guān)系中，突破物理學(xué)與化學(xué)的界限，闡明狀態(tài)參數(shù)火用的含義，指出在界面域內(nèi)激活遷移滯留油的多勢(shì)場(chǎng)中，火用效應(yīng)、熵效應(yīng)、場(chǎng)效應(yīng)是共存的，其競(jìng)爭(zhēng)與協(xié)同的交叉作用的方式、數(shù)量與質(zhì)量的差異鑄就出多變的構(gòu)形，這是非平衡動(dòng)態(tài)系統(tǒng)演化的本質(zhì)內(nèi)涵（內(nèi)動(dòng)力）所在.它將提高原油采收率的研究推進(jìn)到一個(gè)新的層面，同時(shí)也為探索客觀世界（尤其是具有生理活動(dòng)）的復(fù)雜現(xiàn)象提供新的途徑和方法［50］.

活化集成涌現(xiàn)過(guò)程通過(guò)把系統(tǒng)的元素（具有一定結(jié)構(gòu)的組件）理解為可活化的（潛在有活的功能）.物質(zhì)具有固有特性（物理的、化學(xué)的或生理的）和被激發(fā)產(chǎn)生響應(yīng)的分散體（組分），在經(jīng)過(guò)化學(xué)的或生理的聚凝集成重新組裝成具有一定結(jié)構(gòu)的功能團(tuán)或子系統(tǒng)，進(jìn)而構(gòu)建起組合體.引起宏觀狀態(tài)變化的“涌現(xiàn)”概念，支持由靜變動(dòng)、由小生大、由簡(jiǎn)單產(chǎn)生復(fù)雜的觀念，即活化集成造就復(fù)雜性.活化集成涌現(xiàn)理論可用于揭示固定結(jié)構(gòu)蘊(yùn)含著活性功能的奧秘.

活化集成涌現(xiàn)過(guò)程的關(guān)鍵在于高度集成性.含高分子的復(fù)雜（結(jié)構(gòu)）流體的奇異性質(zhì)和功能來(lái)源并取決于動(dòng)態(tài)自組裝過(guò)程（系統(tǒng)通過(guò)能量、物質(zhì)的傳輸使其有序性增加）.過(guò)程中多種化學(xué)復(fù)相分解與生化分離的分子聚集體行為，基于物質(zhì)、能量和信息的傳遞與轉(zhuǎn)換而有效的組合（集成）演變，同時(shí)促進(jìn)了相互的交叉、滲透和融合，有效地縮短了行程、加快了速度和提高了效率，從整體上實(shí)現(xiàn)了過(guò)程的優(yōu)化.

系統(tǒng)與外界環(huán)境之間的物質(zhì)、能量交換可以通過(guò)做功和傳熱實(shí)現(xiàn).功和熱量作為過(guò)程量，在能量耗散熱力學(xué)系內(nèi)，二者在物質(zhì)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，人類從物理學(xué)角度給出的層面是不同的，熱量主要是微觀分子層面（熱擴(kuò)散），功量主要是宏觀系統(tǒng)層面（功聚凝）；二者在系統(tǒng)演化過(guò)程中的作用是相悖的.由物理化學(xué)理論推知質(zhì)能轉(zhuǎn)換在熱能耗散、功質(zhì)聚凝和質(zhì)能活化集成等不同的演化過(guò)程中都同時(shí)存在；能量的耗散退化方向的判據(jù)是熵增，功質(zhì)聚凝進(jìn)化方向的判據(jù)是火用生，活化集成系統(tǒng)的演化方向的判據(jù)是熵增率和火用生率的競(jìng)爭(zhēng)與協(xié)調(diào).在提高原油采收率的過(guò)程中，發(fā)生在界面域內(nèi)的激活遷移滯留油過(guò)程的火用變和熵變共存，加之動(dòng)力場(chǎng)的效應(yīng)，其競(jìng)爭(zhēng)與協(xié)同交叉作用的方式、數(shù)量與質(zhì)量的差異鑄就出多變的構(gòu)形，這是非平衡動(dòng)態(tài)系統(tǒng)演化的本質(zhì)內(nèi)涵（內(nèi)動(dòng)力）所在.

當(dāng)人們步入活化集成涌現(xiàn)這一新的領(lǐng)域，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜逐步深入.開(kāi)發(fā)后的油藏是個(gè)巨大的物理、化學(xué)、生物反應(yīng)器.在分析油藏動(dòng)態(tài)時(shí)將從物理學(xué)和化學(xué)中的例子開(kāi)始，然后到工程學(xué)、生物學(xué)，進(jìn)而論述經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)的問(wèn)題，繼而從簡(jiǎn)單事例獲得經(jīng)驗(yàn)，用于解決較復(fù)雜的問(wèn)題.

5 結(jié)束語(yǔ)

半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，大慶油田靠先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，如早期內(nèi)部非平衡注水，由粗到細(xì)的分層開(kāi)采工藝，水驅(qū)、聚驅(qū)采油技術(shù)等，創(chuàng)造了世界采油史上的奇跡.在規(guī)劃油田未來(lái)發(fā)展中，為實(shí)現(xiàn)“持續(xù)有效發(fā)展，創(chuàng)建百年油田”宏偉目標(biāo)，提出“以技術(shù)換資源、以技術(shù)闖市場(chǎng)、以技術(shù)創(chuàng)名牌、以技術(shù)謀發(fā)展”的策略.這是實(shí)施科學(xué)發(fā)展的具體表現(xiàn).

科教興國(guó)、創(chuàng)新是民族復(fù)興的靈魂，也是大學(xué)的靈魂.2010年1月26日上午，溫家寶總理與來(lái)自科教文衛(wèi)體各界10位代表會(huì)談中說(shuō)：“一所好的大學(xué)，在于有自己獨(dú)特的靈魂，這就是獨(dú)立思考、自由表達(dá).”作為大學(xué)教授，應(yīng)勇敢承擔(dān)起傳授、物化和創(chuàng)新知識(shí)的重任：讀萬(wàn)卷書(shū)混沌態(tài)下傳承拼搏，探討人世間的奧妙與真理；尋源理術(shù)有序流中創(chuàng)新挺進(jìn)，向著科學(xué)無(wú)限風(fēng)光的險(xiǎn)峰攀登！

自然界充滿著物質(zhì)的代謝及物理化學(xué)和生物的轉(zhuǎn)化.21世紀(jì)的今天，信息時(shí)代、知識(shí)經(jīng)濟(jì)已展示出五彩繽紛的畫(huà)面.21世紀(jì)的明天，活化時(shí)代、萬(wàn)物復(fù)興，智熵經(jīng)濟(jì)會(huì)演藝出耀眼異彩的壯觀景象.多學(xué)科的交叉和融合、不同學(xué)科領(lǐng)域的整合催生著新的科技增長(zhǎng)點(diǎn)，蘊(yùn)藏著高新技術(shù)與原創(chuàng)性理論.

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Searching for new theory in academic fields and devoting oneself to oil industry by seeking innovation——theory combined with oil recovery production，promoting the developmentof oil industry／2010，34（5）：80－86

JIA Zhen－qi
（Key Lab for Enhancing Oil and Gas Recovery，NortheastPetroleum University，Daqing，Heilongjiang163318，China）

This paper mainly described frontier technology and theory of reservoir engineering in the process of water－flooding and developmentof Daqing oilfield，including water drive curves，oil well inflow performance relationship（IPR）curve，horizontal well for oil recovery，nonlinear seepage flow feature of low permeability pools and activated－integrated emergence theory of recovery enhancing process.The superposition proof of water drive curves and the derivation and application of IPR equation of oil reservoir of water flooding have been realized by mathematical induction，establishing horizontal well productivity equation which conditions in the crack length asymmetric and uneven distribution of crack along the shaft，nonlinear seepage flow pressure distribution and productivity equation of low permeability pools as well as proposition and dissertation of activated－integrated emergence of activating and removing irreducible residentoil，these innovative achievements live up to，from differentaspects，advanced level athome and abroad.

water drive curves；inflow performance relationship；horizontal well for oil recovery；nonlinear seepage flow；activated－integrated emergence

book=5,ebook=283

TE31

A

1000 1891（2010）05 0080 07

2010 06 10；編輯：關(guān)開(kāi)澄

賈振岐（1944－），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事油氣田開(kāi)發(fā)工程方面的研究.