《油气层渗流力学》教学思考

王怒涛

摘  要：油气层渗流力学是石油与天然气开发必修的一门专业基础课，是研究油气藏流体在多孔介质储层中的渗流形態和渗流规律的一门学科，它是认识和改造油气藏的基础理论，它贯穿于油气田开发的全过程，是油气田科学开发的基础，涉及多孔介质理论、物理化学、固体力学、生物学等多门学科。其主要特点是以油气渗流实验研究为手段，以数学力学为工具，采用多学科交叉渗透结合的研究方法，建立油气藏科学开发的渗流力学理论。渗流力学研究的内容复杂、抽象，工程应用性非常强，流动环境难以准确描述，因此导致学生学起来感觉困难重重。根据作者多年的教学思考，也在渗流力学教学方面做了大量改进工作，总结出油气层渗流力学的教学经验有助于学生对渗流力学的理论及应用的理解。

关键词：渗流;实验;储层;流动规律

中图分类号：G642         文献标志码：A         文章编号：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

《油气层渗流力学》课程是石油工程专业的核心课程，是油气田开发设计、动态分析、油气井开采、增产工艺、反求地层参数、提高采收率等的理论基础，是学好石油工程其它专业课如《油藏工程》、《采油工程》、《油藏数值模拟》、《试井分析》的关键课程之一。本门课程的主要目的与任务是让学生掌握油气在储层中的渗流的基本概念、基本规律，学会研究油气在复杂工程问题中渗流的基本方法，为学好其它专业课程打好理论基础。

通过本课程的教学，使学生达到以下课程目标：1. 通过本门课程的学习，使学生系统地掌握油气层渗流的基本概念、基本规律。在单相流体渗流部分，掌握稳定渗流时，各种情况下的水动力学场及其特征参数，井间干扰及叠加原理，不稳定渗流的压力传播规律、动态特征，气体渗流的特点，双重介质渗流的特征;在多相流部分，了解油气两相渗流物理过程及渗流数学模型，掌握油水两相流、非活塞式水驱油的理论和方法。2. 培养学生利用油气层渗流的基本概念、基本规律对复杂油气层渗流过程进行识别和表达的能力，能够将实际的复杂渗流过程进行简化、组合，选择合理的表达方式，建立渗流数学模型。3. 通过课程所属渗流力学实验，培养团队协作精神，在学生掌握实验基本原理、流程和操作步骤的基础上，通过综合渗流基本原理、数学方法、数据分析等完成实验报告，得出正确认识与结论，具备解决石油工程复杂问题的实验研究能力，能够进行实验设计、实验操作。4. 培养基于科学原理和石油工程专业基础知识对石油工程复杂问题开展深入专业研究的能力。在掌握油气渗流的基本概念、渗流规律的基础上，初步具备研究复杂工程问题中油气层渗流相关问题的能力。

许多老师和学生都感觉到渗流力学理论比较抽象、数学模型复杂，非常难以理解[1]。的确是这样，其实油气藏渗流力学理论不外乎分为两部分，一部分不涉及到传热与传质的流体渗流理论，这部分理论相对简单些，其实就是常规油气藏的开采，即压力与产量的关系，单相流动与多相流动的关系;另一部分是涉及到传热与传质的渗流理论，第二部分理论要求更高，涉及到传热与传质理论，就是非常规油气藏的开采，比如稠油热采、聚合物驱、化学驱等，这部分内容在本科教学中暂时不讨论。对于第一部分理论来说要使学生明白与后续课程的关系，油气层渗流力学理论主要在两个方面的应用，宏观方面的应用就是油气井试井分析，它是我们监测地层能量变化和获取地层参数的主要手段，没有它油藏工程的动态分析就是空中楼阁，在微观方面的应用就是油气藏数值模拟，至少目前它是我们窥探油气藏内部变化规律的唯一手段，可想渗流力学在油田开发中的重要性，下面是我对油气层渗流力学教学思考。

一、对学生讲清楚油气层渗流力学在专业课中的位置

油气层渗流力学是石油工程专业的核心课程，起承前启后的作用，承接学生在前期学习的数学、物理、化学等基础课以及石油地质、油层物理等专业课基础课上开展渗流力学理论学习，启后为大三大四的专业应用课提供基本原理。使学生明白前面的基础理论实际是为渗流力学提供静态基础数据和基础实验以及解决问题的手段与方法（计算数学与物理化学知识），而渗流力学是要回答如何将这些静态参数动态化？将这些静态参数动态化后又如何来解决实际生产问题？简单地说就是将复杂的地层渗流物理模型用数学模型来描述，然后对数学模型进行求解来研究流体在地层中的流动规律，只有通过这种手段才能知道地下流体的分布状况。由于地下油气储集和渗流通道非常复杂，不但有孔隙、裂缝甚至还有溶洞，但是描述这些储层的基础数据和实验难以获取，使得渗流力学应用与实际相差甚远，反之我们要如何应用的渗流理论来修正这些静态参数？如何来修正这些静态参数，就是后续课程油气井试井分析与油气藏数值模拟课程要应用的问题，使学生明白其重要性，自然会花时间学好。

二、渗流力学教学中做到“五”方面的区别教学

如果老师在教学过程中，将以下“五”方面的区别教给学生，学生在后续的课程学习中应该非常轻松。

（一）线性渗流与非线性渗流的区别

首先流体在多孔介质中的流动，我们称为渗流，由于地层岩石孔隙空间结构复杂，从而决定了流体在多孔介质中具有渗流阻力大、渗流速度小的流动特点，因此把流速与压差成线性关系的流动称为达西流动或称为线性渗流，反之流速与压差不成线性关系称为非线性渗流，不成线性关系分两种情况，一是渗流速度非常低，甚至流体流动需要一定的压差才能流动，此压差称为启动压差，常用启动压力梯度来描述低速非达西渗流;二是渗流速度较高的情况下，流体流动除了克服流体的粘滞阻力外，还要克服速度引起的惯性阻力，常用二项式来描述。一般对于油在地层中流动常采用线性流，而气体在地层中流动采用高速非线性流动。气体具有高压缩性在地面与地下的渗流速度相差是非常大的，假设100万方/天的气井产量在地面条件下0.1米的油管生产可以达到200米/秒左右的速度，这样的速度非常高，远远超过第一宇宙速度，而实际地层中的速度大概只有1.0米/秒左右，流体在地下流动的速度是非常小的，因此如何区分气体在地层中是线性流动还是非线性流动的问题是渗流力学建立数学模型首先考虑的问题，目前如何区分是线性流动还是非线性流动的难题，有待于渗流力学教学老师继续研究。

（二）油气层稳定流理论与不稳定渗流理论的区别

从哲学的观点看，稳定是相对的，不稳定是绝对的，因此在实际生产过程中，绝对稳定生产的几乎没有，只是在一定的范围和一定的时间里，可以将生产看成稳定生产，从而处理为稳定流动，稳定渗流理论的应用条件是将多孔介质与流体都看出不可压缩，即都是刚性体，从压力波传播看，瞬间完成，同时外围必须有流体补充，而不稳定渗流理论的条件是多孔介质与流体都弹性体，压力波传播不是瞬间完成的，压力波传播随时间变化。稳定流渗流理论主要用于产能试井分析，获取单井的产能，用于优化配产，不稳定渗流理论主要用于不稳定试井分析，用于地层能量变化储层物性变化监测。不管是稳定试井还是不稳定试井一定要让学生明白为什么现场上以试井为主进行产量分析和压力分析，結合油层物理分析其原因在于储层分布非均质性造成，岩心分析不能完全代表储层的性质。

（三）油与气渗流理论区别

油与气的主要区别在于油气的物理性质不同，油一般是微可压缩流体，而气体是可压缩流体，其连续性方程是完全相同的，边界条件与初始条件都是相同的，在微分方程求解过程稍有区别，主要区别在于油、气的高压物性随压力、温度变化不同，原油物性参数变化很小，甚至几乎可以看成常数，比如油的粘度、体积系数、压缩系数等，而气体渗流中气体的物性参数是压力和温度的函数关系，变化很大，不能处理为常数，但是在不同的压力区间可以处理为不同的常数，因此微分方程存在压力平方、压力和拟压力的三种形式，但这三种形式通过变换完全可以借用前面讲油的渗流规律去研究气体的渗流规律。同时引导学生对于气藏多井生产时采用叠加原理时，使用压降叠加呢？还是用拟压降叠加，还是用压力平方差叠加，同学们下去可以展开研究哪种叠加更符合实际生产。还有气井的稳定试井与油井的稳定试井又有什么区别，为后面天然气工程打下埋伏。

（四）单相流与多相流渗流理论的区别

单相渗流与多相渗流从渗流微分方程来说是完全一样的，多相渗流微分方程看出多个单相渗流的组合，但这些组合不是孤立的，主要靠饱和度的归一化与毛管力曲线方程以及相渗曲线联系在一起，因此在讲授单相微分方程建立完成后，联系油层物理的内容提出如何引入多相流的思考问题，借助油层物理思考方法可以直接引入多相渗流微分方程，在引入油水多相渗流之后，再提出思考如何引入油气多相渗流问题，又可以借助油层物理油气的溶解与分离理论，引入气相的渗流，但油气渗流与油水的渗流主要区别在于气相的流动，气相流动来源于两部分，一部分是油藏中的自由气，一部分是油中分离的溶解气，溶解气对于油相是流出，对于自由气相是流入，因此导致油气的密度都要发生变化，从而孔隙空间的饱和度相应变化，因此在单相微分方程的基础上稍微修改就可以得到油气两相渗流的微分方程。在前面油气的区别基础上，再次提出问题，是否可以建立气水两相渗流微分方程，为后期气田开发理论理解更容易。从模型到应用，还可以提出多相流的试井问题以及试井的多解性问题如何分析等问题。

（五）均质与非均质渗流理论的区别

在渗流力学教材中前七章的内容都是针对均质油藏或气藏来说的，对于非均质油藏渗流问题，教材书中只介绍裂缝-孔隙性双重介质油藏模型，在讲授双重解释渗流微分方程时，如何将均质渗流模型引入双重介质模型，教会学生如何理解双重介质，其实就是流体在不同孔隙之间的流动，因此可以将双重介质渗流看出两个均质孔隙介质渗流的组合，但组合过程中必须明确流体的流动方向，对于裂缝-孔隙性介质就可以看成纯孔隙介质渗流与纯裂缝介质渗流，两个都可以看成均质介质流动，但必须有孔隙向裂缝中有流体流动，即存在窜流，用他将两个均质模型联系起来，在教学过程中可以将其渗流模型扩充到三重介质模型，裂缝-孔隙-溶洞，其关键是三者之间的流体流动关系，其流动关系清楚了微分方程就能很好理解了。

三、渗流微分方程模型求解方面的教学思考

涉及到渗流微分方程求解是学生们感到比较困难的问题，数学模型求解一般有两种形式，一种是解析解，解析解只能宏观上了解地层的流体流动规律，无法精细描述地层流体流动规律及流体的分布规律;第二种是数值解，这是观测地层流体流动及分布规律的唯一手段，目前除了这种方法外没有其他办法指导地层石油开采。本科渗流力学要求主要介绍解析解，解析解主要是我们假设储层是均质的或简单的非均质储层（双重介质），因此在教学过程中引入实际储层是非均质的，提出数学模型如何修正？数学模型求解又如何求解等问题？引导学生利用前期基础高等数学的原理来解决这些问题，结合大学二年级的MathLab教学来解决储层非均质性的问题，为后面的油气藏数值模拟提供前期了解。

四、渗流力学应用方面的教学思考

在渗流力学教学过程中使学生明白学习过后主要在哪几个方面应用？一个方面就是常说的正问题，已知储层的基本特征参数，需要预测井的产量或压力;第二个方面就是反问题，已知井的产量或压力，通过井的产量或压力来了解储层的特性，就是油气井试井分析，主要又体现在两方面，一方面与稳定流相关的产能试井，在讲产能试井的时候，由于油与气的产能方程不同对应不同产能测试方法与分析方法，体现前面说的“油与气”的区别，另一方面就是不稳定试井分析，这是后续课程油气井试井分析要重点应用的问题。

五、渗流力学教材改革的思考

《油气层渗流力学》作为石油工程专业基础课，在打牢专业基础知识的同时，使学生能够体现渗流力学的应用与学习更深层次的知识，按前面“四”方面的教学区别，可以将试井分析课、油藏数值模拟课、油藏工程课与天然气工程课中相关内容整合到一起，不要每门课程中都出现雷同的教学内容。油气井试井分析、油藏工程与天然气工程相应内容更能体现渗流力学在宏观方面的应用，油气藏数值模拟更能体现渗流力学另外的解法和滲流力学在储层微观方面的应用，使得石油工程专业教材更加优化，少出现重复内容。

六、提高教师渗流力学理论教学水平的思考

随着我校“双一流学科”的发展，学校引进了大量国内外博士，这为我校在“双一流学科”教学工作的开展注入了新的活力。在从事渗流力学课程建设中，首先鼓励中青年教师先进行油层物理基础知识的教学，在从事油层物理教学过程中加强与渗流力学及油藏工程的联系，其次拓宽课堂教学内容，比如由油水两相理论拓宽到气水两相相渗的测试原理与方法，提高专业技术水平。同时，教师必须在科研项目中总结，只有把书本知识与油田实际问题结合，才能够更深层次的理解渗流力学知识的应用，也才能更好地给学生用讲解好渗流力学[3，4]。

参考文献：

[1]雷登生，戚志林，李涧松，等.《油气层渗流力学》课程教学改革思考[J].重庆科技学院学报（社会科学版），2011（12）：177-178.

[2]李晓平.油气层渗流力学[M].石油工业出版社，2008.

[3]张立强，国景星，等.“油气田地下地质学”教学改革与课程建设[J].高教论坛，2008（6）：49-51.

[4]王李波，刘宝忠，等.高校专业课教学探索与思考[J].重庆科技学院学报：社会科学版，2010（1）：186-187.