第10章孔隙介质中多相流动与相对渗透率曲线课件.ppt
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1、第十章 孔隙介质中多相渗流特性与相对渗透率曲线,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,课程导入 本节从油气地下渗流原理出发,描述多相流体在油气藏多孔介质中渗流特性,为油气田开发工程研究提供理论基础。,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,本节主要内容:,一、水驱油的非活塞特性(理想的活塞式水驱油模型、实际的非活塞式水驱油模型),二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性(互不连通的毛细管孔道,单相渗流特性;互不连通的毛细管孔道,两相渗流特性;不等径并联的毛细管孔道,两相渗流特性;毛细管孔道的混合液渗流特性。),第一节 多孔介质中的多相渗流特性,本节主要内容:,一、水驱油的非活塞特性(理想的活塞式水驱油模型、
2、实际的非活塞式水驱油模型),二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性(互不连通的毛细管孔道,单相渗流特性;互不连通的毛细管孔道,两相渗流特性;不等径并联的毛细管孔道,两相渗流特性;毛细管孔道的混合液渗流特性。),第一节 多孔介质中的多相渗流特性,一、水驱油的非活塞特性,注入井,注水开发示意图,注水方式开发的油田,在水驱油过程中,水作为驱油介质要克服各种阻力,进而从孔道中驱出原油。,在水驱油过程中,是以活塞式还是以非活塞式将油从多孔介质中驱替出来?,油,水,油,水,油水,多孔介质水驱过程示意图,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,一、水驱油的非活塞特性,1、活塞式驱油模型,水,油,油,水,油,水,So
3、,L,Soi,注入水从油层中驱出原油,就象气缸中的活塞运动一样,油水具有接触面(分界面),水推动油前进,一次推进可将油全部驱出(如右图)。,这是一种理想水驱油模型。,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,一、水驱油的非活塞特性,2、非活塞式驱油模型,So,L,Soi,水驱油时油层形成三个不同的流动区:即纯水流动区(水区)、油水混合流动区(两相区)和纯油流动区(油区)(如右图)。,生产数据表明地层中水驱油是非活塞式流动。,油,水,油水,油,水,油水,油,水,油水,Sor,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,一、水驱油的非活塞特性,3、产生非活塞式驱油的原因,地层中孔道有大有小,表面润湿性、表面粗糙度和
4、迂曲度等参数均不同,表现出非均质性。油水在地层中流动,各孔道中所产生的阻力相差甚大,因而各孔道中的流动速度也就不同。,(1)地层孔隙结构的复杂性,油,水,油水,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,一、水驱油的非活塞特性,3、产生非活塞式驱油的原因,孔道大小不同,毛管力大小不同,油水在其中流动时所产生的动力和遇到的阻力必然也不同,导致各孔道内的流动速度不同。,(2)毛管压力的存在,油,水,油水,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,一、水驱油的非活塞特性,3、产生非活塞式驱油的原因,对亲水孔道来说,毛管力是驱油动力。相反,在亲油孔道中的毛管力却成为附加阻力。,(3)毛管力作用方式的不同,油,水,油水,
5、油,水,油,水,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,一、水驱油的非活塞特性,3、产生非活塞式驱油的原因,油水粘度差引起的粘滞力不同,将加剧各孔道内油水流动速度的差异,产生指进现象。,(4)油水粘度差的存在,油,水,油水,本节主要内容:,一、水驱油的非活塞特性(理想的活塞式水驱油模型、实际的非活塞式水驱油模型),二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性(互不连通的毛细管孔道,单相渗流特性;互不连通的毛细管孔道,两相渗流特性;不等径并联的毛细管孔道,两相渗流特性;毛细管孔道的混合液渗流特性。),第一节 多孔介质中的多相渗流特性,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性,1、
6、互不连通的毛细管孔道,单相渗流特性,单相液流时不存在毛管力,即毛管力为零,只考虑粘滞力的作用。,V2,V1,从毛管渗流公式(Poiseuille 定律),第一节 多孔介质中的多相渗流特性,二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性,1、互不连通的毛细管孔道,单相渗流特性,在压差P一定情况下,某一毛细管长度中流体流动速度V与粘度、管径平方成正比。,V2,V1,r2,r1,两根毛细管,如果压差P、粘度、毛细管长度L均相同,则毛细管中流体流动速度V与管径平方成正比。,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性,1、互不连通的毛细管孔道,单相渗流特性,例子:设有两互不流通的毛细管
7、半径分别为r1=1m,r2=10m,有单相流体在毛细管中渗流,其渗流速度比为多少?,V2,V1,r2,r1,认识:在多孔岩石中,在某一外加压差的作用下,渗流主要发生在大孔道中。在悬殊孔隙大小下,可以认为部分小孔道实际上未参与渗流。,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性,1、互不连通的毛细管孔道,单相渗流特性,V2,V1,r2,r1,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性,2、互不连通的毛细管孔道,两相渗流特性,两相液流时,毛细管中不但存在粘滞力,而且还存在着毛管力。,V2,V1,r2,r1,设在半径为r的毛细管中有水油两种液体,
8、粘度分别为1(水)和2(油),水为湿相,油为非湿相,两相之间弯液面呈现的毛管力为Pc。两相界面的运动规律是如何?,二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性,2、互不连通的毛细管孔道,两相渗流特性,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性,2、互不连通的毛细管孔道,两相渗流特性,先分别考虑液面两侧的两个单相流动,在t时刻,根据毛细管流速公式(中心流速)可以写出:,水相流速:,油相流速:,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性,2、互不连通的毛细管孔道,两相渗流特性,因为液流是连续的,且r不变,故v1=v2
9、=两相界面的移动速度,可以写为:,式中,Lt为t时刻油水界面位置。,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性,2、互不连通的毛细管孔道,两相渗流特性,(1)如果在长度为L的孔道有外加压差P1-P2,则两相界面的运动速度v(即流速)是随驱替时间t变化的,并受两相粘度差、孔道半径r、界面走过的距离Lt和孔道总长度L的影响。,渗流特性:,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性,2、互不连通的毛细管孔道,两相渗流特性,(2)不同半径的孔道,流速不同。(3)如果12,即水驱油,流速将越来越快。,渗流特性:,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,在
10、几个不同大小孔道中,注水开发过程时,会出现为微观的指进现象。,二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性,2、互不连通的毛细管孔道,两相渗流特性,两相渗流特性产生的影响:,在地层非均质性越严重、孔道大小相差越大、注入水与原油间粘度差越大的地方,产生的宏观指进现象越严重。,二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性,2、互不连通的毛细管孔道,两相渗流特性,两相渗流特性产生的影响:,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性,2、互不连通的毛细管孔道,两相渗流特性,宏观指进现象越严重的储层,油井见水时间越早,油水同产时间也越长。垂向非均质性严重的层
11、状油藏水驱油的油水关系更为复杂。,两相渗流特性产生的影响:,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性,2、互不连通的毛细管孔道,两相渗流特性,一是确定合理压差,P1-P2,通常用数模方法来确定;二是降低油水粘度差,即通常是在注水中添加添加剂,增粘1,或高温降粘2,使12变小。,减弱或消除指进的方法讨论:,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性,3、不同径并联的毛细管孔道,两相渗流特性,岩石孔隙网中,各种孔道大小各不相同,互相交错,或串联或并联。右图是经常遇到的一种基本单元。这种基本单元中油水的运动规律是如何?,第一节 多孔介质中的多
12、相渗流特性,二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性,3、不同径并联的毛细管孔道,两相渗流特性,大毛细管孔道半径为r1,流量为q1;小毛细管孔道半径为r2,流量为q2;两毛细管孔道长度均为L,都是亲水;油水的粘度相同,即为:1=2。,假设:,q,q1,q2,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性,3、不同径并联的毛细管孔道,两相渗流特性,当通过的总流量为q时,水在各孔道内驱油的粘滞阻力和毛管力分别为:,那么:,q,q1,q2,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性,3、不同径并联的毛细管孔道,两相渗流特性,因为两毛细管为并联,大小孔道
13、在A、B两点处的压力分别相等,所以各孔道内的压力平衡关系为:,q,q1,q2,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性,3、不同径并联的毛细管孔道,两相渗流特性,将以下各式代入:,q,q1,q2,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性,3、不同径并联的毛细管孔道,两相渗流特性,考虑到:,q,q1,q2,可得到:,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性,3、不同径并联的毛细管孔道,两相渗流特性,由于:,q,q1,q2,因此,两毛细管中的流速之比为:,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,二、多孔介质中几种典
14、型孔道中渗流特性,3、不同径并联的毛细管孔道,两相渗流特性,q,q1,q2,讨论:,当=90,cos=0,即毛管力不起作用,大孔道水淹,小孔道中将剩下小油柱,形成较长时间的油水混流;,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性,3、不同径并联的毛细管孔道,两相渗流特性,q,q1,q2,讨论:,当cos0,Pc0时,则并不总是v1v2,要视P1,P2的大小而定;,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,讨论:,为提高水驱油效率,我们总希望两孔道中的油水界面同时到达B点,此时v1=v2,需由上式解出并联毛细管的总流量。,二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性,3、不同径并联的毛
15、细管孔道,两相渗流特性,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性,3、不同径并联的毛细管孔道,两相渗流特性,q,q1,q2,例子:,设r1210-4厘米,r2110-4厘米,1厘泊,30达因厘米,0,求当V1V2时,通过并联孔道的总流量,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性,3、不同径并联的毛细管孔道,两相渗流特性,q,q1,q2,解:,当V1V2时,得:,根据,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性,3、不同径并联的毛细管孔道,两相渗流特性,q,q1,q2,讨论:,当q1.610-5厘米3秒时,两
16、毛细管油水界面能同时到达出口端B点。,当q1.610-5厘米3秒时,在毛管力的作用下,则小孔道中的流速较大,油水界面先到达出口端,就会在大孔道中留下残余油。,二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性,3、不同径并联的毛细管孔道,两相渗流特性,q,q1,q2,讨论:,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性,3、不同径并联的毛细管孔道,两相渗流特性,q,q1,q2,讨论:,当q1.610-5厘米3秒时,大孔道中油水界面移动速度较快,先到达出口端,就会在小孔道中留下残油。留下残油的结果便在孔隙狭窄处形成“贾敏效应”,增大流动阻力,并使水驱
17、油的能量利用率降低,从而导致水驱油效果降低。,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性,3、不同径并联的毛细管孔道,两相渗流特性,q,q1,q2,讨论:,可以说明:油井生产一段时间后要见水,见水后含水率会上升,有相当一部分原油是在含水期内采出的,而且非均质油层水驱油效率和采收率不能达到100%。,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性,3、不同径并联的毛细管孔道,两相渗流特性,q,q1,q2,讨论:,进一步可说明控制产量或注入水量对提高水驱油效率,防止指进非常重要!注采速度不可太快,也不可太慢!,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,二
18、、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性,4、毛细管孔道的混合液渗流特性,设有一等半径毛细管孔道的长度为L,半径为ro,在水中均匀分布若干分散的油滴,油滴半径为r。若孔道全部为油滴挤满,在流动时油滴不变形也不与分散介质产生相对运动,即类似于念珠式的移动,如上图所示。孔道中油水混合液的运动规律是如何?,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性,4、毛细管孔道的混合液渗流特性,设分散介质的粘度为,两端压差为P1一P2,当孔道充满念珠式油水混合物时,则会形成环状流,流动速度为:,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,二、多孔介质中几种典型孔道中渗流特性,4、毛细管孔道的混合液渗流
19、特性,上式说明:油滴混合物的半径r越接近孔道半径r0,混合物的流速就越低。,第一节 多孔介质中的多相渗流特性,谢 谢,第二节 储层渗流的相对渗透率,课程导入,多相流体在多孔介质中渗流,各相流体的相对渗透率影响其在储层中渗流特征。相对渗透率曲线是油藏工程动态分析、油藏数值模拟以及开发方案确定等研究的基础资料。,本节主要内容:,一、相对渗透率的概念(绝对渗透率、有效渗透率和相对渗透率),二、相对渗透率曲线的特征(两条曲线、三个区域和四个特征点。),三、影响相对渗透率的因素(岩石结构、岩石润湿性、流体物性、油水饱和历史、储层温度和驱动因素的影响。),四、三相体系的相对渗透率(拟三相流动的相对渗透率、
20、三相流动的相对渗透率。),第二节 储层渗流的相对渗透率,第二节 储层渗流的相对渗透率,本节主要内容:,一、相对渗透率的概念(绝对渗透率、有效渗透率和相对渗透率),二、相对渗透率曲线的特征(两条曲线、三个区域和四个特征点。),三、影响相对渗透率的因素(岩石结构、岩石润湿性、流体物性、油水饱和历史、储层温度和驱动因素的影响。),四、三相体系的相对渗透率(拟三相流动的相对渗透率、三相流动的相对渗透率。),一、相对渗透率的概念,1、绝对渗透率,绝对渗透率是岩心中100%被一种流体饱和时测定的渗透率。它只是岩石本身的一种属性,而与岩心内的流体性质无关。通常用K表示,单位为m2。,第二节 储层渗流的相对渗
21、透率,一、相对渗透率的概念,1、绝对渗透率,有一岩样长3cm、截面积为2cm2,用粘度为1mPa.s的盐水100%饱和在压差0.2MPa下测得流量为0.5cm3/s,例子:,第二节 储层渗流的相对渗透率,用粘度为3mPa.s的油100%饱和在压差0.2MPa下测得流量为0.167cm3/s。问这两种流体测得岩石的绝对渗透率是多少?,一、相对渗透率的概念,1、绝对渗透率,解:根据达西定律,岩石渗透率可以通过下式计算得到:,因此,,对于盐水饱和的岩石渗透率为:,对于油饱和的岩石渗透率为:,第二节 储层渗流的相对渗透率,一、相对渗透率的概念,2、有效渗透率,当岩石中有两种以上流体共流时,其中某一相流
22、体的通过能力称为某相的有效渗透率或称某相的相渗透率。通常用Ko、Kw、Kg表示,单位为m2。,第二节 储层渗流的相对渗透率,当岩石中存在多相流动时,只要应用某相流动的参数,仍可采用达西公式计算该相的有效渗透率,这样多相流动中所产生的各种附加阻力都反映在该相流体的有效渗透率的数值上。,一、相对渗透率的概念,2、有效渗透率,第二节 储层渗流的相对渗透率,一、相对渗透率的概念,2、有效渗透率,有一岩样长3cm、截面积为2cm2,用70%的盐水(粘度为1mPa.s)和30%的油(粘度为3mPa.s)饱和,且保持在这样的饱和度下稳定渗流,压差0.2MPa下测得盐水的流量为0.30cm3/s,油的流量为0
23、.02cm3/s。问此时油、水的有效渗透率各是多少?,例子:,第二节 储层渗流的相对渗透率,一、相对渗透率的概念,2、有效渗透率,解:根据达西定律,盐水的有效渗透率为:,油的有效渗透率为:,第二节 储层渗流的相对渗透率,一、相对渗透率的概念,2、有效渗透率,油、水两相的有效渗透率之和Kw+Ko0.270m2小于绝对渗透率K=0.375m2。Kw+KoK是一般性规律,说明同一岩石的,分析:,第二节 储层渗流的相对渗透率,有效渗透率之和总是小于该岩石的绝对渗透率。其原因是多相渗流时,流体之间相互干扰,流动阻力增大,出现如毛管力、附着力和各种液阻现象引起的附加阻力。,一、相对渗透率的概念,2、有效渗
24、透率,有效渗透率既和岩石自身的属性有关,又与流体饱和度及其在孔隙中的分布状况有关,而后者又和润湿性以及饱和历史有关。因此,有效渗透率是岩石流体相互作用的动态特性。,分析:,第二节 储层渗流的相对渗透率,一、相对渗透率的概念,3、相对渗透率,相对渗透率是多相流体共存时,每一相流体的有效渗透率与一个基准渗透率的比值。通常用Kro、Krw、Krg表示。,第二节 储层渗流的相对渗透率,相对渗透率实际是将有效渗透率无因次化,从而可以对比各相流动能力相对于单相流动能力的比例。相对渗透率的概念在工程实际中得到广泛的应用。,一、相对渗透率的概念,3、相对渗透率,第二节 储层渗流的相对渗透率,一、相对渗透率的概
25、念,3、相对渗透率,作为分母的基准渗透率通常取三者之一:,(1)空气绝对渗透率Ka;(2)100%饱和地层水时的水测渗透率K;(3)束缚水饱和度下的油相渗透率Kswc。,第二节 储层渗流的相对渗透率,一、相对渗透率的概念,3、相对渗透率,例如,对第一种方法,油水的相对渗透为:,第二节 储层渗流的相对渗透率,一、相对渗透率的概念,3、相对渗透率,有一岩样长3cm、截面积为2cm2,用70%的盐水(粘度为1mPa.s)和30%的油(粘度为3mPa.s)饱和,且保持在这样的饱和度下稳定渗流,压差0.2MPa下测得盐水的流量为0.30cm3/s,油的流量为0.02cm3/s。问此时油、水的相对渗透率各
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