油层物理-油藏岩石中多相流体的渗流特性压制.ppt
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1、本节重点:1、界面张力的基本概念;2、界面张力界面张力的影响因素。,本节难点:1、界面张力及影响因素;2、吸附现象。,第一节 油藏岩石的润湿性,第一节 油藏岩石的润湿性,界面层分子力场不平衡性,使得界面层分子储存的多余能量,称为自由界面能。,一、流体相间的界面特性,1.自由界面能,界面是指非混溶两相物体之间的接触面。当其中一相为气体时,则把界面称为表面。,2.比界面能和界面张力,(3)界面张力:当以达因/厘米表示比界面能时,则称为界面张力。即单位界面长度上所受到的力。,(1)比界面能():单位面积上具有的自由界面能。衡量自由界面能的大小。,(2)单位:牛顿米/米2 1达因厘米/厘米2=1尔格/
2、厘米2。,注意:,两相界面的表面张力只是自由表面能的一种表示方法,两相界面上并不存在着什么“张力”,只有三相周界上,表面能才表现出表面张力的作用。,不规则的丝环在表面张力的作用下形成圆环,油,水,空气,og,wo,wg,在三相周界O点处,同时作用着三种界面张力,当油、气、水三相组成系统达到平衡时:,O,例如:,界面张力的特点:,a.大小等于比界面能;b.过三相交点,分别作用于每两相界面的切线上;c.指向界面缩小方向。,表面活性物质:被吸附在两相界面上,并能大大降低界面张力的物质。,3.影响界面张力的因素,吸附:溶解在具有两相界面系统中的物质,自发地聚集到两相界面上,并降低界面层的界面张力的现象
3、。,(2)吸附的影响,(1)温度的影响:温度升高,张力降低,/c0,称正吸附,C,溶质为活性物质。/c0,G0,称负吸附,C,溶质为非活性物质,无机盐NaCl等/c=0,G=0,吸附作用不存在,不变。,比吸附(G):,定义:界面层单位面积上比相内多余的吸附量,叫比吸附,记为G。,讨论:,吉布斯比吸附定律:,1.基本概念,滴水银,滴在固体表面上不能铺开,称为空气湿或称空气对固体表面有选择性润湿。,滴水滴在固体表面上很快铺开,称为水湿或水对固体表面有选择性润湿。,二、储层岩石的润湿性,(1)润湿:,(2)选择性润湿:,流体在界面张力作用下沿岩石表面流散的现象,即铺展能力。能铺展开的为润湿,否则为不
4、润湿。,当岩石表面同时存在两种非混相流体时,由于界面张力的差异,其中某一相流体自发的驱开另一相流体而占据固体表面的现象。,1.基本概念,(3)接触角(润湿角)从固体表面出发,经过极性大的流体到达三相周界点切线所经历的夹角。,(4)附着功(粘附功)W,定义:将单位面积固液界面在第三相中拉开所做的功。,2、润湿的实质,Young-Kugpt,3.储层润湿性的影响因素,由于岩石大都是在有水的环境下沉积成岩的,所以在研究岩石润湿性的初期认为油藏岩石是亲水的。由于油藏形成之后,原油长时间与岩石接触,原油中活性物质在岩石表面产生吸附,从而可以使岩石表面的润湿性向亲油方向转化。,3.储层润湿性的影响因素,(
5、1)岩石的矿物组成 亲水矿物:粘土石英灰岩白云岩长石;亲油矿物:滑石、石墨、烃类有机固体等。,(2)油藏流体组成 非极性烃类物质:碳数C,;极性物质:沥清质,成为油湿。,(3)表面活性物质,(4)矿物表面粗糙度 在固体表面的磨痕及小沟槽处,润湿性增大。,4.润湿滞后现象,定义:三相润湿周界沿固体表面移动迟缓而产生润湿接触角改变的现象。分为静润湿滞后和动润湿滞后。,水驱油:前进角1,油驱水:后退角2。1-2越大,滞后越严重。,润湿滞后的前进角和后退角,(1)静润湿滞后,定义:油、水与固体表面接触的先后次序不同时所产生的滞后现象。即油驱水,还是水驱油的过程时所产生的滞后。,(2)动润湿滞后,定义:
6、当水驱油或油驱水时,当三相周界沿固体表面移动时,因移动迟缓而使润湿接触角发生变化的现象。,(3)润湿反转,定义:润湿性由水湿转变为油湿或油湿转变为水湿的现象。,三、油藏岩石润湿性的测定,1、接触角法 通过观察定量分析,2、自动吸入法 比较吸油排水体积和吸水排油体积的大小,定性的进行分析。,3、自吸离心法 比较吸油排水体积和吸水排油体积的大小,定量进行分析,测量的关键技术问题:保持地层岩心的原始润湿性,四、润湿性对油水分布的影响,1.润湿性的影响,在孔道中各相界面张力的作用下,润湿相总是力图附着于颗粒表面,并尽力占据较窄小的孔隙角隅,而把非润湿相推向更畅通的孔隙中间部位去。,2.驱替和吮吸的影响
7、,亲油岩石中水驱油,亲水岩石中水驱油,3、大庆油田岩石润湿性的分布和变化规律,(1)非烃、沥青质的影响,(2)渗透率的影响,(3)注水对润湿性的影响,4、岩石润湿性对水驱油效率的影响,(1)无水采收率,(2)最终采收率,第二节 储层岩石的毛管压力曲线,一、毛管压力概念,二、毛管压力曲线的测定,三、毛管压力曲线的基本特征及应用,第二节 储层岩石的毛管压力曲线,本节重点:1、毛管压力及毛管压力曲线;2、毛管压力曲线的特征;3、毛管压力曲线的应用。,本节难点:1、毛管压力曲线的测定方法;2、毛管压力曲线的应用。,一、毛管压力,1、毛细现象和毛管压力,空气,水银,液体下降,2.毛管中液体的上升或下降,
8、在毛管中产生的液面上升或下降的曲面附加压力,称为毛细管压力,简称毛管力。,整理得,根据连通器原理,有,整理得,(1),(2),由(1)、(2)得,(1)气液表面,设油水界面张力为,润湿接触角为,油、水的密度分别为o、w;,且设毛管中,紧靠油水界面附近,油相中OB点的压力为Pob,水相中WB点的压力为Pwb;在大容器中,紧靠油水界面附近,油相中OA点和水相中WA点的压力分别为Poa和Pwa,则有:,h,OA,(2)油水界面,油相中,Pob=Poa-ogh(1),水相中,Pwb=Pwa-wgh(2),h,Pwa,油,水,Poa,Pob,Pwb,OA,WB,OB,WA,又,Poa=Pwa(3),因为
9、连通管中同一水平高度上的压力相等,并且认为烧杯容器足够大,OA点所处油水界面为水平的,即毛管力为零。,人们将毛管压力定义为两相界面上的压力差,其数值等于界面两侧非湿相压力减去湿相压力,由上述定义,得:Pc=Pob-Pwb=(w-o)gh=gh(3),这是油层中毛细管平衡理论的基本公式。该式表明:液柱上升高度直接与毛管压力值有关,毛管压力越大,则液柱上升越高。,又,(4),由公式(3)、(4)得,整理得,思考:在油水同层的油藏当中,油水界面的分布?,实际油藏中油水界面不是一个截然分开的平面,而是具有相当高度的油水过渡带(或油气过渡带)。,一般而言,因为w-o o-g(或w-g),故油水过渡带比油
10、气过渡带厚度更大。,(3)油藏中油水界面的分布,由拉普拉斯方程确定:,Pc-曲面的附加压力;-两相间的界面张力;R1、R2-分别为任意曲面的两个主曲率半径,这种曲面附加压力在大的容器中是可以忽略的,只有在细小的毛管中才值得重视。人们常将它称为毛管压力。,3、任意曲面上的压力,就油藏岩石而言,单根毛管中的弯液面常常是两种形式,如图,一种毛管中的油水接触面为球形;另一种是当管壁上有水膜,管中心部分为油充满时所形成的柱形界面。,球面,柱面,油,水,(1)毛管中弯曲界面为球面时,Pc,R,r,当任意曲面为球形时,R1=R2=R,因而,(1)式可写为Pc=2/R(2),从图中可以看到:cos=r/R,则
11、 1/R=cos/r,代入(2)式,得:,该式表明:,(1)Pc与毛管半径成反比;毛管半径越小,毛管压力越大。,(2)两相界面张力越大,接触角越小,毛管压力越大。,Pc指向弯液面得内侧,即指向非湿相一方。,(2)毛管中弯曲液面为柱面时,过该圆柱一条母线作第一切面,则截面与圆柱形油水界面相交为一直线,所以R1=,再用与第一面相垂直的面去切圆柱,则所截油水界面为一圆,所得曲率半径为R2=r,则(1)式可写为:,毛管力Pc指向管心,其作用是使毛管中的水膜增厚。,(3)毛管断面渐变时(锥面上的),R1,R2,r,r,对于毛管半径渐变的锥形毛细管,粗端的曲率半径R1=r/cos(+);细端的曲率半径R2
12、=r/cos(-);,所以锥形毛管的毛管力为:,式中 r 是渐变的,、是定值,所以最小的毛管压力出现在毛管的粗端;最大的毛管力出现在细端。当进行驱替时,只要压力大于毛管最细端的最大毛管压力,就可以把毛管中其余部分的润湿相驱替出来。,(4)两相流体处于平行裂缝间的情况,R1,W,两相流体间的弯液面(即界面)呈半圆柱形。由正截面所得曲率半径为R1,R1=w/2cos,另外一正交面截两相界面为直线,曲率半径R2=,代入(1)式,则:,从式中可以看出,裂缝宽度越小,则毛管力越大。,二、岩石毛管压力曲线的测定,定义:毛管压力与湿相流体饱和度的关系曲线。,(1)半渗透隔板法;(2)压汞法;(3)离心法.,
13、1.测定方法,二、岩石毛管压力曲线的测定,a.半渗透隔板法,空气,原理:在驱替过程中,只有当外加压差大于或等于一定喉道的毛细管压力时,非湿相才能通过喉道,进入孔隙中把湿相流体驱出。,b.压汞法,退汞效率?,测定原理?,b.压汞法,1、恒速压汞原理,恒速压汞是以极低的速度进汞(0.00005ml/min),进汞过程接近于准静态。进汞前缘所经历的每一个孔隙形状的变化,都会引起弯月面形状的改变,从而引起系统毛管压力的改变。孔喉半径由突破点的压力确定,孔隙的大小由进汞体积确定。,美国Coretest公司生产的ASPE730型恒速压汞仪测定原理图,大庆外围低渗透油藏恒速压汞分析,渗透率在0.110-3m
14、2到2010-3m2,孔道半经接近正态分布,峰值半经在120m附近,不同渗透率级别孔道分布曲线相似,分类特征不明显。,采油七厂:8块岩心恒速压汞实验数据,大庆外围低渗透油藏恒速压汞分析,渗透率越小,喉道越集中,随着渗透率增加,喉道分布范围增加,峰值的含量减小。,3、毛管压力的换算方法,实验室条件:,油藏条件:,2、毛管滞后现象,驱替曲线和吸吮曲线不重合的现象。,三、毛管压力曲线的基本特征,Sw(%),100,50,0,Swmin,r(m),Pc(MPa),典型毛管压力曲线,如图。,Sw(%),100,50,0,Swmin,r(m),Pc(MPa),1.Pc曲线的定性特征,一般毛管压力曲线具有两
15、头陡、中间平缓的特征。,开始陡段:表现为随压力升高非湿相饱和度缓慢增加。,Sw(%),100,50,0,Swmin,r(m),Pc(MPa),1.Pc曲线的定性特征,曲线中间平缓段越长,说明岩石孔道分布越集中,分选越好。平缓段越靠下,说明岩石孔道半径越大。,Sw(%),100,50,0,Swmin,r(m),Pc(MPa),1.Pc曲线的定性特征,最后陡峭段:表现为随压力急剧升高,非湿相进入岩心的速度越来越小,这时只有很小的孔隙内还存在润湿相。,PT,Sw(%),100,50,0,Pc50,Swmin,r(m),Pc(MPa),2.Pc曲线的定量特征,非湿相流体开始进入已饱和湿相流体岩石最大孔
16、隙的压力。其相应于最大孔隙的毛管压力。也叫入门压力、门坎压力。,(1)排驱压力(阈压)PT,r50,rmax,PT,Sw(%),100,50,0,Pc50,Swmin,r(m),Pc(MPa),2.Pc曲线的定量特征,排驱压力PT是评价岩石储集性能好坏的主要参数之一。凡岩石渗透性好,PT均比较低;反之,PT越大,岩石物性越差。利用PT值可确定最大喉道半径及判断岩石的润湿性。,(1)排驱压力(阈压)PT,r50,rmax,PT,Sw(%),100,50,0,Pc50,Swmin,r(m),Pc(MPa),2.Pc曲线的定量特征,驱替毛管压力曲线上,饱和度为50%时相应的毛管压力值。其相应的孔隙半
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