油气藏开发中的物理化学
油气藏流体性质
油气藏流体性质油气藏是地球上一种特殊的储存形式，其对应储存的是石油和天然气等能源。
而油气藏的流体特性则极为重要，直接决定了储油储气能力以及开采方式等因素。
下面将就油气藏流体性质进行详细探讨。
1. 性质（1）物理性质：油气藏储存的主要是石油和天然气这两种化学物质，在常温下，二者都属于液态和气态物质。
天然气的密度约为空气的1/5，比石油轻，即石油的密度约为水的0.8倍。
而且，石油和天然气的比热容和热传导率都十分低，因此容易受到温度的影响。
此外，石油和天然气都具有极强的不可压缩性，这使得油气藏在地层中能够保持较为稳定的储存状态。
（2）化学性质：石油和天然气都属于有机化合物，具有较强的多态性和化学反应性。
其中，石油主要由碳、氢、氧、硫、氮等元素组成，而天然气则主要由甲烷等气态烷烃组成，具有较高的可燃性。
此外，在地层中，石油和天然气常常受到各种化学反应的影响，如与地层矿物、水等进行反应，从而产生了不同的化学物质。
这些化学反应也会对油气藏的开采和利用造成不同程度的影响。
（3）流动性和渗透性：油气藏的流体特性主要表现为其流动性和渗透性。
在油气藏中，石油和天然气都是通过孔隙、裂隙等细小空间流动和传输的。
但由于油气藏中的孔隙、裂隙等空间结构通常是非均匀的，因此其流动和传输性能也表现出明显的非均质性。
此外，油气藏的流体性态也受到地层温度、压力、降雨等因素影响，进而影响了油气流动的速率和方向。
2. 影响因素（1）地层性质：油气藏的流体性质与其所在的地层性质息息相关。
地层参数如压力、温度、孔隙度和渗透率等都能影响油气藏中流体的行为。
当地层渗透率高、孔隙度大、流通性好时，油气就能钻井开采，同时也由此排放部分流体到地表。
（2）地震活动：地震活动会对油气藏中的流体状态产生影响。
通过地震波向地下传播过程，可以促进油气藏中流体的流动。
但地震波作用也有可能破坏或改变油气藏中的地质结构，从而影响油气藏的储存和开采。
（3）化学反应：油气藏中的流体会通过各种化学反应，产生一些可燃气体和液体，这对油气藏的开采和利用具有很大的影响。
油藏流体的物理性质
两相体积系数：
油藏压力低于泡点压力时，在给定压力下地层原 油和其释放出气体的总体积(两相体积)与它在地面脱气 后的体积(地面原油体积)之比。
因为：
Bt
=
V f + V fg Vs
( ) Vfg = Rsi − Rs VsBg
( ) 所以： Bt = Bo + Rsi − Rs Bg
第五节 天然气的高压物性
压缩因子 体积系数 压缩系数 粘度
一、天然气的压缩因子方程
理想气体状态方程： PV＝nRT
理想气体的假设条件： ①气体分子无体积，是个质点； ②气体分子间无作用力； ③气体分子间是弹性碰撞；
天然气处于高温、高压状态多组分混合物，不 是理想气体
压缩 因子
压缩因子：
一定温度和压力条件下，一定质量气体实际占 有的体积与在相同条件下理想气体占有的体积之比。
– 高压下：气体密度变大，气体分子间的相互作用 力起主要作用，分子间作用力以结合力的形式表 现出来，气体层间产生单位速度梯度所需的层面 剪切应力很大。具有液体粘度的特点。
• T ↗，μg ↘ • 分子量 ↗, μg ↗ • P↗，μg ↗ 。
第六节 地层水的高压物性
地层水 油层水(与油同层)和外部水(与油不同层)的总称
★ 石蜡族低分子饱和烷烃（主要） CH4 70~98％ C2H6 C3H8 C4H10 >C5
★ 非烃气体（少量） H2S 有机硫 CO2 CO N2 H2O 惰性气体He、Ar等
★ 天然气组成的表示方法
摩尔组成 质量组成
yi
=
ni
∑ ni
× 100 %
wi
=
mi
∑ mi
油层物理1-3 第三节 油气藏烃类的相态
14
1、单组分体系的相态特征
(2)相态特征
＜静态特征＞
临界点C ： 两相共存的最高T、p； P>Pc时，随T升高将不会出 现液向气转化； T>Tc时，随P升高将不会出 现气向液转化； 气、液相无分界面；
气、液性质差别消失。
15
1、单组分体系的相态特征
第三节 油气藏烃类的相态
石油和天然气是多种烃类和非烃类所组成的混合 物。在实际油田开发过程中，常常可以发现：在 同一油气藏构造的不同部位或不同油气藏构造上 同一高度打井时，有的只产纯气，有的则油气同 产。在油气藏条件下，有的烃是气相，而成为纯 气藏；有的是单一液相的纯油藏；有的是油气两 相共存，以带气顶的油藏形式出现。在原油从地 下到地面的采出过程中，还伴随有气体从原油中 分离和溶解的相态转化等现象。
体系中构成某物质各组分所占的比例。 油
C3、C7、C20 10%、20%、70%
定量表示体系或某一相中的组分构成
情况。 相平衡(phase equilibrium)
p、T一定时，多相体系中任一组分的A相
分子进入B相的速度与B相分子进入A相 的速度相等时的状态。
5
一、油藏烃类的相态表示方法
饱和蒸汽压(vapor pressure) 在一个密闭抽空的容器里，部分 p 蒸汽 充有液体，容器温度保持一定， 处于气液相平衡时气相所产生的 液 体
三区：液相区、气相区
气液两相区
19
三、单、双、多组分体系相态特征
(2)相态特征 ＜静态特征＞ 点的特征 dew-point bubble-point curve
临界点C
露、泡点线、等液量线交点； 非两相共存的最高T、p点。 临界凝析压力点Cp：两相共存最高压力点； 临界凝析温度点CT：两相共存最高温度点。
第一章 储层流体的物化性质-
单位：体积百分数
产自油井的气 50~92 5~15 2~14 1~10 痕迹~5 痕迹~3 无~0.5 痕迹~4 无~痕迹~6
第四节 油气藏分类
一、分类方法一
油气藏
油藏 黑油油藏 轻质油油藏 气藏 凝析气藏 气藏
重 油 油 藏
一 般 黑 油 油 藏
高 收 缩 油 油 藏
挥 发 油 油 藏
富 凝 析 气 气 藏
Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、HCO3-、SO4-2等
2.离子毫克当量浓度
离子毫克当量浓度等于某离子的浓度除以该离子的当量
例如，已知氯离子 (Cl—) 的浓度为7896mg/L，而氯离子的化合当量 ＝35.3，则氯离子的毫克当量浓度＝7896/35.3＝225.6毫克当量/升
第五节 地层水的化学组成与性质
Na K 1 Cl
Cl Na K 1 Mg 2
Cl Na K 1 Mg 2
按含 蜡量分
少 蜡 原 油 1
含 蜡 原 油 1 2 高 含 蜡 原 油 2 凝析 油 密 度 0 82
按关键 组分分
石 蜡 基 原 油 0 82 0 89 混 合 基 原 油 0 89 环 烷 基 原 油 > 0 93 .
按原油 密度分
轻 质 原 油 < 中 质 原 油 0 85 5 0 93 4 重 质 原 油 > 0 93 4 .
四、其它分类方法（按埋深分）
浅层油气藏——埋深小于1500m 中深层油气藏——埋深1500~2800m 深层油气藏——埋深2800~4000m 超深层油气藏——埋深大于4000m
张朝琛-油藏物理化学环境与驱油体系的相互作用
粘土矿物表面电荷大小不同对水分子的吸 引 力差异，形成附着水， 力差异，形成附着水，即靠化学作用耦合在 粘土矿物如蒙脱土的晶格上
沥青胶质含痕量的V Ni、Fe的烃质化合物 沥青胶质含痕量的V、Ni、Fe的烃质化合物 沥青烯在戊烷， 沥青烯在戊烷，己烷及庚烷中有溶解作用 沥青烯←→ 簇状胶束／ 沥青烯←→ 胶束 ←→ 簇状胶束／絮凝物 稳定） 不稳定） （稳定） （不稳定）
• 沥青烯的分子结构有三类： 沥青烯的分子结构有三类：
天然环境： 天然环境： 储层架构—储层描述 沉积学、地震、测井、 储层描述（ 储层架构 储层描述（沉积学、地震、测井、
岩心分析、石油地质） 岩心分析、石油地质） 岩矿组成—岩矿学、地球化学 岩矿组成 岩矿学、 岩矿学 各向异性与非均质性—沉积学、构造学、 各向异性与非均质性 沉积学、构造学、 沉积学 裂缝方法密度 空隙空间—铸模、压汞、切片（Thin-section） 空隙空间 铸模、压汞、切片（Thin-section） 铸模 层析成像（ Image） 层析成像（Tomographic Image） 模型研究、 模型研究、统计研究
二、油藏水的化学配伍性 油藏水的化学配伍性
化学成分： 化学成分：Na+、Ca++、Fe++、Ba++、Cl-、 CO3--、HCO3-、SO4-水 型：NaHCO3、MgCl2、CaCl2
--10 矿 化 度：*103--105ppm
三、 水垢沉积类型与影响因素
类型
油层物理学
油层物理学：是研究油气层物理和物理化学现象的学科，主要内容包括：（1）油气藏中流体的物理性质（包括油气水的高压物理性质及油气相态变化规律）；（2）储油（气）岩石的物理性质（包括孔隙度、渗透性、饱和度、储层敏感性等）；（3）饱和多相流体的油气层物理性质及多相渗流机理
石油中的烃类主要是由烷烃、环烷烃和芳香烃这三种饱和烃构成。
C1~C4为气态，他们是构成天然气的主要成分。
石油中主要含有碳、氢元素，也含有硫、氮、氧以及一些微量元素。
石油可以分为两大类，即烃类和非烃类。
在石油中带有直链或支链，但没有任何环状结构的饱和烃称之为烷烃。
烷烃包括正构烷烃和异构烷烃。
环烷烃是环状的饱和烃，其性质也比较稳定，是石油主要的组成之一。
胶质是指原油中分子量较大，含有氧、氮、硫等元素的多环芳香烃化合物，通常呈半固态分散状溶于原油中。
原油的物理性质：
颜色：一般呈棕褐色、黑褐色、黑绿色，也有黄色、棕黄色和浅红色石油，胶质、沥青质含量高则原油颜色变深
相对密度：1amt、20℃时原油与1amt、4℃纯水的密度之比。
用d420表示
凝固点：原油冷却过程中由流动态到失去流动性的临界温度点
粘度：是粘性流体流动时内部摩擦而引起的阻力大小的量度
闪点。
荧光性。
旋光性。
导电率
天然气是以甲烷为主的烷烃，含有非烃气体：二氧化碳、氮气、硫化氢、水汽，偶尔含有稀有气体。
第1章油气藏流体的化学组成与性质
第一篇 储层流体的物化性质
在勘探或开发设计阶段，必须根据流体物 性进行油气田科学预测，例如判断油藏类型、 油藏有无气顶、气藏气体是否会在地层中凝 析等，这些都需要对油气的物理化学特性及 相态变化规律有深刻的认识，才能做出正确 判断和设计。
石油的化学组成
油
气
藏
流
体
的
化
原油的物性与分类
学
组
成
与
性
质
油气藏分类
石油的元素组成 石油中烃类化合物 石油中非烃类化合物 原油的分子量、含蜡量及胶质沥青质含量
原油的物理性质 地面原油的分类 地层原油的分类
油气藏常规分类法 油气藏按埋藏深度分类
第一节 石油的化学组成 课程导入
油气藏开发过程中关注油气的物 理性质，但物理性质在很大程度上取 决于化学组成因此首先介绍油气的化 学组成。
储
天然气的视分子量和密度
层 流
天然气的高压物理性质
天然气状态方程及对比状态原理 天然气的高压物性
体
湿天然气和天然气水合物
的
油气藏烃类的相态特征
物 化
油气藏烃类的相态和汽液平衡
汽——液相平衡 油气体系中气体的溶解与分离
性
用相态方程求解油气分离问题实例
质
地层油的高压物性
储层流体的高压物性
地层水的高压物性 地层油气高压物性参数的测算
第一节 石油的化学组成 三、石油中的非烃类化合物
构成石油的主要是碳、氢元素。而硫、氮、 氧这些元素则以各种含硫、含氧、含氮的烃 类化合物的形态以及兼含有硫、氮、氧的胶 状、沥青状物质的形态存在于石油中，因为 已不是纯粹的碳氢化合物，所以被统称非纯 烃类化合物，俗称非烃类。显然，它们都是 极性物质。
第二章 油藏流体的物理性质
第二章油藏流体的物理性质油藏包括两个部分：油藏岩石和油藏流体。
油藏流体是指油藏岩石孔隙中的石油、天然气和地层水。
油藏流体的特点是处于高温高压下，特别是其中的石油溶解有大量的烃类气体，使其与地面的性质有较大的差别。
由于地下压力温度各油藏十分不同，因此油藏中流体处于不同的相态，可能为单一液相，也可能是单一的气相，可能处于油气两相等。
油藏流体在什么压力、温度条件下出现什么相态，各相态的物理性质和物理化学性质如何？这就是本章所要研究的内容。
第一节天然气的高压物理性质一、天然气的组成及特点1、定义：1）地下采出来的可燃气体统称为天然气。
2）是指在不同地质条件下生成，并以一定压力储集在地层中的气体。
2、组成以石碏族低分子饱和烃气体和少量非烃气体组成的混合物。
其化学组成：甲烷（CH4）占绝大部分，乙烷（C2H6），丙烷（C3H6），丁烷（C4H10）和戊烷（C5H12）含量不多。
此外天然气中还含有少量非烃气体，如硫化氢、CO2、CO、N2、He、Ar等。
3、天然气分类1）按矿藏特点气藏气、油藏凝析气、油藏气。
2）按组成干气：每一标准m3井口流出物中，C5以上烷液体含量＜13.5cm3。
湿气：每一标准m3井口流出物中，C5以上烷液体含量＞13.5cm3。
富气：每一标准m3井口流出物中，C3以上烷液体含量＞94 cm3。
贫气：每一标准m3井口流出物中，C3以上烷液体含量＜94 cm3。
3）按硫含量净气（洁气）：每m3天然气中含硫＜1g。
酸气（酸性天然气）：每m3天然气中含硫＞1g。
4、天然气组成的表示方法重量组成体积组成，摩尔组成。
二、天然气的分子量和比重1、分子量天然气是多组份的混合气体，本身没有一个分子式，因此不能象纯气体那样，由分子式算出其恒定的分子量。
视分子量：把0ºC,760mmHg，体积为22.4ml的天然气所具有的重量定义为天然气的分子量。
天然气的视分子量是根据天然气的组分和每种组分的含量百分数计算出来的，也就是说天然气的组成不同，其视分子量也不同，天然气的组成相同，而各组分的百分数比不同，其视分子量也不同。
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目录
一、物理化学学科的定义及发展史 二、油气田开发与物理化学的关系 三、物理化学在油气田开发中的运用
四、结论
物理化学是从物质现象 和化学现象的联系入手 来探求化学变化以及相 关的物理变化基本规律 的一门科学。—付献彩
物
以物理的原理和试验技术为
理
基础，研究化学体系的性质
化
油气田开发与物理化学的关系
地质主要研究内容：
• 地层特征及油组划分 • 区域构造特征 • 储层特征（岩石骨架） • 油藏特征（流体）
油气田开发与物理化学的关系
在储层研究中的运用
储油岩石的物理性质 孔隙度、渗透率、饱和度
主要 研究 内容
储层流体的高压物性 油藏岩石的渗流特征
储层条件发生变化时，油气水的物理性质也会发生相应的变化 研究渗流机理才能找到油井不出油的原因（油藏物理的核心内容）
➢原油脱气、体积收缩(shrinkage)、原油析蜡。 ➢气体体积膨胀，凝析出油(反凝析)。 ➢地层水析盐（高含盐度saltiness)。
油气藏烃类的相态特征
原油、天然气都是由多种烃类（ hydrocarbon ）和非烃类（ non-hydrocarbon） 物质组成的混合物，但二者存在的状态不同。
地层水的特点：处于地层的高温、高压下，溶解有大量的无机盐 （ inorganic salt ）及少量烃类。
研究内容 地层水的矿化度(salinity)和硬度(hardness、solidness) 地层水的分类和水型判断 地层水的高压物性
储层岩石的敏感性
随着对储层研究的进一步深入，除了进行常规的孔、 渗、饱、孔隙结构等的研究外，还必须对储层岩心进行 敏感性评价，以确定储层与入井工作液接触时，可能产 生的潜在危险以及对储层可能造成伤害的程度。
重点
天然气的状态方程和对应状态原理； 天然气各高压物性参数的定义、影响因素及确定方法 偏差系数的定义、物理含义和确定方法 天然气粘度的影响因素分析
地层原油的高压物性研究
研究目的 ➢ 了解原油的化学组成和分类； ➢ 掌握地层油的单相体积系数、两相体积系数、压缩
系数、粘度的定义、影响因素及确定方法。
地层水的高压物性研究
在油气流体相态研究中，p-V-T三维立体相 图用于描述油气藏平面区域上和纵向上流体 相态变化特征的分布规律，很详尽地表示出 各参数间的变化关系。
单、双、多组分体系相态特征
2、双组分体系的相态特征(binary system)
(1)相图特征 三点：临界点C 临界凝析压力点Cp(cricondenbar) 临界凝析温度点CT(cricondentherm) 两线：相包络线(phase envelope)
和行为，发现并建立化学体
学
系的特殊规律的学科。
定
—唐有棋
义
物理化学学科研究内容
化学热力学统计力学结构化学与 量子化学化学动力学
物理化学学科的建立及发展史
油气田开发与物理化学的关系
三方面的应用： (1)油气井工程 (2)油气开发工程 (3)油气储运工程 油气田开发工程中的物理化学，油气田开发工程是一门认识油气藏，运用现代综合性科学 技术开发油气藏的学科。它不仅是方法学，而且是指导油田开发决策的学科。其基本内容 是在油藏描述建立地质模型和油藏工程模型的基础上，油藏驱动能量的学说，
提高原油采收率机理
热力采油、化学采油、混相驱采油
三、物理化学在油气田开发中的运用
储层流体研究
储层流体特点 因地下为高温高压，流体地下性质与地面性质差异很大(地层油中溶解了大量天然 气，地层水中溶有大量盐类物质)。 在从地下采至地面的过程中，流体的压力、温度不断降低，各种物理及物理化学 变化会相伴发生，并使油气的性质及存在状态发生变化。
胶结物的含量、胶结类型直接影响岩石的储集物性， 但就储层敏感性而言，则是受胶结物中所含敏感矿物的 类型、含量以及在孔隙中的产状影响。
储层岩石的敏感性
二、油气储层损害的潜在因素—粘土矿物 油气层中不同程度地含有粘土矿物，当粘土矿物含量
在1~5%时，则是较好的油气层，粘土矿物含量超过10% 的，一般为较差的油气层。油气层中粘土矿物的类型、 数量、分布，以及在孔隙中所处的位置，不仅对储层岩 石的储渗条件及储层评价有明显的控制作用，而且对控 制伤害油气层也具有十分重要的意义。有关文献报道， 由粘土矿物造成对油气层伤害的，有时可使产量下降70%。 因此，在钻开油层，完井、注水、增产措施之前，必须 对储层所含粘土矿物进行分析研究。
由于各种敏感性多来自于砂岩中的粘土矿物，因此， 它们的矿物组成、含量、分布以及在孔隙中的产出状态 等将直接影响储层的各种敏感性，所以先简单讨论岩石 的胶结物和胶结类型，再讨论胶结物中的各种敏感矿物 及研究敏感性的方法。
储层岩石的敏感性
一、胶结物及胶结类型
胶结物的出现总是使储集物性变差，而且，储集物 性随胶结物含量的增加而变差。胶结物的成分可分为泥 质、钙质（灰质）、硫酸盐、硅质和铁质，而常见的是 泥质和灰质。
等液量线 三区：液相区、气相区
气液两相区
单、双、多组分体系相态特征
油气体系相图的应用 判断油气藏类型★ 确定油藏饱和压力★
(saturation pressure) 指导油气藏开发 指导地面油气分离
天然气的高压物性研究
研究内容
常温常压下天然气的主要物性参数 天然气的状态方程和对应状态原理 天然气的体积系数 天然气的压缩系数 天然气的粘度
2、提高采收率
提高采收率的主要途径是热力驱油和化学驱油。热力驱油主要包括向油层注入热蒸汽和 火烧油层等；化学驱油主要包括聚合物驱、表面活性剂驱、碱性驱和三元复合驱。近年 来还采用微生物来提高原油的采收率 结合工程物理化学原理可提高已探明储量的采出程度，是高效开发油气资源的关键 环节。
储层岩石的敏感性
三、储层敏感性的评价方法
储层敏感性评价 是系统评价地层损 害的重要组成部分， 系统评价是一个完 整的体系，它包括 岩石学分析、常规 岩心分析、特殊岩 心分析以及岩心流 动试验等。
增产措施中的运用
结论
1、帮助制定开发方案及建设方案
详细物探成果和必要的生产性开发试验，在综合研究的基础上对具有工业价值的 油气田，从油气田的实际情况和生产规律出发，可制订出合理的开发方案并对油气田 进行建设和投产，使油气田按预定的生产能力和经济效果长期生产，直至开发结束。