多相流体的渗流机理
第三章 油藏岩石中多相流体的渗流特性
2.驱替和吮吸的影响 2.驱替和吮吸的影响
亲油岩石中水驱油
亲水岩石中水驱油
a.驱替 a.驱替 b.吸吮 b.吸吮
非湿相驱替湿相流体的过程。 非湿相驱替湿相流体的过程。 湿相流体驱替非湿相流体的过程。 湿相流体驱替非湿相流体的过程。 流体驱替非湿相流体的过程
3、大庆油田岩石润湿性的分布和变化规律 (1)非烃、 (1)非烃、沥青质的影响 非烃 (2)渗透率的影响 (2)渗透率的影响 (3)注水对润湿性的影响 (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 (1)无水采收率 (2)最终采收率 (2)最终采收率
σwg 水
σwo
3. 影响界面张力的因素
(1)温度的影响：温度升高，张力降低 (2)吸附的影响
①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。 ②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。 吉布斯比吸附定律： 1 ∂σ
Vo1 Vo1 = 油湿指数 Wo = Vo1 + Vo 2 Vo
测量的关键技术问题： 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 1.润湿性的影响
在孔道中各相 界面张力的作 用下， 用下，润湿相 总是力图附着 于颗粒表面， 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。 部位去。
（2）动润湿滞后
定义：当水驱油或油驱水时， 定义：当水驱油或油驱水时，当三相周界沿固体表面移动 因移动迟缓而使润湿接触角发生变化的现象。 时，因移动迟缓而使润湿接触角发生变化的现象。
3.4多相流体渗流特征解析
3流度
定义:多相共渗时,某一相流体的有效渗透率与 该相的粘度之比。
油的流度：
K0 0 u0
水的流度：
Kw w uw
第7页
4流度比
定义:多相共渗时,水的流度与油的流度之比。
w 流度比： M 0
K w AP Kw w uw L uw w M K 0 AP K0 0 0 u0 L u0
W / O
第34页
2.利用相对渗透率曲线确定储层中油水的饱和度分布、100%产 纯水面的位置
相对渗透率
Kro Krw
Swi 液柱高度，m
Sor
产纯油
A
B 油水同产
80 100 100%含水 Sw %
第35页
C
产纯水
油水混合带
20
第36页
第37页
3利用相对渗透率曲线分析油井产水规律
定义：产水率是油水同产时产水量与总产液量的比值。
第8页
二、相对渗透率曲线特征及影响因素
定义:相对渗透率与饱和度之间的关系曲线，称为相对渗透率 曲线。 1、相对渗透率曲线特征：两相、三区、五个特征点
Kro 1.0
0.8
0.6
A
B
C Krw
0.4
0.2 Swi 0 20 40 60 80 Sor 100
Sw %
第9页
2 影响相对渗透率曲线的因素
1）岩石孔隙结构的影响
r 4 P q 8L 2 2 V r L,r V / L
2 cos 2 4( cos ) 2 PC ,r 2 r PC
2
r P ( cos ) PV q 2 2 8L 2 L P C
4
第27页
多孔介质多相渗流的基本概念
多孔介质多相渗流的基本概念前面几节课，我们主要讲述了单相流体渗流的问题，所谓单相流体渗流，也就是只有一相流体参与的渗流问题。
在这里我们主要介绍了，对于多孔介质，我们介绍了达西在1852～1855年通过大量实验得出达西定律。
达西定律是渗流中最基本的定律, 其形式简洁( v= kJ ), 最早是由实验在(1.4)式中q为单裂隙流量，J为水力坡降，b为裂隙宽度，g为重力加速度，ν为水流的运动粘滞系数。
那么，什么是多相渗流呢？实际上也就是两种或两种以上的流体在同一介质中流动。
自然界中有许多问题都涉及多相渗流问题，比如，我们熟知的油气田，在油气田中，孔隙的一部分由油占据，而其它部分由水或气体占据，原油中通常含有大量的溶解气，当地层压力降到饱和压力以下时，溶解气就会从原油中分离出来，从而形成油气两相渗流。
再比如，我们经常遇到的非饱和带水份运移问题，什么时非饱和带，也就是说水没有占据所有空间，有一部分空间被空气所占据。
这样，水和空气就在非饱和带中形成了多相渗流。
还有就是近些年来非常热点的海水入侵问题，当海水入侵到陆地下面的淡水层中会出现咸水和淡水可混溶的两相流渗。
那么实际上，对于油气田和非饱和带这样的多相渗流问题，我们称为不可混溶多相渗流问题，英文叫immiscible.对于海水入侵这样的多相渗流问题，就immiscible.同时也叫solute transport.下面，我们讲四个多相渗流的基本概念：1.流体的饱和度对于多相渗流的饱和度概念，实际上是，单相渗流饱和度概念的推广，当多孔介质的孔隙空间被两种或两种以上流体所占据时，对于一相流体而言，其饱和度为Si=Vif/Vp特别地，对于水和油所饱和的多孔介质而言，随任时刻，水和油的饱和度之和均为1目前，在实验室中，不破坏被多种流体所饱和的多孔介质条件下，直接测量各相流体饱和度的方法是目前重要的研究课题。
目前，主要有电阻法（），x射线法，数字图像处理方法。
2.湿润性对于湿润性，我们以前学习单相渗流的时候，并没有涉及到，大家可能感到有点陌生。
石油工程 提高采收率 第四章 多相流体的渗流机理及残余油形成机理
应当指出，比界面能和界面张力是两个不同的概念。它们 的意义不同（仅仅是数值相等），在热力学上多用界面能的概 念，而界面张力则多用在力学和工程应用中。 严格地说，在两相系统的表面层上只存在比界面能而不存 在界面张力。界面张力只是自由界面能的一种表示方法，并非 存在什么真实的“张力”。只有在三相系统的周界上，这种界 面能才有界面的张力存在，它是各自两相界面层自由界面能在 三相周界的接触点相互“争夺”的结果。如图 4 - 4 所示，一滴 油滴在水面上则有三种界面，即油—气（ 2 - 3 ）、油—水（ 2 - 1 ）和水—气（ 1 - 3 ）界面，各自界面层的界面能在三相周 界的争夺则呈现三种界面张力σ2-3、σ1-2和σ1-3, 当三者达到平 衡时，则：
压很小，在原油中的溶解度大于甲烷在原油中的溶解度，因此 原油—CO2系统的界面张力随着压力增加而快速下降。对于原 油—天然气系统而言，天然气中甲烷以及少量的乙烷、丙烷、 丁烷等使得天然气在油中的溶解度要远大于氮气的溶解度，故 界面张力随压力增加而急剧降低。 至于汽油和二氧化碳系统，界面张力要比原油—CO2系统还 要低，这是因为汽油是由轻质烃类组成的，它比原油能够溶解更 多的二氧化碳。 因此，对于原油—天然气系统，气相饱和蒸汽压越小，或气 体溶解度越大，或原油的相对密度越小，或天然气中重烃气越多， 或压力和温度越高，则原油—天然气系统的表面张力就越小。 总之，油气界面张力随气相在液相中溶解度的增大而 降低。天然气中含重烃气体越多，原油中的溶解气量就越大， 那么，当压力增加时，表面张力减小幅度也越大。
图 4 -1 液体相内及表面层分子力场示意图
如果要想把水的内部分子举升到水面，就必须作功。只 有对其作功才能使液相内的水分子上升到水表面，这种能量 （功）就转化为自由表面能。 综上所述，两相界面层界面能是由界面层分子力场的不 平衡所致。自由界面能具有如下的性质： ( 1 ) 只有存在不互溶的两相时自由界面能才存在。以上是 从水和空气界面讨论的。同理对于任意两相，不论是气和液、 液和液，还是气和固、液和固的界面，都存在有上述的自由 界面能。而完全互溶的两相（例如酒精和水、煤油和原油）， 由于它们之间不存在界面，所以也就不存在自由界面能。 ( 2 ) 界面越大，自由界面能也越大。根据热力学第二定律 知，任何自由能都有趋于最小的趋势。由于等体积物体以球 体表面积最小，表面能也最小，所以水银滴掉在桌面上变成 球形，而不是其他形状，以使自由表面能居于最小。
第一篇 第四章 多相流体的渗流机理
第四章多相流体的渗流机理前面已经分别研究了储层岩石本身的一些渗储性质以及多相流体(油、气、水)的相态转化及其物理性质。
那么当这两者相结合，即多相流体在高度分散、弯弯曲曲的毛细孔道所构成的岩石中，其分布及流动又会产生什么样的岩石—流体综合特性呢?岩石颗粒细、孔道小，使得岩石具有巨大的表面；流体本身又是多组分的不稳定体系，在孔道中又有可能同时出现油、气、水三相，这种流体分散储集在岩石中会造成流体各相之乱流体与岩石颗粒固相间存在着极大的多种界面(气一固、气一液、液一液、液一固界面)。
因此，界面现象极为突出，表现出与界面现象有关的界面张力、吸附作用、润湿作用及毛管现象、各种附加阻力效应等等，对流体在岩石中的分布和流动产生重大的影响。
因此，地下流体在岩石中的流动既不同于油、气、水在管路中的流动，更不同于水在河床中的流动而具有其特定的性质。
通常，人们把流体在多孔介质中的流动称为渗流。
渗流时，首先需要了解的是在岩石孔隙中油水究竟是怎样分布的?流动过程中会发生哪些变化?有什么特点?实用中采用哪些参数来描述地层中各种阻力的变化?如何减少和消除这些附加阻力?只有研究了渗流物理特性，才能找出油井生产指标(如产量、压力)变化的原因，也只有研究了渗储机理、岩石的润湿性等，才能对部分原油不能采出的原因有深刻的认识。
因此，本章研究的内容也是如何提高采收率的部分基础。
此外，本章中有关相对渗透率曲线及毛管压力曲线的研究，是油藏工程计算分析中极为重要的基础和资料，具有极大的实际意义。
第一节储层岩石中的各种界面现象无论在天然原始油层中存在有束缚水的情况还是注水开发的油层，其中流体至少存在着油水两相，当地层压力降到泡点压力后，还会因原油脱气而出现油气水三相。
因此，可以认为油层是一个由固相和两个不互溶的液相，以及有时还有气相等所构成的比面极大的高度分散系统。
而在这一系统中，所呈现的有关界面性质的一些问题，诸如水驱洗油问题，互溶混相驱油时的油水界面消失的问题，以及由于存在油水界面时的毛细管附加阻力问题等，都是与两相界面分子的相互作用有关的。
第三章 储层岩石多相流体渗流特性
a、三相周界上有界面的张力存在； b、各该两相界面张力的大小等于各自的比表面能； c 、界面张力的方向确定： 界面为平面时，则在界面上；界面为曲面时，则在
界面的切平面上； d、张力的作用点为三相周界的作用点。
三、油藏流体间的界面张力分析
油藏流体（油、气、水）间的界面张力取决 与流体的组成、油藏温度和压力。
由上面分析结果知道：表明水分子 a 比水相内部水分子 b具有更多的“自由能”。因此有： A、假若 把水分开使其产生新界面（界面积增大），就必须做功，做功的能量就转化为新
生界面（界面积增大）的自由表面能。 B、假若 把水的内部分子举升到水面，就必须做功。做功的能量就转化为自由表面能。 自由表面能性质： （1）只有存在不互溶的两相时自由表面能才存在。
的应用。
4、油藏岩石的相对渗透率曲线
有效渗透率和相对渗透率、相对渗透率曲线特征及影响因素、相对渗透率曲
线的应用。
?
本章教学重点、难点：
1、岩石润湿性及润湿性与水驱油的相互关系
2、岩石毛管压力曲线特征及其应用
第一节 油藏流体的表面张力
一、两相界面层的自由表面能
界面：任何两相分界面通称为界面，如岩石－油（水）界面、油－水界面。 表面：当接触的两相中有一相是气相时,则把界面习惯称为表面，如空
气—水的分界面称为“水的表面”；岩石—气体的分界面称为“岩石 的
表面”。 内聚力：同一相的内部分子之间的作用力。 吸附力（附着力）： 界面两种不同相的分子间的作用力。 净吸力：净吸力=内聚力- 吸附力
一、两相界面的自由表面能
1、自由表面能的概念
以水的表面为例，进行自由表面能的分析：
b分子—— 水相内部分子。受到周围同类水分子力的作用，其分子力场处于相对平衡状态。 a分子 —— 表面层水分子。水分子间的作用力大于空气分子对其的作用力，所受的合力的方
油层物理(复习重点)
在地面脱气后的体积之比，用 Bo 表示，即： VOR——原油在压力 p、温度 T 下的体积，m3；
Bo=VOR/VOS
VOS——原油在地面条件下（0.1MPa，20ºC）脱气后的体积，m3. 油藏原始条件（p，T）下的体积系数称为地层原油体积系数，记为 Boi。 原油收缩系数★★
地层油由地下至地面脱气后，其体积必然变小，这种现象称为地层原油的收缩，收缩的
它们在地面脱气后原油体积之比，用符号 Bt 表示。
定义：所谓原油压缩系数是指地下原油体积随压力的变化率。
（2）当 p>ps 时，体积系数随压力的增加而降低。这 是由于地下原油受压缩，体积 Vf 缩小，故 Bo 也减小。 （3）当 p=ps 时，溶解气油比 Rs 最大，体积系数 Bo 也最大。
地下油、气两相体积系数★
地下油、气两相体积系数是指：当油层压力低
于饱和压力时，地层中原油和析出气体的总体积与
Bt=Bo+（Rsi-Rs）Bg Rsi——地层油原始溶解气油比 Rs——压力为 p 时的溶解气油比 Bg——分离出的气体体积系数 地层原油的压缩系数★★★
对比温度 Tr=T/Tc
p——绝对压力
pc——临界压力 T、Tc 同理
对比状态定律指出，所有纯气体在相同的对比压力和对比温度下，都具有相同的压缩因
子。
视临界压力 ppc=∑yipci 视临界温度 Tpc=∑yiTci 视对比压力 ppr=p/ppc=p/∑yipci 视对比温度 Tpr=T/Tpc=T/∑yiTci ★★★天然气的体积系数 Bg 定义为：一定量的天然气在油气层条件（某一 p、T）下的体积 VR 与其在地面标准状态下（20Oc,0.1MP）所占体积 VSC 之比，即：
空间。边界面可以是客观存在的固体界面，也可以是假设的概念界面。边界面可以是运动的，
渗流机理名词及解释
渗流机理名词及解释多孔介质porous media以固相介质为骨架、含有大量孔隙、裂隙或洞穴的介质叫多孔介质。
若多孔介质对流体是可渗的，称为可渗多孔介质。
双重孔隙介质dual-porosity media;double porosity media这类介质由两个系统组合而成，孔隙性介质构成岩块系统；裂缝性介质构成裂缝系统。
两个系统按照一定规律发生彼此间的传质交换。
不可压缩流体incompressible fluid随压力变化，体积不发生弹性变化的流体。
亦称刚性流体。
可压缩流体compressible fluid随压力改变，体积发生弹性变化的流体。
亦称弹性流体。
渗流速度flow volocity流体流量与多孔介质横截面积之比称为渗流速度。
流体在多孔介质中流动的渗流速度不是流体质点的真实速度。
流体真实速度应等于流量除以孔隙面积，所以渗流速度小于真实速度。
稳定渗流steady state flow流体在多孔介质中渗流时，密度和速度等物理量仅为空间函数而不随时间变化的渗流。
亦称定常流动、稳态流动。
不稳定渗流unsteady-state flow流体在多孔介质中渗流时，各物理量不仅是空间的函数，而且是时间的函数。
亦称非定常流动；非稳定流动。
非线性渗流non-linear flow渗流速度与压力梯度之间不成线性关系的渗流状态。
单相渗流single-phase flow through porous medium在多孔介质中只有一种流体参与的流动。
两相渗流two-phase flow through porous medium多孔介质中有两种互不混溶的流体同时参与的流动。
多相渗流multiple-phase flow through porous medium多孔介质中同时有两种以上互不混溶流体参与流动。
多组分渗流multi-component flow through porous medium含有多种组分的烃质和非烃质混合的流体在多孔介质中的流动。
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3、界面张力及其影响因素 i)自由能的大小用比表面自由能(单位面积上 的过剩的自由表面能，常称表(界)面张力)来描 述。单位：mN/m2
假设在恒温、恒压和组成一定的条件下,以可逆 增加新表面面积A,外界所做的表面功为W,则体 系自由能的增量为U
化学吸附：吸附质与吸附剂形成表面化合物，共 价键。 实际上多为混合吸附 1、降低的三条途径
a、界面面积界面总自由能; b、选择性润湿 ； c、吸附作用(加活性剂),减小界面张力； 2、液体表面的吸附(可以 )
表面活性剂：被吸附在两相界面层上，并能大大 降低界面张力的这种物质。
吸附：溶解在两相界面中的物质，自发地聚集到 两相界面上，并降低界面张力的现象。
G=f(c) G
=f(c)
表面活性剂浓度
4、气体在固体表面上的吸附
朗格茂吸附等温式：
＝
1
bP bP
b——吸附系数
一定量吸附剂上气体吸附质的摩尔数
一定量吸附剂所能吸附气体最大摩尔数
5、液-固体表面吸附 特点：(1) 存在边界层。该吸附层力学性质反常， 具有很高的抗剪切能力，高的界面粘度。
(2) 固体表面物质成分不均匀。极性表面
原因： P 气体溶于液体中，气体密度增加
改善了气液分子间的力场不平衡。
T 分子活性或分子吸性 液体分子间作用 力下降>气分子间作用力改善了气液分子间的 力场不平衡。
P、T=const,分子极性差异；
gasco2
oilco2
oilCH 4
oilair
设分子极性差异为D:
D gas-CO2 < D oil-CO2 < D oil-gas < D oil-air
活性剂为：极性端和非极性端
活性剂在界面上富集，起到过渡带(缓冲)的作用。
非极性端，朝极性小的物质 极性端，朝极性大的物质
Pb Por Rs d、矿化度增加，
活性剂浓度
4、界面张力的测定 高:吊片法(1∼100mN/m） 中:悬滴法(10-1∼1mN/m) 低:旋滴法(10-3∼10-1mN/m) 1)实验室测定
油
气
形成缓冲区
水
水
3、Gibbs吸附量：描述单位面积上界面层活性剂
的摩尔数与溶液内任意相当薄层中活性剂摩尔数
之差。
1
G
RT
C
( C
)T
C－溶质在溶液内的平衡浓度。
T，R－绝对温度和气体常数。
如：(
C
)T
0, G
0 正吸附，随 C ，，
活性剂。
(
C
)T
0, G 0负吸附，随 C ， ，
非活性剂。
-W可=FX=A=2LX
F Nm-1
2L
表面张力:在液体表面上,垂直作用于单位长度线 段上的表面收缩力。
单位：mN/m,N/m,达因/厘米； 注意：A、比表面自由能在数值上等于表面张力；
B、表面张力与表面的大小无关； C、表面张力的作用方向和作用点。 ii)影响的因素 a、对油气系统
P , T ;
i)滴体积法： Vg F
ii)最大气泡压力法： PmR
2
iii)滴外形法: gd 2
H
d1 dd
iv)吊片法：
2P L1 L2
v)吊环法： P F 4R
2)查图法( 诺模图 )求 P172图3- 10 ,已知地面o-w和 T地层,查图得地下o-w
二、华力。
则: U W
增加单位新表面所做的功: U W
A A
例如:在一定条件下,将金属框蘸上肥皂液;为增 大表面,将金属框施加拉力F,移动距离X,使肥皂 膜的表面增大A。
共增大表面积为:A=2LX；
• • •
•••••
• • •
F 环境对液体所做的功为:-W可=FX；
该能量储藏在液膜的表面,成为表面能,即:
的能量，称为表面自由能。
讨论 使自由表面积增大 把液相内部分子升到表面
必须作功功能转化自由表面能
A
B
A—不平衡，下沉
B—平衡
ii)自由表面能性质
a、有界面，才有自由表面能；
b、界面面积 自由表面能；
c、自由能不仅在界面一层分子，而是逐渐过渡。
d、分子极性差异自由表面能； 分子极性差异自由表面能；
吸附极性物，非极性表面吸附非极性物质。 三、润湿现象和毛管力
润湿现象－当不混相的两相流体与岩石固体接 触时，其中一相流体沿着固体表面铺开，从而 使体系的表面自由能降低的现象。 润湿作用支配着油、气、水在岩石孔隙中的微 观现象。 毛管力PC对油、气、水在岩石中渗流起着十分 重要作用。 四、界面粘度
测试仪器不同，结论不同。但界面µ>> 体相µ （大106倍) 。
§3.1 储层岩石中的各种界面现象现象
一、储层流体的相间界面张力及其测定
1、表面与界面是否是同一概念………..?
表面:当接触的两相中有一相是气相时,把与气相 接触面称表面。
界面：固－液，液－液相接触面。
2、界面张力的基本概念及影响因素
i)自由表面能现象: 原因：界面上，分子
毛管力
Hg
受力不平衡，存在多余
第三章 多相流体的渗流机理
i) 岩石－流体 流体－流体
接触面积极大
ii)流体对岩石表面有选择性润湿
iii)流体间有界面张力，孔道小，毛管现象严重
流体在这种介质中的流动规律 与在管道中的流动规律不同
一、只研究渗流机理(还不是原理)
(1) 流体在岩石中是如何分布的(微观分布)?
(2)流体在渗流过程中,会产生毛管力, 多大? 是驱 油动力还是阻力? 粘滞阻力对渗流有哪些影响?
(3)流体在流动过程中的各种附加阻力,如何评价? 如何消除?
(4)多相流体共渗时,每相的流动能力多大?—相渗 透率
二、为什么研究渗流机理?P
(1)找出油井生产指标(Q, )变化的原因
(2)注水过程中，更好地了解水驱油机理。以便提 高油水同产井中原油量。
(3)提高原油采收率的研究。了解油藏中的油为什 么不能100％采出？残余油的分布状况如何？
Rs gas-CO2 > Rs oil-CO2 > Rs oil-gas > Rs oil-air
b、油水系统 对脱气原油—水
与P、T无关——油水都为液态，压缩性及界面 分子热力学性质变化一致。
对溶气原油——水 PRs;T Rs;油的性质好(o) Rs; P<Pb时，PRs， o; 原因：原油与水分子极性差异。 P<Pb时，相当于纯油水系统，P稍有下降； c、当有表面活性剂时