第1章 渗流的基本概念和基本规律
渗流的基本原理和规律
渗流的基本原理和规律
四、渗流力学课的特点
• 渗流力学是研究油、气、水在油层中的运动形态和运动规律的 科学。
• 由于油层深埋在地下几千米处，看不见，摸不着，形式多样， 结构复杂，故渗流力学的研究以实验为基础，数学为手段。
渗流的基本原理和规律
一、力学分析
• 油、气、水在岩石中流动，必须要有力的作用
1.流体的重力和重力势能
流体由地球吸引受重力，和其相对位置联系起来，则表现
为重力势能，用压力表示：
Pz—表示重力势能的压力，Pa；
Pz gz
ρ—流体密度，g/cm3； z—相对位置高差，m；
g—重力加速度，m/s2。
渗流的基本原理和规律
• 油气层的概念 • 油藏类型 • 多孔介质
渗流的基本原理和规律
一、油气层的概念
• 油气层是油气储集的场所和流动空间，在其中油气水构成 一个统一的水动力学系统，包括含油区、含水区、含气区 及它们的过渡带。
• 在一个地质构造中流体是相互制约、相互作用的，每一局 部地区的变化都会影响到整体。
渗流的基本原理和规律
三、驱动类型
驱动类型不同油藏的开采特征就不同，故鉴别油藏 的驱动类型对油气田开发有重要意义。几个重要的开发指 标：
地层压力：油藏地层孔隙中流体的压力，也称油藏 压力，记为Pe；
井底压力：油井正常生产时在生产井底测得的压力， 也称流压，记为Pwf；
渗流的基本原理和规律
五、本课层物理
渗流力学
油藏工程 采油工程 数值模拟 试井分析 提高采收率原理 油藏保护
渗流的基本原理和规律
六、主要参考书
地下水动力学(第一章 渗流理论基础-2-专)
∂2H ∂2ψ ∂2H ∂2ψ −K = ; −K =− 2 ∂x∂y ∂y2 ∂y∂x ∂x
二、流网及其性质
流网：在渗流场内，取一组流线和一组等势线 组成的网格。 流网的性质： 流网的性质： 1. 在各向同性介质中，流线与等势线处处垂直， 故流网为正交网格。 证明：等水头线和流线的梯度为：
gradH = ∇H = ∂H ∂H i+ j ∂x ∂y
一般地下水流都为Darcy流。 思考题
§1—3 岩层透水特征分类和渗透系数张量 一、岩层透水特征分类 据岩层透水性随空间坐标的变化情况，将岩层 分为均质的和非均质的两类。 均质岩层：在渗流场中，所有点都具有相同的 渗透系数。 非均质岩层：在渗流场中，不同点具有不同的 渗透系数。 非均质岩层有两种类型：一类透水性是渐变的， 另一类透水性是突变的。 均质、非均质:指 与空间坐标的关系 与空间坐标的关系， 均质、非均质 指K与空间坐标的关系，即不同位 是否相同； 置K是否相同； 是否相同
K1M1 + K2M2 M1 + M2 Kp − Kv = − M1 M2 M1 + M2 + K1 K2 M1M2 = >0 (K1M1 + K2M2 )(M1 + M2 )
(K1 − K2 )
2
渗流基本知识
第十二章渗流流体在孔隙介质中的运动称为渗流。
流体包括水、石油、天然气等。
孔隙介质是指由颗粒或碎块材料组成的内部包含许多互相连通的孔隙和裂隙的物质。
常见的孔隙介质包括土壤、岩层等多孔介质和裂隙介质。
有些水工建筑物本身就是由孔隙介质构成的，如土坝、河堤等。
研究渗流的运动规律及其工程应用的一门科学便是渗流力学。
在水利工程中，渗流主要是指水在地表以下土壤或岩层孔隙中的运动，这种渗流也称为地下水运动。
研究地下水流动规律的学科常称为地下水动力学，是渗流力学的一个分支。
在社会的许多部门都会遇到渗流问题。
例如，石油开采中油井的布设，水文地质方面地下水资源的探测，采矿、化工等。
在水利部门常见的渗流问题有以下几方面：（1）经过挡水建筑物的渗流，如土坝、围堰等。
（2）水工建筑物地基中的渗流。
（3）集水建筑物的渗流，井、排水沟、廊道等。
（4）水库及河渠的渗流。
上述几方面的渗流问题，就其水力学内容来说，归纳起来不外乎是要求解决以下几方面的问题：（1）确定渗流量；（2）确定浸润线位置；（3）确定渗流压力；（4）估计渗流对土壤的破坏作用。
第一节渗流的基本概念渗流既是水在土壤孔隙中的流动，其运动规律当然与土壤和水的特性有关。
一、土壤的分类一切土壤及岩层均能透水，但不同的土壤或岩层的透水能力是不同的，有时甚至相差很大。
这主要是由于各种土壤的的颗粒组成不同而引起的。
此外，在低水头下不透水的材料，在高水头作用下仍可能透水。
本章重点研究的土壤中的渗流，故可以根据土壤的透水能力在整个流动区内有无变化对土壤进行分类。
任一点处各个方向的透水能力相同的土壤称为各向同性土壤，否则称为各向异性土壤。
所有各点在同一方向上透水能力都相同的土壤称为均质土壤，否则称为非均质土壤。
显然，均质土壤可以是各向同性土壤，也可以是各向异性土壤。
均质且各向同性的土壤就透水能力而言是一种最为简单的土壤。
严格说来，只有当土壤由等直径的圆球颗粒组成时，其透水能力才不随空间位置及方向变化，才符合均质及各向同性条件。
渗流力学要点整理
过程状况：是等温过程还是非等温过程；
系统状况：是单组分系统还是多组分系统，甚至是凝析系统；
相态状况：是单相还是多相甚至是混相；
流态状况：是服从线性渗流规律还是服从非线性渗流规律，是否物理化学渗流或非牛顿液体渗流。
3.确定未知数和其它物理量之间的关系
运动方程：速度和压力梯度的关系
岩石的状态方程
质量守恒方程（单相渗流的连续性方程、两相渗流的连续性方程）
单相渗流
=
div F=▽·F在矢量场F中的任一点M处作一个包围该点的任意闭合曲面S，当S所限定的区域直径趋近于0时，比值∮F·dS/ΔV的极限称为矢量场F在点M处的散度，并记作div F
两相渗流
油相
=
水相
油、气两相渗流
油相
=
油相
状态方程：物理参数和压力的关系
连续性方程：渗流速度v和坐标及时间的关系或饱和度与坐标和时间的关系：
确定伴随渗流过程发生的其它物理化学作用的函数关系（如能量转换方程、扩散方程等等）
4.写出数学模型所需的综合微分方程(组)
用连续性方程做为综合方程，把其它方程都代入连续性方程中，最后得到描述渗流过程全部物理现象的统一微分方程或微分方程组。
建立数学模型的步骤
1.确定建立模型的目的和要求
解决的问题:①压力P的分布②速度v的分布（包括求流量）③饱和度S的分布④分界面移动规律。
自变量：空间和时间，(x,y,z)或(r,θ,z)和时间t
因变量：压力P和速度v；两相或多相流S分布
其它参数：地层物性参数(如渗透率K、孔隙度ф、弹性压缩系数C、导压系数æ等)和流体的物理参数（如粘度μ、密度ρ、体积系数Bபைடு நூலகம்)
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目录第一章渗流理论基础 (1)1.1渗流的基本概念 (1)1.2渗流基本定律 (7)1.3岩层透水特征及水流折射定律 (11)1.4流网及其应用 (14)1.5渗流连续方程 (19)1.6渗流基本微分方程 (24)1.7数学模型的建立及求解 (32)第一章渗流理论基础1.1 渗流的基本概念1.1.1 多孔介质及其特性1.1.1.1多孔介质的概念多孔介质(Porous medium)：地下水动力学中具有空隙的岩石。
广义上包括孔隙介质、裂隙介质和岩溶不十分发育的由石灰岩和白云岩组成的介质，统称为多孔介质。
孔隙介质：含有孔隙的岩层，砂层、疏松砂岩等；裂隙介质：含有裂隙的岩层，裂隙发育的花岗岩、石灰岩等。
1.1.1.2 多孔介质的性质(1) 孔隙性：有效孔隙和死端孔隙。
孔隙度（Porosity）是多孔介质中孔隙体积与多孔介质总体积之比（符号为n），可表示为小数或百分数，n=Vv/V。
有效孔隙（Effective pores）是多孔介质中相互连通的、不为结合水所占据的那一部分孔隙。
有效孔隙度（Effective Porosity）是多孔介质中有效孔隙体积与多孔介质总体积之比（符号为n e），可表示为小数或百分数，n e=V e/V。
死端孔隙（Dead-end pores ）是多孔介质中一端与其它孔隙连通、另一端是封闭的孔隙。
(2) 连通性：封闭和畅通，有效和无效。
(3) 压缩性：固体颗粒和孔隙的压缩系数推导。
(4) 多相性：固、液、气三相可共存。
其中固相的成为骨架，气相主要分布在非饱和带中，液相的地下水可以吸着水、薄膜水、毛管水和重力水等形式存在。
固相—骨架matrix气相—空气，非饱和带中液相—水：吸着水Hygroscopic water薄膜水pellicular water毛管水capillary water重力水gravitational water1.1.1.3多孔介质中的地下水运动比较复杂，包括两大类，运动特点各不相同，分别满足于孔隙水和裂隙岩溶水的特点。
渗流的基本概念
a 区 : 实 际 水 深 h > h 0， A > A 0， 那 么 dh 0， 浸 润 曲 线 为 壅 水 曲 线 ， 曲
dl
线 上 游 端 当 h h0 ， AA0 ， dh 0， 以 N -N 为 渐 近 线 ; 下 游 端
当
h
，
A，
dh
i
dl
，以
水
平
线
为
渐
近
线
。
dl
b 区 : 实 际 水 深 h<h0， A <A 0， 那 么
渗 流 模 型 ：不 考 虑 地 下 水 的 流 动 区 域 内 土 壤 颗 粒 的 结 构 ，设 想 水 作 为 连 续 介 质 连 续 地 充 满 渗 流 区 域 的 空 间 ，从 而 将 流 动 视 为 连 续 介 质 流 动 ，所 有 水 力 要 素 可 看 作 随 空 间 点 是 连 续 变 化 的 ，可 以 用 连 续 函 数 的基本性质来研究渗流运动。
2020/6/30
将 达 西 定 律 应 用 于 渐 变 渗 流 ，过 水 断 面 上 任 意 点 的
流速为
ukJk(z2p 2)(z1p 1)kdH
(4)
dl
dl
过水断面的平均流速为
v1 AA ud 1 A A Akd dH d l A kd dH l
(5)
上 式 称 为 D u p u it 公 式 。该 式 说 明 在 非 均 匀 渐 变 渗 流 中 ，
η通常大于1，η越大，土壤颗粒越不均匀，土壤透水能力越差。
均匀颗粒组成的土壤，η=1，其透水能力强于不均匀土壤。
实际土壤的孔隙形状和分布相当复杂，根据渗流特性将土壤分
类：
各向同性— 土 土壤 壤的渗流特性 向各 相个 同方 各向异性— 土 土壤 壤的渗流特性 向各 不个 同方
地下水动力学第一章
px = pxxnx + pyxny + pzxnz py = pxynx + pyyny + pzynz pz = pxznx + pyzny + pzznz
7
地下水动力学
第一章 渗流理论基础
⎧ px⎫ ⎧ pxx pyx pzx⎫⎧nx⎫
⎪ ⎨
py
⎪ ⎬
=
⎪ ⎨
渗透系数不仅取决于岩石的性质 （如粒度、成分、颗粒排列、充填状况、裂隙性质及其发育程度等）， 而且与渗透液体的物理性质（容重、粘滞性等）有关。 理论分析表明，空隙大小对K值起主要作用
地下水动力学
第一章 渗流理论基础
通常采用的单位是cm2 或D
D是这样定义的：在液体的动力粘度为0.001Pa·s，压强差为 101325Pa的情况下，通过面积为1 cm2 、长度为1cm岩样的
pxy
pyy
pzy⎪⎬⎪⎨ny来自⎪ ⎬⎪⎩ pz⎪⎭ ⎪⎩ pxz pyz pzz⎪⎭⎪⎩nz⎪⎭
⎡ pxx pxy pxz⎤
p
=
⎢ ⎢
pyx
pyy
pyz
⎥ ⎥
⎢⎣ pzx pzy pzz⎥⎦
地下水动力学
第一章 渗流理论基础
三维
二维
地下水动力学
第一章 渗流理论基础
渗透系数张量是对称张量
虽然总的说来，在各向异性介质中的水力坡度和渗流速度的方向是不一致 的，但在三个方向上两者是平行的，而且这三个方向是相互正交的。这三个 方向称为主方向。
dσ ' = −d p
d (Δz) = Δzα dp dn = (1− n)α dp
第一章 渗流理论基础
第一章渗流理论基础一、名词解释1. 渗透速度：表示水流在过水断面上的平均流速，不能代表任何真实水流的速度。
2. 实际速度：表示地下水在孔隙中的真实速度。
3. 水力坡度：把大小等于梯度值，方向沿着等水头面的法线，指向水头降低方向的矢量称为水力坡度。
4. 贮水系数：当水头变化1m时，从单位水平面积，高度为承压含水层厚度的柱体中释放或贮存的水量。
5. 贮水率：当水头下降1m时，单位体积承压含水层释放出来的水量。
6. 渗透系数：也称水力传导系数，当水力坡度J=1时，渗透系数在数值上等于渗透速度。
7. 渗透率：表示多孔介质能使气体或液体通过介质本身的能力，只与岩石性质有关，与液体性质无关。
8. 导水系数：T=KM，是一个水文地质参数，即水力坡度J=1时，通过整个含水层厚度上的单宽流量。
二、填空题1．地下水动力学是研究地下水在、、和中运动规律的科学。
（孔隙岩石、裂隙岩石、岩溶岩石）2.通常把具有连通性的孔隙岩石称为多孔介质，而其中的岩石颗粒称为。
（骨架）3.地下水在多孔介质中存在的主要形式有、薄膜水、毛管水和重力水，而地下水动力学主要研究的运动规律。
（吸着水、重力水）4.在多孔介质中，不连通的或一端封闭的孔隙对地下水运动来说是，但对贮水来说却是。
（无效、有效）5.地下水的过水断面包括空隙和固体颗粒所占据的面积，渗透流速是上的平均速度，而实际速度是的平均速度。
（过水断面、空隙面积）6.在渗流场中，把大小等于，方向沿着的法线，并指向水头降低方向的矢量，称为水力坡度。
（梯度值、等水头面）7.渗流运动要素包括流量Q、、压强p和等。
（渗流速度v、水头H）8.根据地下水与的关系，将地下水运动分为一维、二维和三维运动。
（运动方向、空间坐标轴）9.渗透率是表征的参数，而渗透系数是表征岩层的参数。
（岩层渗透性能、透水能力）10.影响渗透系数大小的主要因素是以及。
（岩石性质、渗透液体的物理性质）11.导水系数是描述含水层的参数，它是定义维流中的水文地质参数。
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二、与油藏有关的压力概念
1、原始地层压力 Pi
藏在开发以前，整个油藏处于平衡状态，此时油层中流体 所承受的压力称为“原始地层压力”。
说明：当油层倾角较大时，各井油层中部深度各 不相同。矿场实践表明，在油藏开发前的原始状况下， 各井原始地层压力也是不相等的。
获取方法： 在开发初期，可以根据第一批探井获得。 思考：开发中后期，如何获得？
4、孔隙结构复杂性
储集层的五种特性
决定了渗流的特点：渗流阻力大；渗流速度慢
第二节 多孔介质及连续介质场
一、多孔介质的特点及分类
5、多孔介质分类
单纯介质
粒间孔隙 纯裂缝
三 种 介 质 七 种 结 构
纯溶洞 裂缝-孔隙
双重介质
溶洞-孔隙
裂缝-溶洞
三重介质
孔隙-裂缝-溶洞
第二节 多孔介质及连续介质场
一、多孔介质的特点及分类
且油藏具有明显的倾角时这种能量才起作用。
油藏具有明显的 倾角时这种驱动 方式 才起作用
第三节 渗流过程中的力学分析及驱动类型
6、驱动方式小结及三次采油介绍
在流体流向井底的过程中，往往是各种能量同时起作用， 区别在于每种能量发挥作用的大小不同，在某个时期，某 种能量会处于主导地位，其它能量处于从属地位，那么， 在某个时期内，什么能量处于主导地位，就叫做什么驱。
=9.435MPa prB>prA，所以油从B流向A。
A
z 10 m
B
第三节 渗流过程中的力学分析及驱动类型
三、油藏驱动类型及驱动能量
1、水压驱动
来源于与外界连通的边水或人工注入水。
注水井 边水压能
生产井
第三节 渗流过程中的力学分析及驱动类型
2、弹性驱动
Pf
P P
P'
开采前
Pf P
条带状地层
>3
圆形地层
平面等厚模型(x，y)
B
K=A/B <3
A
第一节 油气藏及其简化
二、油气藏的简化（层状、块状）
1、层状油藏
底水油藏
边水油藏
封闭边界
定压边界
第一节 油气藏及其简化
二、油气藏的简化（层状、块状）
2、块状油藏 必须考虑流体在纵向上的流动和交换。
第二节 多孔介质及连续介质场
一、多孔介质的特点及分类
Pe
油井
水井
Pe
微分方程的边界条件
第三节 渗流过程中的力学分析及驱动类型
4、井底压力
井底流压 Pwf ：正常生产时，生产井或注水井的井底压力。 井底静压 P ：正常生产情况下，关闭一口井，其它井正常工 w 作，稳定后的关闭井的井底压力。
Pe
油井
水井
灌溉
Pwf Pw
Pe
第三节 渗流过程中的力学分析及驱动类型
一、油气藏的类型（构造、地层和岩性）
3、岩性油气藏（砂岩透镜体、生物礁和岩性歼灭）
生物礁油气藏
第一节 油气藏及其简化
一、油气藏的类型（构造、地层和岩性）
3、岩性油气藏（砂岩透镜体、生物礁和岩性歼灭）
岩性歼灭油气藏
第一节 油气藏及其简化
二、油气藏的简化（层状、块状）
1、层状油藏 忽略流体在纵向 上的流动和交换
油气层渗流力学
第一章
渗流的基本概念和基本规律
第1章 渗流的基本概念和基本规律
第一节 油气藏及其简化
第二节 多孔介质及连续介质场
第三节 渗流过程中的力学分析及驱动类型
第四节 渗流的基本规律和渗流方式
第五节 非线性渗流规律
第六节 两相渗流规律
第一节 油气藏及其简化
一、油气藏的类型
二、油气藏的简化
第一节 油气藏及其简化
第三节 渗流过程中的力学分析及驱动类型
2、目前地层压力 P
藏开发过程中，不同时期的地层压力，与开发程度、水平有关。
获取方法： 关闭所有井，稳定后，测定的地层中部压力，为目前的地层 压力。
目前地层压力与原始地层压力的关系？
第三节 渗流过程中的力学分析及驱动类型 3、供给压力 Pe
在油藏供给边界上的压力或注水井井底压力。
一、渗流程中的力学分析
1、流体的重力和势能
A B
M
Pz
动力
M
Pz
阻力
流体重力势能图
表示重力势能的压力： P
z
gz
重率：
g
第三节 渗流过程中的力学分析及驱动类型
2、流体惯性力
m/v
当流体运动时，惯性使其总要保持原状，因而表现为阻力。
dv Pa m ma dt
第三节 渗流过程中的力学分析及驱动类型
二、连续介质及连续流体
1、连续流体
p lim p
p p
p
2、连续介质
p lim p
p p
p
第三节 渗流过程中的力学分析及驱动类型
一、渗流过程中的力学分析 二、与油藏有关的压力概念
三、油藏驱动类型及驱动能量
第三节 渗流过程中的力学分析及驱动类型
一次采油、二次采油
1）水压驱动（刚性和弹性：边水、人工注入水） 2 ）弹性驱动（岩石和流体） 3 ）气压驱动（气顶气） 4 ）溶解气驱（溶解气）
5 ）重力驱动（原油本身重力）
第三节 渗流过程中的力学分析及驱动类型
6、驱动方式小结及三次采油介绍
1 ）化学驱 聚合物驱 碱水驱 表面活性剂驱 聚合物+碱水 聚合物+表面活性剂 碱水+表面活性剂
>
PrB PB Z B
>
= =
>
第三节 渗流过程中的力学分析及驱动类型 6、压力梯度曲线
油藏埋深与实测压力的关系曲线，叫做压力梯度曲线。不同 水动力学系统压力梯度曲线也不同。
0
P2 P3 Pi P 1
P
思考：Pi P 实测 ?
系数b称为压力系数； b<0.7 异常低压油藏； b>1.2时异常高压油藏。
⊙多存在于碳酸盐岩油气层。
储、渗
第二节 多孔介质及连续介质场
④ 理想土壤：由等直径的平行毛细管组成的多孔介质。
⑤ 假想土壤：由等直径的固体颗粒堆积而成的多孔介质。
第二节 多孔介质及连续介质场
孔 隙 介 质
蒙脱石
粒间孔隙
伊利石
第二节 多孔介质及连续介质场
储层裂缝 石英颗粒粒内裂缝
裂 缝 介 质
第二节 多孔介质及连续介质场
一元驱
二元复合驱
三元复合驱：聚合物+碱水+表面活性剂
第三节 渗流过程中的力学分析及驱动类型
6、驱动方式小结及三次采油介绍
2 ）注酸（浓硫酸、盐酸-前苏联） 油套管腐蚀严重 3 ）注气（CO2、N2、NG） 4 ）交替注气注水 注蒸汽 5 ）热采 蒸汽驱 蒸汽吞吐
第二节 多孔介质及连续介质场
一、多孔介质的特点及分类
3、比表面性 S
S
S
Sr
A S 是指单位体积岩石内孔隙总内表面积，以岩石外表表 V 面体积为基准。
A S V
A Sr Vr
以岩石孔隙体积为基准的比表面
以岩石骨架体积为基准的比表面
第二节 多孔介质及连续介质场
一、多孔介质的特点及分类
一、油气藏的类型（构造、地层和岩性）
1、构造油气藏（背斜、断层、刺穿和裂缝）
背斜油气藏
挤压背斜
基底升降背斜
滚动背斜
披覆背斜
底辟拱生背斜
第一节 油气藏及其简化
一、油气藏的类型（构造、地层和岩性）
1、构造油气藏（背斜、断层、刺穿和裂缝）
断层油气藏
复杂断层
简单单断层
交叉断层
逆断层
第一节 油气藏及其简化
5、多孔介质分类
① 孔隙介质：以固体颗粒为骨架，在颗粒之间形成连
通或不连通的孔隙。
⊙多存在于砂岩油藏中，在油田最为常见。
储、渗
第二节 多孔介质及连续介质场
② 裂缝介质：具有裂缝的多孔介质。
⊙多存在于碳酸岩油藏中。
纯裂缝
裂缝－孔隙 储、渗
第二节 多孔介质及连续介质场
③ 溶洞介质：以次生溶洞为主要储集空间的岩石。
'
开采后
Pf ' P '
来源于岩石和液体的弹性。 综合压缩系数 ：
Ct C f C L
第三节 渗流过程中的力学分析及驱动类型
3、气压驱动
第三节 渗流过程中的力学分析及驱动类型
4、溶解气驱动
来源于溶解气。
第三节 渗流过程中的力学分析及驱动类型
5、重力驱动
来自原油本身的重力。
5、折算压力 Pr
C B A
投产前，油藏处于平衡状态。
PC PB PA
PA
PC
油藏流体由C→B→A？
思考：为什么？ 潜水、核潜艇
PB
A 、B、 C 的高度不同。
只有把三口井压力折算到同一水平面上，才具有可比性。
比个头、地质储量计算
第三节 渗流过程中的力学分析及驱动类型
5、折算压力 Pr
将油藏内各点压力按水力学内部压力分布规律，折算到同一 水平面上的压力，叫做折算压力。
f
1 V f Cf V f P
开采前
P
P'
Pf P
'
V f ---孔隙体积变化量
开采后
Pf ' P '
C f ---表示油层压力每降低一个大气压时，单位体积岩石中孔隙
体积的缩小值。
第三节 渗流过程中的力学分析及驱动类型