第一章 渗流的基本概念和基本规律

第一章渗流的基本概念和基本规律
内容概要：
油气渗流是在地下油层中进行的，因此学习渗流力学首先需了解油气储集层和多孔介质的概念；流体在地下渗流需要里的作用，故还要了解流体受到哪些力的作用、地层中有哪些能量；然后学习渗流的基本规律-达西定律；流体渗流不总是遵循达西定律，就有了非达西渗流或称非线性渗流；对于地层中有多相流体同时参与流动的情况就是两相或多相渗流了，在本章也做一简单介绍。

非线性渗流及两相渗流规律
内容概要：
在大多数情况下，渗流是服从达西线性渗流定律的，但当流动压差继续增大，Q与p 就会偏离直线关系，而出现曲线段，这就是非线性渗流，它是达西定律的上限，而在低速渗流的条件下，由于吸附等物理化学现象的作用，也会出现非线性渗流的情况，这是达西定律的下限。

本节将介绍这两种偏离线性渗流的线性分析其原因及其描述形式；在多孔介质中存在2相多相流体同时流动的情况就是两相渗流或多相渗流，本节还将简要介绍两相渗流规律。

课程讲解：
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教材自学：
第四节非线性渗流规律
本节导学
流体渗流不总是遵循达西定律，就有了非达西渗流或称非线性渗流；本节简要介绍非线性渗流的基本规律。

本节重点
1、非线性渗流的概念★★★★★
2、判断标准★★★
3、非达西渗流的表达形式★★★
Q 一、非线性渗流的概念
当压差不断增大时，Q 与△P 就会偏离线性关系，此时的渗流称为非线性渗流或非达西
渗流。

渗流分为三个区域：
层流区：低速，粘滞力占优势，达
西定律适用。

过渡区：流速增加，粘滞力变小， 惯性力增加，非线性层流, 达西定律不适用。

湍流(紊流)区：高速，惯性力占优势， 达西定律不适用。

Q 与△P 的关系曲线
二、判断标准
常用渗流雷诺数来判断渗流是线性还是非线性渗流。

如前苏联的卡佳霍夫公式：
N
Re
—雷诺数，其临界值为0.2～0.3；
V —渗流速度，cm/s ； K —渗透率，μm 2；
μ—粘度，mPa·s；
ρ—流体密度，g/cm 3
； ø——孔隙度，分数
当N Re
≤(0.2 ～0.3)时，渗流服从达西定律；
当
N
Re
>(0.2～0.3)时，渗流不服从达西定律，出现非线性渗流。

三、非达西渗流的表达形式
指数式 C 与岩石和流体性质有关的系数。

n 为渗流指数，其值在1～0.5之间，n=1时为达西渗流。

二项式 A 、B 是与岩石和渗流性质有关的系数
其中Av 表示由粘滞力引起的压力损失，流速小时占优势 ，Bv 2
表示惯性力引起的压力损失，流速大时占优势 ，流速小可忽略为线性流。

3/2
1750Re
N μφ=
.
2dP Av Bv dL -=+n
dP v C dL ⎛⎫= ⎪⎝⎭
第五节在低速下的渗流规律
本节导学
非线性渗流是达西定律应用的上限，即与高速渗流中显示出的惯性力有关的偏差。

达西定律应用的下限：当渗流速度相当低时，由液体的非牛顿流变学特性以及液体与孔隙介质的固体格架相互作用而产生的偏差。

流体在低速下渗流时，也不遵循达西定律，有它们自己的特点，本节将介绍液体、气体在低速渗流时的基本规律。

本节重点
1、吸附现象与水化膜对渗流的影响★★★
2、具有物理化学作用的渗流的运动方程★★★
3、气体在低速下的渗流★★★
4、滑脱效应★★★★★
非牛顿流体：粘度随剪切速度增加而改变，不符合牛顿内摩擦定律。

如：粘弹性、拟塑型、宾汉型流体。

液体与骨架的相互作用：活性物质(酸、酚、酯等)与岩石之间产生吸附作用，水被粘土中的极性分子吸引形成水化膜。

这时对渗流都有影响，降低了渗透率，并只有附加一个压力梯度时，液体才能流动。

一、液体在低速下的渗流
1.吸附现象与水化膜对渗流的影响
原油中含有氧化物、酚、酯等，多为表面活性剂。

随原油流动时会吸附在岩石表面，降低岩石渗透率。

只有当一个附加的压力梯度克服吸附层阻力后，流体才能流动；吸附层和渗流速度有关，渗流速度越大吸附层被破坏越大，渗透率恢复越多。

粘土中的晶片,具有吸引水中的极性分子的能力，水在其中渗流时，会形成水化膜，虽膜的厚度很小，但岩石的比面大，会把水束缚住，只有附加一压力梯度，使水化膜破坏后才开始流动。

2.具有物理化学作用的渗流的运动方程
λ一常数，具有压力梯度的
因次，由实验确定。

小于绝对渗透率，说明液体的吸附作用或粘土对水分子的吸
附作用使渗透率降低了。

v与gradP在直角坐标系中为一条不通过原点
的直线。

只有当压力梯度大于起始压力梯度时， 液体才能运动。

在gradP ＜λ时，液体不运动 且速度v=0，起始压力梯度λ就是破坏水化膜 必须附加的外力。

速度与压力梯度关系图 将上式改写为：
驱动力=粘滞阻力+水化膜或吸附层阻力。

二、气体在低速下的渗流
气体在低速下的渗流时,视渗透率会增加,即为“滑脱效应”。

运动方程
p _-平均压力,它等于两端压力的平均值2
2
1
_
p
p p +=
；
b-常数(称克林伯格常数),对一定的气固系统为一固定值。

渗透率K
所取代，因而视渗透率
要比绝对渗透率高。

上式改写为：
驱动力增加了一项附加的滑脱动力，而渗流阻力仍是粘滞阻力。

实验表明：同一种气体在同一块岩心中，在不同压力差下，测得的渗透率是变化，渗透率与平均压力的倒数成线性关系
原因是因为液体层流时，由于润湿性，使孔隙 处v=0具有粘滞阻力，而气体渗流时没有v=0 的薄层，所有气体同一流速，形成“气体滑脱效 应”，好象同一压差下，气体渗透率比液体高。

由分子热运动,当压力低时，分子自由度大，分 子扩散的范围较大，分子可以不受碰撞而自由运
动，有更多的气体分子附加到通过多孔介质的气
体总量中去，好象增加了气体的渗透率。

气测K ～_
1p
关系曲线
gradP v K μλ⎛⎫
=-+ ⎪
⎝⎭1K b v gradP P μ
⎛
⎫=-+ ⎪⎝
⎭
1b gradP v
P K μ⎫+=- ⎪⎝⎭()1b K P K P ⎛
⎫=+ ⎪
⎝⎭
第六节 两相渗流规律
本节导学
对于地层中有多相流体同时参与流动的情况就是两相或多相渗流了，本节介绍两相渗流的基本规律。

本节重点
1、两相渗流时的附加阻力★★★
2、毛管力对两相渗流的影响★★★
两相渗流时，渗流阻力明显增加，因为对其中一相来说，另一相可以看成岩石骨架的增加，但实验表明单相渗透率之和小于绝对渗透率，K 1+K 2<K ；故两相渗流时，不能只看成粘滞阻力的增加，而且还有新的阻力产生。

毛管力
贾敏效应产生的阻力 毛管压力图
珠泡在孔隙喉道处遇阻变形示意图
其它附加阻力，克服油滴在岩石表面上的附着力。

结论：两相渗流的基本特点是阻力规律
中毛管力不可忽略。

毛管力的影响主要是通过渗透率 与饱和度的关系来体现。

相对渗透率与饱和度图
1c 2cos r c p σθ=
312112()c p R R σ=- 1 K ro f w
K rw
S w
例题分析：
1、管状地层模型中通过的流量为12cm 3/min ，模型直径为2cm ，实验液体粘度为9s mP a ⋅，密度为0.85，模型孔隙度0.2，渗透率12
m μ。

该渗流是否破坏了线性关系？
解：雷诺数32
0.00384<0.217.5e R μφ
=
=
所以该渗流没有破坏线性关系。

内容小结：
在渗流速度过大或过小时都会出现非线性渗流，渗流速度过大时是惯性力占主要地位，且不能忽略，过小时原因则是吸附膜和水化膜、气体的滑脱效应影响渗流的线性关系，它们的机理不同，描述方式也不同，但都造成了非线性渗流。

两相(多相)渗流时，多孔介质中的流体相互作用使得渗流状况变得复杂，应了解两相(多相)渗流的特点。

自测题：
1、什么是非线性渗流？
2、低速下有哪几种因素会造成非线性渗流？
3、当渗流速度过高或过低时会出现非达西渗流现象。

（ ）
4、多相流时影响渗流规律的本质有哪些？
5、非线性渗流的描述形式有哪些？。