油层物理3-4第四节毛管力.ppt

第四节 储层岩石的毛管力 v一、毛细管中液面的上升或下降现象 如果将一根毛细管插入润湿相液体中，则管内气液界 面为凹形，液体受到一个附加向上的力，使湿相液面 上升一定高度；反之，如果把毛细管插入到非润湿相 中，则管内液面呈凸形，液体受到一个向下的压力， 使非润湿相液面下降一定高度。这种在毛管中产生的 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。 一、毛管中液体的上升 v 若在一个装有油水两相的容器中 插入毛细管，则湿相的水会沿毛 管上升，上升高度为h。 v 设油水界面张力为，润湿接触 角为，油、水的密度分别为o 、w； v 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 Pwa 油 水 Poa Pob Pwb OA WB OB WA 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。 一、毛管中液体的上升 v1.1 毛管力公式的推导 当液面上升到一定高度时 ，存在平衡关系式： 由此得到： 再由U形管原理得： 式中Pc为毛管力，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。 一、毛管中液体的上升 1.1 毛管力公式的推导 v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 v这是油层中毛细管平衡理论的基本公式。 v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。 又可得 ： gh =2cos/ r 则 该式可用于计算液体(如水)在储层中上升高度。 1.1 毛管力公式的推导 气气- -液系统液系统: : 油油- -水系统水系统: : 毛管力性质 v 毛管压力： 毛管中弯液面两侧非湿相与湿相的压 力差，称为毛管压力。 方向朝向凹向，大小等于毛管中上升 液柱的压强。 v 1）毛管力存在于任何方向放置的毛细管 中。上述讨论是指垂直毛细管，在实际 油层中毛管倾斜时，只要其它参数(如 ，r，cos，)不变，液柱上升的高 度将不变化。当毛细管水平时，水槽中 的水被吸出，在地层中水湿毛细管的毛 管力是驱油的动力。 毛管力性质 v 2）毛管力Pc与cos成正比。对油水体系，岩石表面亲 水时，即90，cos0时，毛管力为正，水面就 会上升，岩样可以自然吸水。反之，岩石表面亲油时， 90，毛管力为负，岩样不能自动吸水，毛管力成为 阻力，如要使水进入岩心，则必须施加一个外力克服毛 管力。 v 3）毛管力Pc与毛细管半径r成反比。毛管孔道半径越小 ，毛管力越大，亲水毛管中液面上升越高。因此，油藏 中毛细管直径不同，毛细管中的液面参差不齐，油水界 面或油气界面成为一个具有相当厚度的油水或油气过渡 带，而不是一个截然分开的平面。 v 4）对于实际油层来说，当岩石表面为亲水性时，水能在 毛管力作用下自动进入岩心，驱出了岩心中的油，这一 过程就称为吸吮过程或称自吸过程。反之，当岩石表面 亲油（90）时，岩样不能自动吸水，如要使水进入 岩心使水驱油，则必须施加一个外力克服毛管力，这种 过程即为驱替过程。 1.2 毛管力公式的应用 v 1)油藏中流体界面是过渡带 在实际油藏中毛管倾斜时，只要 其它参数（如、r、cos、 ）相同时，上升的液柱高度将不 变化。当毛管孔道半径变化时， 则湿相上升高度会高低不一致， 孔道越小，上升越高。 v 因此可得出： 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 油气过渡带厚度更大。 1.2 毛管力公式的应用 v2)岩石亲水，毛管力是水驱油的动力； 岩石亲油，毛管力是水驱油的阻力。 v3)判断岩石的润湿性 二、 各种曲面附加压力 曲面的附加压力 如图，任何简单曲面 必然存在附加压力，该 毛管压力的方向与液面 的凹向一致（即图中箭 头所示），附加压力的 大小由拉普拉斯方程可 得（忽略重力的作用） ： 1、球面上的毛管压力 二、 各种曲面附加压力 毛管压力与毛管半 径成反比；毛管半径 越小，毛管压力越大 。两相界面张力越大 ，接触角越小，毛管 力也就越大。 二、 各种曲面附加压力 v2、柱面上的毛管压力 亲水毛管中的弯曲界面球面与柱面 在亲水岩石孔道，除油水弯曲面外，还有壁面与水 接触的圆柱面。因为毛管表面为束缚水膜，毛管中心 为油(或气)，此油-水界面为圆柱面。 二、 各种曲面附加压力 柱面的曲率及毛管力的方向 柱面的毛管力Pcz指向管轴心，毛管力的作用使 毛管中的水膜厚度增加。角标Z代表曲面为柱面，本 章中毛管力无角标Z时，则指曲面为球面。 二、 各种曲面附加压力 v3、锥形毛管中的毛管力 如图，粗端曲面的曲率半径为R1r1cos(+)，细 端曲面的曲率半径为R2r2cos()，那么曲面上的 毛管压力为： 二、 各种曲面附加压力 v4.两相流体处于裂缝间（平行板间）的毛管力 裂缝宽度越小，则毛管 压力越大。 二、 各种曲面附加压力 v5、理想砂岩砂粒接触处流体环状分布的毛管力 砂粒间湿相流体环状分布及弯曲面 图为砂岩中两个等 直径砂粒，湿相流体 在砂粒点周围呈环状 分布，非湿相则位于 孔道中心部分，两相 间有一弯曲界面。 三、孔道中的毛管效应附加阻力 v1、当油柱(或气泡)处于静止状态时（第一种阻 力效应） 圆柱形毛管孔道中的液珠或气泡 三、孔道中的毛管效应附加阻力 故油柱或液泡静态的毛管力效应 P为: 球形曲面产生的毛管力 方向指向油相内 柱面产生的毛管力 方向也指向油相内 注意两 者方向 的不同 方向垂直指 向毛管壁 三、孔道中的毛管效应附加阻力 v2、在压差作用下，当油柱欲运动时 （第二种阻力效应） 外加压差使弯液面变形 三、孔道中的毛管效应附加阻力 两式相减 得: 结论:即要使珠泡运动除了要克服PI所产生的液体 摩擦阻力 外,还必须克服PII所产生的附加阻力. 三、孔道中的毛管效应附加阻力 v3、贾敏(Jamin)效应 当珠泡欲通过狭窄孔喉时，界面变形，前后端 弯液面曲率不等，阻力增加，故第三种毛管效 应附加阻力PIII III为： 珠泡通过窄口的最大 压差 贾敏(Jamin)效应 v通常，人们把液滴通过孔道狭窄处时，液滴变形 产生附加阻力的现象称为“液阻效应”。而将气泡 通过窄口时产生附加阻力的现象称为气阻效应， 或称贾敏(Jamin)效应。 v当两相流动时，特别是当一相连续，另一相可能 不连续，成分散状于另一相时，加之岩石中孔道 大小不一，孔喉很多，使得各种阻力效应十分明 显。这就是在生产中应尽可能避免钻井泥浆进入 油层，酸化后应尽力排出、排尽残酸，以及使地 层压力不要低于饱和压力而造成油层脱气的理论 根据。当然，事物总是一分为二的，近代发展的 各种堵水技术，三次采油中的泡沫驱等，就是变 不利为利的例子。 四、毛管滞后现象 v 把一根毛细管插入一盛有湿相流体（如水）的容器中，则湿相(水) 排驱非湿相(空气)，在毛管压力的作用下，水将沿毛管上升一定高 度(图a)，这是吸入过程。再把另一根同样的毛管先充满水，再插入 盛水容器，在重力作用下，水将沿毛细管下降到一定高度，这是空 气驱水的驱替过程(图b)。 v 可以看出，尽管空气中的压力都为大气压，但由于饱和顺序不同， 吸入过程产生液柱的高度小于驱替过程产生的液柱高度。 四、毛管滞后现象 v概念： 由于毛管中润湿滞后的影响，驱替和吸入过程 所 产生的液柱高度并不相同，吸入液柱高度 小于驱替液柱高度。发生在毛管中的这种现象 被称为毛细管滞后现象。 v毛细管滞后现象的产生主要由润湿滞后及岩石孔 道几何形状引起，常见毛细管滞后现象有以下几 种： 四、毛管滞后现象 v1、接触角滞后（即润湿滞后）引起毛管滞后 接触角滞后引起毛管滞后 四、毛管滞后现象 v2、毛管半径突变引起毛管滞后 毛管直径突变引起毛管滞 四、毛管滞后现象 毛管直径渐变引起毛管滞后 3、毛细管半径渐变引起毛管滞后 4、实际岩石孔隙中的毛管滞后 实际岩石孔隙毛管滞后现象 五、毛管压力曲线的测定 1 1、毛管压力曲线的定义、毛管压力曲线的定义 岩心中湿相饱和度与毛管压力之间存在着某种函数关系。但由于油 藏岩石孔隙结构复杂，直接推导数学模型有困难，但可以用实验的方法 测量出不同湿相流体饱和度下的毛管压力用曲线的形式来描述，这种曲 线就是毛管压力曲线。 五、毛管压力曲线的测定 v 但由于油藏岩石孔隙结构 复杂，直接推导数学模型 有困难，但可以用实验的 方法测量出不同湿相流体 饱和度下的毛管压力，这 种毛管压力与湿相(或非 湿相)饱和度的关系曲线 称为毛管压力曲线，如图 所示。 五、毛管压力曲线的测定 v2、毛管压力曲线的测定 半渗透隔板法（状态恢复法） 离心机法 水银注入法（或称压汞法） 动力毛细管压力法 蒸汽压力法 半渗透隔板法 半渗透隔板法 v 将所要求测定的岩样抽提干净之后，饱和润湿液体（通 常是地层水）。并将岩样放在漏斗(1)内的多孔隔板(2) 的上面。玻璃漏斗的下部和刻度管(8)的一部分都充满了 这种润湿液体。 v 用弹簧(5)把岩心(4)紧紧压在隔板上之后，再将非润湿 流体（通常是油或气）引入漏斗。用压缩氮气来提高漏 斗中的压力，以迫使非润湿液体进入岩样并在克服了毛 细管压力之后将饱和在岩样中的润湿液体排驱出来。 v 逐步提高压力，并将岩样中的润湿液体进一步排出。每 次提高压力时，必需要等到刻度管（8)中的弯液面不再 向前推进，亦即达到岩样内润湿相与非润湿相的压力平 衡时为止。这时读出刻度管(8)中的数值。这个读数就是 在该压力间隔下所排出的润湿液体体积。不断提高压力 ，一直到润湿液不再自岩心中被驱出时为止。 半渗透隔板法 v半渗透隔板(2)是经过处理的、亲润湿相（水） 的隔板，因此当隔板中充满水时，在一定的压力 范围内，非润湿相液体不能侵入。所以，非润湿 相液体始终在隔板(2)上部而不会浸到隔板下部 的漏斗中。 v由于这种方法能够使用近似于地层条件下的流体 ，能比较接近并摸拟油层实际的情况，因此，这 种方法被公认为“经典的毛管压力测定方法”。 六、不同测定方法的毛管压力的换算 1、压汞法所测得的PHg与半渗透隔板法下的气水毛 管压力Pwg的换算 已知汞表面张力Hg480mNm，Hg140，气水 界面张力wg72mNm，wg0，则 压汞法所测得的毛管力的值约是半渗透隔板法所 测得的毛管压力值的5倍 六、不同测定方法的毛管压力的换算 v 2、压汞法测得的毛管压力PHg与油层条件下的油-水毛管 压力Pow的换算 v 已知汞表面张力Hg480mNm，Hg140，油水 界面张力ow25mNm，ow0，则