油层物理3-1第一节储层流体的界面张力.ppt

第三章 储层中多相流体的渗流机理 v储层流体物性 v储层岩石物性 v储层中多相流体的渗流机理 v一般说来油藏中单相流体的情况极少，大多存在 不互溶的油、水两相流体或是油、气、水三相流 体。 储层中多相流体的特点 v1、流体与岩石、流体与流体的接触面积相当大 油藏岩石是比面极大的多孔介质，即使孔道中 只含有一相流体时，它与岩石孔隙的接触面积 已经相当大。 而当油藏流体以油、气、水两相或三相同时存 在于岩石孔隙中时，在各相流体之间、流体与 岩石颗粒固相间就存在着多种界面水和岩 石、油和岩石、油和水、油和气、气和水等多 种接触面，这些界面总面积极大。 储层中多相流体的特点 v 2、与两相界面有关的问题 各相流体之间、流体与岩石表面之间两相界面分 子的相互作用造成了有关界面性质的很多问题： 水驱油问题、 油水界面时的毛细管附加阻力问题、 互溶混相驱油时的油水界面消失的问题。 v 3、与表面或界面性质有关 界面张力、吸附作用、油水对岩石孔隙表面的有选择 性地润湿等现象。加上油藏岩石的孔隙孔道很小，结 构复杂，又会引起毛细管现象、各种附加阻力效应等 等，从而对油藏流体的分布和流动有重大的影响。 研究的目的和意义 v 由于界面现象与两相内部及界面的分子力有关， 我们必须从微观角度入手， v研究是多相流体在储层中： 1、岩石的润湿性 2、毛管力及各种毛管阻力，探讨消除和降低 附加阻力的规律， 3、微观渗流机理，掌握油、水在岩石孔隙中 的分布特点，掌握剩余油分布规律及其影响因 素， 4、多相渗流特征（相对渗透率） v为宏观上掌握油井生产规律，合理开发油田，改 善开发效果以及提高采收率等工作打下基础。 第一节 储层流体的界面张力 v 一、两相界面的界面能 v 物质界面层的分子与其内部分子所处的状态不同。 v 在水相的内部，由于同时受到周围同类分子力的作用，所 以其分子力场处于相对平衡状态。 v 把由相内分子力引起的一些性质称“体积性质” v 把由两相界面分子引起的性质称“界面性质” v 任何两相分界面称“界面” v 例子： 当两相中其中一相为气体时，则把界面称“表面” 把固和液、液和液相接触的界面称“界面” 把固体和气体接触界面称“固体表面” 把液体和气体接触界面称“液体表面” 一、两相界面的界面能 分子分子B B 分子分子A A 分子分子B B在液相内部在液相内部, ,它所受的分子合力为零它所受的分子合力为零, ,可以在液相内自由运动可以在液相内自由运动. . 分子分子A A在界面层在界面层, ,它所受的分子合力不为零它所受的分子合力不为零, ,其合力指向液体内部其合力指向液体内部, , 因此因此, ,如果要把液相内部的分子移动到液体表面就必须克服这个如果要把液相内部的分子移动到液体表面就必须克服这个 合力而做功合力而做功, ,即即: :表面层分子比内部分子具有多余的能量表面层分子比内部分子具有多余的能量. . v表面层分子a所受的合力的方向指向水相内部并 与表面垂直。 v分子a有向水相内部运动的趋势，即水相表面有 自动缩小的趋势。 v表面层分子力场的不平衡使得表面层分子储存了 多余的能量，我们把这种能量称为自由能即 两相界面层的自由表面能。 v如果要想把水的内部分子举升到水面，就必须做 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。 自由界面能的性质 v （1）只有存在不互溶的两相时自由界面能才存在。 以上是水-空气界面。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。 v （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，而不是其它形状， 以使自由表面能居于最小。 自由界面能的性质 v （3）界面是具有一定厚度的界面层 界面层的结构和性质与每一相的性质都不同，是一个 逐渐过渡的分子层。在该过渡层中的分子，都具有自 由表面能，只是大小不同而已。 在过渡层中，分子的热力学性质也是逐渐过渡并且是 连续变化的，最终分子力场达到平衡的某一单相。 例如，水与空气接触的表面层厚度至少有几个分子层 厚。 自由界面能的性质 v（4）自由界面能的大小与两相分子性质有关系 。 两相分子的极性差越大，界面能越大。 水是液体中极性最大的，而干净的空气极性 很小，因此水-空气界面的表面能最大。 原油和四氯化碳的极性差很小，乃至界面消 失而互溶，正因为如此，油层物理实验中用四 氯化碳来提取岩心中的石油。 v （5）自由界面能还与两相的相态有关。 液相和气相界面的自由表面能一般比液相和液 相界面的自由界面能要大。 液和固之间的自由界面能大于液和气之间的自 由表面能。 二、比表面能和表面张力 v比表面能： 单位表面积具有的自由表面能，也叫表面张力 。 v表面能和表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），在热力学上多用表 面能的概念，而表面张力则多用在力学和实际应 用中。 v界面自由能或表面张力产生的根本原因是分子间 的引力，即由于相同分子或不同分子之间分子引 力的差异所构成。 1.比表面能和表面张力 v比表面能的单位： SI单位制：焦耳/米2（J/m 2 ），1焦耳/米2 （ J/m 2 ）=1牛顿米（N/m），工程上常用毫 牛顿米（mN/m）。 CGS单位制：尔格/厘米2 。1尔格/厘米2 =1达 因厘米（dyn/cm）。 1毫牛顿米（mN/m）=1达因厘米（ dyn/cm） v从因次上看，比表面能等于单位长度上的力，所 以习惯上把比表面能称为表面张力，用符号表 示。 1.比表面能和表面张力 v由于体系表面层上的分子力的不对称作用，使得 其能量比相内分子能量高，故增加体系的新表面 积，相当于把更多的分子从相内移到表层来，就 必须克服相内分子的吸引力而做功，这种作功的 能量就转化为新生界面的表面能。 1.比表面能和表面张力 v两相界面的表面张力只是自由表面能的一种表示 方法，两相界面上并不存在着什么“张力”，只有 三相周界上，表面能才表现出表面张力的作用。 不规则的丝环在表面张力的作用下形成圆环 1.比表面能和表面张力 v 严格地说，在两相系统的表面层上只存在比表面能而不存 在表面张力，表面张力只是自由表面能的一种表示方法， 并非存在什么真实的“张力”。 v 只有在三相系统的周界上，这种表面能才有界面的张力存 在，它是各自两相界面层自由表面能在三相周界的接触点 相互“争夺”的结果。 油 水 空气 og wo wgO 1.比表面能和表面张力 v界面张力的特点 两相界面张力的大小等于其比界面能。 界面张力的作用点为三相周界的接触点。 界面张力的方向，若界面为平面则在界面上 ，若界面为曲面，则在界面切线上，方向指向 使界面收缩的方向。 2.界面张力的影响因素 v 界面张力产生的根本原因是界面层中分子的净吸引力。 v 1、物质的组成 可以看出，水银与空气接触时的表面张力要大于与水接触 的界面张力，这是因为两相间分子的极性差越大，表面能 也就越大的特点。在液体中水的极性最大，而空气的极性 很小，所以水与空气的界面张力最大。作为有机溶剂的原 油与甲苯，由于它们都是有机物，因而之间的极性差很小 ，界面张力也就很小，甚至可以达到互溶以至界面消失。 物质与空气接触时的表面张 力（20C）mN/m 与水接触时的界面张力 （20C）mN/m 水银484.0375 水72.8 苯28.633.4 变压 器油39.145.1 杜依玛兹 石油27.230.3 2.界面张力的影响因素 v 2、相态 自由界面能的另一个特点是它的大小与两相的相态有 关，如液、液之间的自由界面能一般大于液气之间的 自由界面能 v 3、温度 一方面：温度升高，增大了液体分子间的距离，使液 相分子间的引力减少； 另一方面：增加了液体的蒸发，加大了蒸气的密度， 使气相与液相间的引力增加。 两者都使界面层内分子所受到的指向相内部的净引力 减小。 温度升高，界面张力降低。 v 4、压力 压力升高：气相分子间距离减小，增大了与液相分子 间的引力；气体在液体中的溶解度增加，液体密度减 小，分子间引力减少。两者都使界面层内分子所受的 指向相内部的净引力减小。 压力升高，界面张力降低。 v 5、溶解气 随压力升高原油-CO2的表面张力比原油-天然气的表面 张力的降低较大，比原油-空气的表面张力的降低更大 。这是因为CO2比天然气更易溶解于原油，天然气比空 气易溶于原油的缘故。 气体溶解度增加，界面张力减小。 对于任何液、气两相来说，都会有随着温度和 压力的增加，表面张力的减小的现象。 而升高压力将增加气体在液体中的溶解度，液 体的密度因而减少，而气体受压密度增加，两 相的密度差减少，从而导致了两相分子间的差 异变小，分子力场不平衡减弱，最终表现为表 面张力降低。 2.界面张力的影响因素 v在油气储层中，存在多种界面，但固体表面张力 很难确定，为此，通常只限于讨论流体间的界面 张力。 v油藏流体组成复杂而且油藏中各处的温度、压力 大小也不同，温度、压力条件又改变着流体的组 成，这些因素决定了油层中流体间的界面张力变 化的复杂性，即使在同一个油气层，界面张力不 是定值，不同油气层则差别会更大。 v下面根据上述界面张力的概念及其特点，解释油 藏流体界面张力的大小及变化规律。 随温度、压力及油中溶解气量的增加，油气界面张 力降低 油气界面的界面张力很小（远小于地面脱气原油的 表面张力） 高温，高压 溶有大量的天然气 原油中纯烃(包括饱和烷烃与不饱和烷烃)与气体 的界面张力随温度的升高而降低，随分子量的增 加而增加，这是因为分子量增加，分子间作用力 增强的缘故。 1. 油气界面 影响因素：油、水性质及温度、压力和溶解气量 原油 非极性物质：原油中的烷烃、环烷烃和芳 香烃等 极性的表面活性物质：烃类的氧、硫、氮化物 （环烷酸、胶质、沥青质等） 水 极性物质 油水界 面张力 原油中烃类分子的大小及活性物质的多少 2. 油水界面 卡佳霍夫(1956年) ：没有影响 因为增加温度和提高压力将同时改变油水各 自的分子间作用力，它们之间的差值仍可能保 持不变，因此界面张力不变。 更多的研究认为 ：温度对油水界面张力的影 响比较明显，温度升高，油水界面张力降低；压 力对油水界面张力也有影响，但影响较小，随压 力升高一般略有升高，但有时