油层物理绪论、第一、二章.ppt

山东胜利职业学院石油工程培训部 主讲 李桂婷 绪论 一 油层物理学的学科性质和研究意义二 油层物理学的学科定位三 油层物理学发展概况四 课程内容框架 一 油层物理学的学科性质和研究意义 学科性质 油层物理是以油层为对象 用物理和物理化学的方法研究与油气田勘探 开发有关的物理和物理化学现象的科学 建立在实验基础上 实践性很强 研究意义 油层物理作为认识油层的理论基础学科 掌握油层物理的基本理论和研究方法成为加快勘探开发石油资源的力度和大力发展提高油气采收率技术的必备条件 一靠资源二靠技术 把油层搞清楚是关键 一 油层物理学的学科性质和研究意义 二 油层物理学的学科定位 油层物理是石油工程专业的一门主干专业基础课 它为专业课服务 也是它们的理论基础之一 先修课程 高等数学 普通物理 油田化学 地质学等 后续课程 渗流力学 油藏工程 钻井工程 采油工程 井下工程 保护储集层技术 提高采收率原理 油藏数值模拟等 三 油层物理学发展概况 里程碑 学科开端 1949年 美国M 马斯盖特 采油物理原理 单独分科起点 1956年 前苏联卡佳霍夫教授 油层物理基础 三 油层物理学发展概况 静 动简单 复杂宏观 微观 研究内容发展 油层物理从岩石的基本性质 如孔隙度 渗透率 的测定开始 逐渐发展到流体的测试研究 接着是多孔介质中多相渗流的理论和试验方法 岩石表面性质的研究方法和毛管压力 孔隙结构等微观物理的理论与研究方法 三 油层物理学发展概况 当前国内外油层物理研究水平现状 常规岩心分析方面专项岩心分析方面地层流体分析方面多相渗流机理方面 均取得较大的进展 发展趋势 综合性会更强 实践性会更强 四 课程内容框架 第一章储层流体的物理性质 第二章储层岩石的物理性质 第三章饱和多相流体的油藏岩石的渗流特性 第四章油层物理研究与应用 储层流体 储存于岩石孔隙中的石油 天然气和地层水 特点 处于地下高压 高温下 特别是其中的石油溶解有大量的气体 从而使处于地下的储层流体的物理性质与其在地面的性质有着很大的差别 第一章储层流体的物理性质 第一章储层流体的物理性质 第一节地层原油的高压物性第二节天然气的高压物性第三节地层水的高压物性 第一节地层原油的高压物性 地层原油在地下的高压和较高温度下具有与地面原油不同的某些特性 地层原油一般溶有大量的气体 因溶有气体和高温 使地下原油体积比地面体积大 地下原油更容易压缩 地下原油粘度比地面油粘度低等 本节主要研究地层原油的高压物性参数 1地层油的溶解气油比2地层油的密度和相对密度3地层油的体积系数和收缩率4地层油的等温压缩系数5地层油的粘度 第一节地层原油的高压物性 1地层油的溶解气油比 通常把地层油在地面进行一次脱气 将分离出的气体标准体积与地面脱气油体积的比值称为溶解气油比 的单位是 标 m3 m3 石油行业标准SY5154 87规定 采用一次脱气测定的溶解气油比为基准 1地层油的溶解气油比 由图可见 油藏原始压力下的原始溶解气油比与泡点压力时的溶解气油比相等 均为 当油藏压力降至泡点压力以下时 溶解气油比将随压力的降低而减小 不同的地层油其溶解气油比可相差很大 1地层油的溶解气油比 平均生产气油比 某井 或某区块 某油田 累计产气量 标m3 与累计产油量 m3 之比 2地层油的密度和相对密度 地层油的密度是指单位体积地层油的质量 地层油密度比地面脱气原油密度要低百分之几至十几 由图可看出地层油密度随温度 压力变化的关系 2地层油的密度和相对密度 地层油相对密度 矿场上通常用实测地面油相对密度方法间接确定地层油相对密度 原油相对密度 不同 表示地层温度和压力条件 表示地面条件 按石油行业标准 地面油相对密度是20 时的地面油密度与4 时水的密度之比 用或表示 3地层油的体积系数 又称原油地下体积系数 是原油在地下的体积与其在地面脱气后的体积之比 即 原油地下体积系数Bo一般大于1 显然 地层油的溶解气油比越大 其体积系数Bo也越大 地层油体积系数 地层油体积系数与压力的关系 3地层油的体积系数 当 时 地层油以受压缩为主 随压力的增加 地层油体积系数变小 当 时 地层油体积系数最大 当 时 随地层压力的降低 溶解气量减小 地层油体积系数减小 4地层油的等温压缩系数 地层油的等温压缩系数是指在等温条件下单位体积地层油体积随压力的变化率 通常用来表示 用公式表示 地层油的压缩系数主要决定于油中溶解气量的大小以及原油所处的温度和压力 1 地层油溶解气油比大 压缩系数也大 地面脱气油的压缩系数一般为 4 7 10 4Mpa 1 地层油的压缩系数一般为 10 140 10 4Mpa 1 4地层油的等温压缩系数 2 地层温度越高 地层油弹性压缩系数也越大 四 地层原油的压缩系数 3 地层原油的压缩系数不是一个定值 在不同的压力区间 其数值有所不同 在靠近饱和压力的区段 压缩系数值比远离 远高于 饱和压力的区段更大 压力增加 原油弹性压缩系数越小 5地层油的粘度 原油的粘度是影响油井产量的重要因素之一 了解地层油粘度对于动态预测 试井 提高原油采收率等都是必要的 原油粘度的变化范围很大 从零点几到上万毫帕秒不等 从外表上看 有的可稀到无孔不入 而有的则可能稠到成半固态的塑性胶团 影响因素之一 原油的化学组成 它是决定粘度高低的内因 也是最重要的影响因素 原油中的胶质 沥青含量的多少对原油粘度有着最重大的影响 5地层油的粘度 5地层油的粘度 随原油相对密度 胶质 沥青质含量及有效相对分子质量的增加 原油的粘度大大增加 影响因素之二 地层温度 无论是地面原油还是地下原油 其粘度对于温度的变化都是很敏感的 如从胜利油田某些原油所做出的粘温曲线可粗略地得出 每当温度升高10 则原油粘度会降低一半的结论 5地层油的粘度 应用 热力采油方法提高石油采收率的主要机理就是以提高温度来大幅度降低原油粘度为基础的 影响因素之三 油中溶解气量的多少 随着原油中溶解气量的增加 粘度随之降低 5地层油的粘度 影响因素之四 地层压力 地层油粘度对压力也十分敏感 以饱和压力为界 当压力高于饱和压力时 随压力的增加 原油的粘度相应增大 只是增大幅度不很高 但当地层压力小于饱和压力时 随着地层压力的降低 油中溶解气不断分离出去 地层原油粘度急剧增加 5地层油的粘度 第二节天然气的高压物性 天然气的高压物性参数 如组成 视相对分子质量及相对密度 压缩因子 体积系数 压缩系数 粘度等 是开发计算中常用和必需的参数 是本节讨论的重点 1天然气的组成 视相对分子质量及相对密度2天然气的状态方程3天然气的等温压缩系数4天然气的体积系数5天然气的粘度 第二节天然气的高压物性 1天然气的组成 视相对分子质量及相对密度 1 1天然气的组成 天然气是以石蜡族低分子饱和烃为主的烃类气体和少量非烃类气体组成的混合物 主要包括以下组成 占绝大部分的甲烷 可高达70 98 少量的天然液烃 乙烷含量小于10 以及少量的丙烷 丁烷 戊烷等 一般仅占百分之几 少量的非烃类气体 二氧化碳 氮气 硫化氢 氧气 氢气 一氧化碳 水蒸气等 微量的稀有气体 如氦气 氩气等 1 1天然气的组成 表示天然气组成的方法有三种 1 摩尔组成 1天然气的组成 视相对分子质量及相对密度 2 体积组成 3 质量组成 1天然气的组成 视相对分子质量及相对密度 1 1天然气的组成 1 2天然气的视相对分子质量和相对密度 1 2 1天然气的视相对分子质量为了工程计算方便 将标准状况下1mo1天然气的质量定义为天然气的 视相对分子质量 又称为 平均相对分子质量 通常根据Kay混合法则计算天然气的视相对分子质量 1天然气的组成 视相对分子质量及相对密度 式中 天然气分子量 yi 天然气各组分的摩尔组成 组分i的分子量 1 2 2天然气的相对密度 式中 天然气密度 空气密度 1天然气的组成 视相对分子质量及相对密度 天然气相对密度是指在标准温度 293K 和标准压力 0 101MPa 条件下 天然气的密度与干燥空气密度之比 常用符号表示 即 因为空气的视相对分子质量为28 97 29 故 一般天然气的相对密度在0 5 0 8之间 所以在已知天然气相对密度时 可求得天然气的视相对分子质量 1天然气的组成 视相对分子质量及相对密度 1 2 2天然气的相对密度 2天然气的状态方程 2 1理想气体状态方程 1 3 14 式中 气体所处的压力 在压力下的气体体积 绝对温度 气体的摩尔数 通用气体常数 是一种假想气体 该气体分子无体积 且气体分子之间无相互作用力 理想气体状态方程仅适用于低压下的实际气体 2天然气的状态方程 2 1实际气体状态方程 2 2 1压缩因子状态方程 2 2 2其他状态方程 范德华方程 BWR状态方程 油藏工程中应用最广 仅适用于低压状况 应用有限 在气液平衡计算时具有相当的实用性 2天然气的状态方程 1 3 15 Z通常称为压缩因子 compressibilityfactor 或称压缩系数 偏差因子 偏差系数 其物理意义为 给定压力和温度下 实际气体所占的体积与同温同压下理想气体所占有的体积之比 2 2 1压缩因子状态方程 Z 1 实际气体相当于理想气体 Z 1 实际气体较理想气体难以压缩 Z 1 实际气体较理想气体易于压缩 2天然气的状态方程 equationofstate 如何求得Z值 是应用压缩因子状态方程的关键和难点 2 3天然气的压缩因子的求取 2 3 1实验方法求取天然气压缩因子 2 3 2SK图板法 2 3 3确定天然气压缩因子的经验方法 3天然气的等温压缩系数 天然气等温压缩系数 一般称压缩系数 弹性系数或压缩率 是指 在等温条件下 天然气随压力变化的体积变化率 根据定义 只要能找出天然气的p V关系 即可求出来 的单位是MPa 1 p关系式 3天然气的等温压缩系数 4天然气的体积系数 天然气在高压 高温下的地下体积 天然气在标准状态下的地面体积 体积系数 在地面标准状况下 气体体积通常可按理想气体状态方程来表述 即认为压缩因子Z 1 即 分别代表标准状况下天然气的压力 体积和温度 的求取 式中 天然气体积系数 m3 标 m3 天然气在标准状况下的体积 同数量的天然气在地下的体积 formationvolumefactor 体积系数 在油藏压力为p 温度为T的条件下 则同样数量的天然气所占的体积V可按压缩状态方程求出 即 这样可得到 式中 273 t 4天然气的体积系数 的求取 在实际气藏中 由于地面压力远远低于地层压力 相差几十倍 几百倍 而地面与地下温度相差不大 一般为几倍 故天然气由地下采到地面后会发生几十倍 几百倍的膨胀 致使这一数值Bg远小于1 4天然气的体积系数 体积系数Bg的物理意义 实质上表示了天然气在油藏条件下所占的体积与同等数量的气体在标准状况下所占的体积之比 4天然气的体积系数 解 由题意得 例 地层压力p 16 548MPa 地层温度t 138 9 天然气压缩因子Z 0 923 天然气的相对密度 0 64 地层含烃孔隙体积 1 5 108m3 求气体的储量 5天然气的粘度 流体的粘度即为流体内部某一部分相对于另一部分流动时摩擦阻力的量度 粘度的高低表明流体流动的难易 粘度愈大 流动阻力愈大 越难流动 工程实际中 常使用P 泊 cP 厘泊 作为粘度单位 SI制采用毫帕斯卡 秒 简称毫帕秒 符号为mPa s 它与厘泊 cP 的关系是 1mPa S 1cP 粘度分动力粘度和运动粘度两种 两者之间的关系为 的单位是mPa s 的单位是 s 又称绝对粘度 1 低压下气体混合物粘度变化规律 低压范围内 气体的粘度几乎与压力无关 它随温度的升高而增大 非烃类气体的粘度较烃类气体粘度都大 而烃类气体的粘度是随分子量的增加而减小 5天然气的粘度 图1 3 10大气压下单组分烃的粘温曲线 气体在高压下的粘度不同于在低压下的粘度 它将随压力的增加而增加 随温度的增加而减小 同时随分子量的增加而增加 即具有类似于液体粘度的特性 5天然气的粘度 2 高压下天然气粘度变化规律 第三节地层水的高压物性 研究地层水的性质 对油气田的勘探 开发 提高采收率和油气层保护等有重要的意义 1地层水矿化度和硬度2地层水的分类 第三节地层水的高压物性 1地层水矿化度和硬度 地层水含有相当多的金属盐类是地层水区别于地面水的最大特点 尤其以钾盐 钠盐最多 地层水中还常溶解有某些有机物质 环烷酸 酯肪酸 胺酸 腐植酸和其它比较复杂的有机化合物等 某些地层水中还可能含有各种稀有元素 如 溴 碘等 地层水中还经常有不同种类的微生物 其中最常见的就是非常顽固的厌氧硫酸还原菌 1地层水矿化度和硬度 1 矿化度 地层水的总矿化度表示水中正 负离子的总和 用mg L或ppm来表示 由总矿化度的大小可以概括地了解地层水的性质 不同油田的地层水矿化度差别很大 有的只有几千毫克 升 而有的甚至高达2 3万或几十万ppm 矿化度过高 往往在生产过程中出现析盐现象 2 硬度地层水的硬度是指地层水中钙 镁等二价阳离子含量的大小 水的硬度太高 会使化学剂产生沉淀而影响驱替效果 甚至使措施完全失效 2地层水的分类 对油田水而言 常采用的是苏林分类法 苏林认为 地下水的化学成分取决于特定的自然环境 可把地下水按化学成分分成四个自然环境的水型 第一章储层流体的物理性质 第一节地层原油的高压物性第二节天然气的高压物性第三节地层水的高压物性 小结 一 油层物理重点研究的两类储层二 储层岩石物理性质的研究内容 概述 第二章储层岩石的物理性质 一 油层物理重点研究的两类储层 目前世界上已发现的油气储量99 以上集中在沉积岩中 而沉积岩中又以碎屑岩和碳酸盐岩储层为主 第一类储层 第二类储层 二 储层岩石物理性质的研究内容 第二章储层岩石的物理性质 第一节储层岩石的孔隙性第二节储层岩石的渗透性第三节储层流体饱和度 第一节储层岩石的孔隙性 石油和天然气正是储存和流动于岩石的孔隙之中 岩石孔隙的大小 形状 连通及发育程度直接影响岩石中储集油气的数量和生产油气的能力 因此 储层岩石的孔隙性是油层物理学最关心和研究最多的课题 第一节储层岩石的孔隙性 孔隙和孔隙结构 岩石的空隙是指岩石中未被碎屑颗粒 胶结物或其他固体物质充填的空间 习惯上 常用 孔隙 来代替 空隙 孔隙 碎屑颗粒包围的较大的空间 喉道 在颗粒间连通的狭窄部分 1 1孔隙 pore 岩石的孔隙结构是指岩石中孔隙和喉道的几何形状 大小 分布及其相互连通关系 1 2孔隙结构 porestructure 岩石孔隙结构的主要研究内容 孔隙和孔隙结构 1 孔隙类型及组合关系2 孔隙大小及其分选性3 孔隙结构参数 孔喉比 孔隙与喉道直径的比值 孔隙配位数 每个孔道所连通的喉道数 砂岩的孔隙可按孔隙直径或缝隙宽度的大小划分为超毛细管孔隙 毛细管孔隙和微毛细管孔隙 2储层岩石的孔隙特征 3 1孔隙度表达式 3储层岩石的孔隙度 所谓孔隙度是指岩石中孔隙体积 或岩石中未被固体物质充填的空间体积 与岩石外表体积的比值 用希腊字母表示 其表达式为 孔隙度是度量岩石储集能力大小的参数 储层的孔隙度越大 能容纳流体的数量就越多 储集性能就越好 3 1孔隙度表达式 因为 故 3储层岩石的孔隙度 3 3不同孔隙度的概念 从油田开发的观点考虑 只有那种既能储集油气 又可让其渗流通过的连通孔隙才具有实际意义 因此 在油田开发实践中 引出绝对孔隙度 有效孔隙度 连通孔隙度 及流动孔隙度等不同孔隙度概念 3储层岩石的孔隙度 3储层岩石的孔隙度 3 3不同孔隙度的概念 岩石的绝对孔隙度 是指岩石的总孔隙体积与岩石外表体积之比 即 岩石的有效孔隙度 是指岩石在一定压差下被油气饱和并参与渗流的连通孔隙体积与岩石外表体积之比 即 3 3不同孔隙度的概念 3储层岩石的孔隙度 岩石的流动孔隙度 是指在含油岩石中 流体能在其内流动的孔隙体积与岩石外表体积之比 即 由上述分析不难理解 绝对孔隙度 有效孔隙度及流动孔隙度间的关系应该是 3 4储层岩石孔隙度的评价 在实际工业评价中 一般均采用有效孔隙度 因为对储层的工业评价只有有效孔隙度才具有真正的意义 习惯上人们把有效孔隙度称为孔隙度 孔隙度小于5 的砂岩储层 一般可认为是没有开采价值的储层 莱复生按孔隙度的大小将砂岩储层分为五级 表2 2 3储集层孔隙度分级 砂岩 3储层岩石的孔隙度 第二节储层岩石的渗透性 在一定的压差作用下 岩石允许流体通过的性能称为岩石的渗透性 岩石的渗透性直接影响油 气井的产能 或产量 对岩石渗透性的研究与对岩石的其它物性参数研究方法相同 主要是建立在实验基础上的 第二节储层岩石的渗透性 1达西定律 1856年法国水文工程师亨利 达西 HenriDarcy 在解决城市供水问题时 用未胶结砂充填模型做水流渗滤试验 其实验装置如图2 3 1 达西实验 通过岩心的流量与岩心的渗透率 岩心的截面积 岩心两端的折算压力差成正比 与流体的粘度 岩心的长度成反比 达西定律可以用下式来描述 式中 在压差下 通过岩心的流量 cm3 s 岩心截面积 cm2 岩心长度 cm 通过岩心的流体粘度 mPa s 流体通过岩心前后的压力差 MPa 比例系数 又称为砂子或岩心的渗透系数或渗透率 D 法定计量单位为 1达西定律 达西定律 或 在这样的条件下得到的渗透率仅与岩石自身的性质有关 而与所通过的流体性质无关 此时的渗透率称为岩石的绝对渗透率 1达西定律 因渗透率具有面积的因次 其物理意义十分明显 可将渗透率理解为它代表了多孔介质中孔隙通道面积的大小和孔隙弯曲程度 渗透率越高 多孔介质孔道面积越大 流动越容易 渗透性就越好 1达西定律 单位和物理意义 2气测渗透率 气测渗透率计算公式 式 2 3 17 即为气测岩石渗透率的计算公式 它与液测渗透率计算公式的最大不同点是 岩石渗透率不是与岩石两端的压力差成反比 而是与两端压力的平方差成反比 目前我国常规岩心分析标准中 规定用气体 干燥空气或氮气 来测定岩石的绝对渗透率 3储层岩石渗透率的评价 第三节储层流体饱和度 通常储层岩石孔隙中含有两种或两种以上流体 例如油 水 水 气或油 水 气 油田开发中人们首先关心的就是油 气 水在孔隙中各自占多大的空间 因为它直接关系到油气在地层中储量的大小 为了描述所占比例的大小 采用了饱和度这一参数 第三节储层流体饱和度 1流体饱和度的概念 流体饱和度 储层岩石孔隙中某种流体所占的体积百分数 它表征了孔隙空间为某种流体所占据的程度 根据流体饱和度的概念 油 水 气的饱和度可以分别表示为 1流体饱和度的概念 若考虑在地层温度 压力条件下油 水 气体积系数 则油 水 气在油层条件下的饱和度可以分别表示为 当油 气 水三相共存于岩石时 当油 水两相共存于岩石时 2几个重要的饱和度 流体饱和度是继岩石孔隙度之后的储层岩石又一重要参数 随着油田的开发 不同时期地层中油 气 水饱和度的大小不同 它直接反映地层油气储量的变化 为此 在勘探阶段所测流体饱和度可以分为原始含油 含气饱和度和原始含水饱和度 油藏投入开发以前所测出的储层岩石孔隙空间中原始含油体积与岩石孔隙体积的比值 用下式表示 原始含油饱和度 若油藏存在气顶或含气域时 则还具有原始含气饱和度 原始含水饱和度是当油藏投入开发以前储层岩石孔隙空间中原始含