油藏物理 第八章

1、油藏物理课程,油藏物理,储层岩石是,孔隙细小,、,结构复杂,、,比面极大,、,高度分散,的,多,孔介质,油藏流体总是以,油,-,水,两相或,油,-,气,-,水,三相同时存在于岩石,孔隙中，岩石孔隙中同时存在油与岩石、水与岩石、气与岩,石接触，还存在油与水、油与气间的接触，形成了极为,复杂,的、多种界面,系统,含多相流体的油藏岩石孔隙中,:,?,界面极大，具有大的接触范围,?,界面现象极为突出，液固界面，液液界面,?,表现出与界面现象有关的,界面张力、吸附、润湿、毛管现象,?,它们对,流体分布,和,流动,有极大影响,第三篇,储层中多相流体的渗流机理,?,第八章,储层岩石中的界面现象与润湿性,?,

2、第九章,储层多孔介质中的毛细管压力及,毛细管压力曲线,?,第十章,孔隙介质中多相渗流特性与相对,渗透率曲线,第三篇,储层中多相流体的渗流机理,第一节,储层流体的相间界面张力,一、基本概念及界面能特性,?,相界面：,互不相溶的两相之间的接触面,?,表,面：,两相中有一相为气相的界面,?,界面现象：,发生在界面上的物理、化学现象,1.,两相界面的界面能（,Interfacial,energy,）,液相相内的每个分,子,b,，其分子力场处,于相对平衡状态,液相表面层的分子,a,，,其分子力场是不平衡的,界面层：,从两相界面到分子力场达到平,衡的分子层的厚度称为界面层,界面能：,分子力场不平衡而使表面

3、层分,子储存有多余的能量，称为两相界面的,界,面能,2.,界面能特性,?,界面能依存于两相界面,?,界面能分布于整个界面层,?,界面能与界面面积成正比,?,界面能的大小与两相分子的极性有关,极性相近原则,：,极性相近的分子间引力大,液液,气液,U,U,?,分子极性相近，,F,净,小，,Us,小,?,界面能与物质的相态有关系,一、基本概念及界面能特性,1.,定义,定义,1,：,界面单位面积上所具有的界面能，称为,比界面能,A,U,s,?,?,m,N,m,m,N,m,J,?,?,?,2,2,单位：,定义,2,：,作用于界面单位长度上的收缩力，称为,界面张力,(1),用金属丝做成的框架，,中间是肥皂

4、膜,肥皂膜,(2),圆形金属,框内有一肥,皂膜，中间,放一不规则,的纤维丝环,:,对于两相是界面能，当三相流体相互接触时，产生张力,二、界面张力,2.,界面张力的作用方向,3,2,2,1,3,1,.,.,.,?,?,?,?,?,23,12,13,?,?,?,?,?,油滴将在水面上铺开,作用点：,三相周界接触点,作用方向：,指向界面收,缩的方向,水,油,注气,二、界面张力,3.,影响界面张力的因素,：,界面张力,产生的根本原因是界面层中分子的,净吸引力,凡是影响分子间作用力的因素都影响界面张力,?,物质的成分：,不同的物质，分子间的作用力不同，界面张力也不同,物质,正己烷,乙醚,正辛烷,四氯化碳

5、,邻二甲苯,表面张力,(20,mN/m),18.4,17.0,21.8,26.9,30.3,物质,苯,三氯甲烷,二氯乙烷,二硫化碳,甲苯,表面张力,(20,mN/m),29.0,28.5,32.5,73.2,32.85,a,b,二、界面张力,?,物质的相态，,如气液界面大于液液界面,第一相,水银,水银,水银,水,水,水,水,第二相,空气,酒精,苯,空气,苯,正辛醇,丁醇,界面张力,(20,mN/m),486.5,364,357.2,72.9,35.0,8.5,1.76,?,物质的极性：,两相分子极性越相近，两相分子间引力越大，界,面张力越小，甚至发生互溶,?,温度、压力、溶解气油比的影响：,?

6、,温度影响影响界面张力，,温度升高,：,增大液体分子间距，液相分子间引力减少；,增加液体蒸发，加大蒸气密度，气相与液相,间引力增加。故温度升高界面张力降低。,20,60,80,二、界面张力,?,压力影响影响界面张力，,压力升高,：,气相分子间距离减小，增大与液相分子的引力,气体溶解度增加，液体密度减小，分子间引力减少。故压,力升高界面张力降低,P,1-,原油与空气；,2-,原油与天然气；,3-,原油与,CO,2,；,4-,汽油与,CO,2,?,油中溶解气量增加，油,气界面张力,：,油藏中气顶处：油气界面,张力很小,二、界面张力,1.,油,气间的界面张力,?,P,、,T,的影响,地层,油气,地面

7、,油气,p,T,?,油气性质的影响,油气之间分子极性差异,O,air,O,C,CO,O,CO,gasoline,1,2,2,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,O,air,O,C,CO,O,CO,gasoline,1,2,2,?,?,?,?,?,?,?,D,D,D,D,O),(air,O),(C,),CO,(O,),CO,(gasoline,1,2,2,?,?,?,?,?,?,?,s,s,s,s,R,R,R,R,溶解气,气,、,油,气油,热膨胀使油分子间引力下降幅度大,于气相,界面分子受力状况改变,三、油藏流体间的界面张力,?,表面活性剂的影响,表面活性剂：,能自发吸附到两相界面，并能

8、急剧降低界面张力的物质，,SAa,表面活性剂,2.,气水间的界面张力,P,、,T,的影响,地层,气水,地面,气水,P,T,气,气水,(,水中溶解气极少,),热膨胀使水分子间引力,三、油藏流体间的界面张力,3.,油水间的界面张力,?,P,、,T,的影响,?,对脱气原油,(,无溶解气,),，,P,、,T,对,几乎无影响,原因：,界面层分子的热力学性质变化一致,?,温度增加，油、水同时膨胀；,?,增大压力，油、水同时受压缩；,油、水各自分子热力学性质变化基本一致，油、水间分子,力场仍可能保持不变。,三、油藏流体间的界面张力,?,P,P,b,：,P,?,P,R,S,(,o-g,),R,S,(,w-g,

9、),原油分子间作用力的下降幅度,水分,子间,油、水分子间极性差异,?,P,P,b,：,P,稍有减小但不显著,P,仅仅是对流体增加了压缩作用,?,T,(,分子运动加剧，分子力场差异减小,),?,饱和原油,(,溶解气,),与水间的,?,P,、,T,的影响,三、油藏流体间的界面张力,?,油、水性质的影响,?,油中轻烃,、,o,、,o,极性差,?,水矿化度,极性差,?,表面活性剂,?,表面活性剂,三、油藏流体间的界面张力,1.,实验测定,常用方法：,吊片法：,适于,ow,0.4g/cm,3,，,较高,(1-10,2,mN/m),的样品,悬滴法：,适于一般液体与粘稠液体间中等,(10,-1,-1,mN/

10、m),的测定,旋转液滴法：,适于高密度相为透明相的超低或低,(10,-3,-,10,-1,mN/m),的测定,四、界面张力的测定及求取,2.,查图法,诺模图,?,已知地面,?,o-w,和,T,地层，查地下油水界面,张力诺模图直接查出地下,?,o-w,?,若气藏中天然气主要是甲烷，由已知地下,T,、,P,，直接查地下甲烷气水界面张力诺模图,查出地下,?,C1-w,四、界面张力的测定及求取,两相界面受力不平衡，存在,界面能,物质总有使其,界面能,趋于最小的趋势，表现为：,界面面积减小,通过吸附与其相邻的物质分子来实现,(,吸附原理,),第二节,界面吸附现象,吸附：,溶质自发的聚集于两相界面的现象叫

11、,吸附,“,极性均衡”原则,极性,A,极性,C,极性,B,，则,C,为吸附在,A,、,B,两相界面层的,物质，使界面张力减小。反之，,C,沉于,A,或者,B,相内部，界,面张力增加（如,NaCl,增大水的表面张力）,第二节,界面吸附现象,吸附类型,?,物理吸附,?,化学吸附,3.,界面吸附的机理,?,物理吸附：,吸附质分子与吸附剂分子间以范德华力结合，,在吸附剂表面形成吸附层。,?,化学吸附：,吸附质分子与吸附剂分子间以化学键结合，在,吸附剂表面形成新化合物层。,?,实际储层条件下的界面吸附多为混合吸附。,第二节,界面吸附现象,4.,吸附规律,?,液体表面吸附：遵循吉布斯等温吸附方程：,T,C

12、,C,RT,G,),(,1,?,?,?,?,?,?,?,G,吉布斯吸附量,，为单位面积表面层中溶质的摩尔数与溶,液中任一相当薄层中溶质的摩尔数之差,(,或过剩值、多余量,),，又称,比吸附,恒温下，表面张,力随溶液浓度的,变化率，称,溶质,表面活度,溶质在溶液中,的平衡浓度,第二节,界面吸附现象,0,0,),(,?,?,?,?,G,C,T,?,0,0,),(,?,?,?,?,G,C,T,?,4,、吸附规律,正吸附，,C,?,?,?,，溶,质为表面活性物质,(,剂,),负吸附，,C,?,?,?,，溶质为表面非活性物质,(,剂,),T,C,C,RT,G,),(,1,?,?,?,?,?,?,?,第二

13、节,界面吸附现象,?,固体界面的吸附,固体表面上的原子和分子所受的力也是不对称的，因此，固,体表面也存在界面能。吸附碰撞到固体表面上的气体分子或,从溶液中吸附其它物质，以降低其界面能,?,随着吸附界面面积的,增大而增加,；,?,固体的吸附具有选择性。固体表面不同部位的吸附效果常有较,大差异；（不同部位组成不同，表面不规则）,?,一般情况下吸附是放热的：,升高温度，吸附量降低,；,?,吸附量与被吸附物质的浓度成正比，,浓度越大，吸附量越大,?,气体具有较大的压缩性，固体表面对气体的吸附量,随压力的升,高而增大,第二节,界面吸附现象,bp,bp,V,V,?,?,?,1,一定量吸附剂上气,体吸附质的

14、摩尔数,一定量吸附剂所能吸,附气体最大摩尔数,吸附系数,?,气体在固体表面的吸附,遵循兰格缪尔,(Langmuir),等温吸附方程：,第二节,界面吸附现象,?,液体在固体表面上的吸附量,兰格缪,(Langmuir),吸附等温式表示,应用：,利用储层岩石表,面选择性吸附的特点，,三次采油中在注入表面,活性剂之前，预先注入,称为“牺牲剂”的某种,物质，使其优先在岩石,表面上吸附，这样可以,减少活性剂在岩石表面,上的吸附损失，提高经,济效益,bc,bc,?,?,?,?,?,1,?,存在边界层,?,固体表面物质成分不均一，具有选,择性吸附。极性部位易吸附极性物,，非极性部位易吸附非极性物质,?,吸附层

15、具有反常的力学性质和很高,的抗剪切能力。,第二节,界面吸附现象,掌握内容,1,、概念,界面张力、吸附,2,、,界面张力的影响因素,3,、油藏中油气水,界面张力,随温度压力的变化特征,4,、液体界面和固体界面的吸附特征,?,第一节,油藏流体的界面张力,?,第二节,油藏岩石的润湿性和油水分布,?,第三节,油藏岩石的毛管力,?,第四节,饱和多相流体的渗流特征,?,第五节,微观渗流机理,第二章,饱和多相流体的油藏岩石的渗流特性,第二节,油藏岩石的润湿性和油水分布,?,岩石的润湿性,是岩石,-,流体的综合特性，取决于,岩石,-,流体,及,流体之间,的,界面张力,和,极性物质在,岩石表面的吸附,等,?,研

16、究岩石的润湿性对于选择提高采收率方法及,油藏动态模拟等具有重要的意义,1.,润湿：,指液体在分子力作用下在固体表面的流散现象,2,4,6,8,10,0,2,4,6,8,10,B,X axis title,?,(,?,润湿,不润湿,润湿时总是指三相体系，一相为固体，另一相为液体，第,三相为气体或另一种液体,如果某一相液体是润湿固相的，则另一相是不润湿固相的,一、润湿基本概念,90,水湿；,90,油湿；,=0,完全水湿；,=180,完全油湿,2,4,6,8,10,0,2,4,6,8,10,B,?,(,?,润湿,不润湿,2.,润湿角：,三相周界接触点对液滴表面做的切线与液、固体界,面的夹角。一般规定

17、以从极性大的液体,(,水,),那一面算起,一、润湿基本概念,油水对岩石的选择性润湿作用,1,水,2,油,3,岩石,一、润湿基本概念,3.,附着张力（或润湿张力）,W,oil,油水对固体表面的润湿是,作用于三相周界的界面张,力,相互作用的结果，当其,达到平衡时有下列关系，,即,杨氏,(Young),方程：,?,?,?,?,cos,2,.,1,3,.,1,3,.,2,?,?,A,?,?,?,?,?,?,?,cos,2,.,1,3,.,1,3,.,2,A,附着张力或润湿张力,3,.,1,3,.,2,?,?,?,岩石亲水,3,.,1,3,.,2,?,?,?,岩石亲油,润湿的实质：,固体表面能减小,润湿

18、的规律：,固液两相极性差,越小，液体越能润湿固体,一、润湿基本概念,液体对固体的润湿能力可因加入其它物质而改变,二、润湿反转现象,?,润湿反转的原因：,?,表面活性物质在界面吸附引起,?,?,，,?,nwet-R,下降,幅度,?,wet-R,下降幅度，使原,nwet-R,wet-R,?,润湿反转的概念,润湿反转：,固体表面亲水性和亲油性的相互转化,表面活性物质能改变界面润湿性,表面活性剂驱,二、润湿反转现象,1.,润湿滞后,由于三相周界沿固体表面移动的迟,缓，而使润湿角发生改变的现象,根据引起润湿滞后的原因，常将润湿滞后分为：,静润湿滞后,和,动润湿滞后,?,前进角,1,：,湿相驱替非湿相形成

19、的接触角,?,后退角,2,：,非湿相驱替湿相形成的接触角,?,接触角间关系：,1,2,?,润湿滞后程度：,?,1,-,?,2,或,COS,?,1,-COS,?,2,三、润湿滞后,2.,静润湿滞后：,由于润湿次序不同而引起的润湿角改变的现,象称为静润湿滞后,固体表面的润湿性与,饱和历史（或润湿次,序，或流体接触表面,的先后）有关,?,原因,：岩石表面非均质性、粗造度、表面活性物质在固,体表面上的吸附层。,?,结果,：水驱油过程中，静润湿滞后,水润湿岩石的能,力,洗油效率,原油采收率,?,静润湿滞后直接影响微观水驱油效率,三、润湿滞后,3.,动润湿滞后：,由于流体流动速度大于三相周界移动速度引,起

20、的润湿角改变的现象称为,动润湿滞后,随着流体流动速度增加，出现流体流动速度大于三相周界,移动速度并导致润湿角发生变化，甚至润湿角性质变化,v,1,v,2,v,3,；,1, ,2, ,3,三、润湿滞后,原因,：,驱替压差（速度）,?,特点,：,1,、,2,随,P,而变化：,P,1,2,滞后程度,?,结果,：,-,水润湿岩石的能力,(,),，水洗油效果,-,润湿反转后，油膜留在孔壁上，驱油效率,需设计合理生产压差,?,静、动润湿滞后，都严重地影响油藏开发中的微,观驱油效果，使原油采收率,三、润湿滞后,四、储层岩石的润湿性及其影响因素,1.,岩石润湿性特征及润湿类型,?,微观上，岩石润湿性,f,(,

21、表面矿物、流体组成、优先,润湿相润湿性,),高度非均质,；,?,宏观上，储层润湿性,微观润湿性,总体的、统计,的概念。,存在非均质性。,(1),储层岩石润湿性特征,非均匀润湿,(2),岩石润湿性类型,(,微观,),?,混合润湿：大孔隙油湿，小孔隙水湿,?,水湿：岩石孔道表面被薄层水膜覆盖,?,油湿：岩石孔道表面被薄层油膜覆盖,?,中等润湿：油水界面与孔道表面存在明显接触角,?,斑状润湿：油、水湿随机分布在孔隙表面,四、储层岩石的润湿性及其影响因素,(3),储层润湿性类型,(,宏观,),水湿、油湿、中等润湿,储层宏观润湿性又称为“相对润湿性”,?,一个具体油气藏，润湿性一般为,混合润湿，,只能认

22、为,偏,亲水,或,偏亲油,。一般认为,S,wi,高,的区域表现,出水湿,；,S,wi,低,的区域表现出,油湿,四、储层岩石的润湿性及其影响因素,五、油水在岩石孔隙中的分布,润湿性影响油水在孔道中的微观分布,油水在岩石孔隙中的分布,与哪些因素有关？,?,储层岩石润湿性,?,流体饱和度的大小,?,饱和度变化的方向,?,储层岩石润湿性的影响,润湿相力图占据颗粒表面，非润湿相处于孔道中心,?,中性润湿岩石：,部分岩石表面亲油，被油膜覆,盖；其余亲水，被水膜包围。,1.,润湿性对油水微观分布的影响,五、油水在岩石孔隙中的分布,?,水湿岩石：,水分布于大孔表面,(,水膜,),和小孔中，油,成孤滴状。,?,

23、油湿岩石：,水分布于在大孔道中央，油以油膜的形,式附着于颗粒表面。,五、油水在岩石孔隙中的分布,油、水饱和度均较高时，油、水各自形成独立的渠道，,以,渠道流,的方式流动；各相流动渠道随其饱和度,而,?,流体饱和度大小的影响,五、油水在岩石孔隙中的分布,水湿岩石,?,S,W,低，润湿相水粘附于颗粒表面,成环状分,布,不流动；相应的,S,O,很高，油成迂回状连续,分布于孔隙中间,在外压作用下成渠道流动,?,S,W,中，油水为迂回状分布，在一定外压下，,油水可以同时流动,?,S,W,高，油成孤滴状分布，水成迂回状连续分,布,?,油水分布随饱和度的变化与水湿岩石相反,油湿岩石,五、油水在岩石孔隙中的分

24、布,?,饱和度变化方向的影响,注水时油水的分布情况为例,?,亲油油层注水：,非湿相驱替湿相的过程,驱替过程,?,亲水油层注水：,湿相驱替非湿相的过程,吸吮过程,五、油水在岩石孔隙中的分布,?,亲水岩石,随含水饱和度增加，水除了附着于颗粒表面的水膜和,边角处之外，还取渠道流动驱油。残余油占据死胡同,孔隙及很细的连通喉道，有少部分的油被水分割成孤,立的油滴,?,注水时油水的分布,五、油水在岩石孔隙中的分布,?,亲油岩石,水首先取道于较大的流通性好的孔隙。继续注水时，,才进入较小的孔道并使这些水侵小孔道串联起来，形,成新的水流渠道。残余油除了一些停留于小的油流渠,道内，其余的则在大孔道表面形成油膜,

25、?,注水时油水的分布,五、油水在岩石孔隙中的分布,?,岩石中等润湿性时，经水驱替后的残余油除了,占据在死胡同孔隙中外，还有许多小油液粘附,在孔隙的岩石壁上,?,油水在岩石孔隙中的,微观分布,不仅与油水,饱和度,的大小,有关，还与饱和度的,变化方向,有关,?,注水时油水的分布,五、油水在岩石孔隙中的分布,?,水湿岩石：,孤立的油滴、油珠等形式存在,(,位于孔道的中心,),?,油湿岩石：,以油膜形式存在,(,覆盖在岩石固体表面,),?,油水在岩石孔隙中的,分布,与岩石表面,润湿性,、油水,饱和度的大小,、饱和度的,变化方向,(,饱和流体的先,后次序,),有关,?,水驱后残余油分布,五、油水在岩石孔

26、隙中的分布,2.,润湿性决定孔道中毛管力的大小和方向,?,毛管力,P,c,的方向,?,亲水毛管，,P,C,与注水驱替压差,?,P,方向一致，是动力,?,亲油毛管，,P,c,与注水驱替压差,?,P,方向相反，是阻力,?,l,P,c,方向指向非润湿相一方，其作,用是力图使湿相液膜增厚,五、油水在岩石孔隙中的分布,?,毛管力,P,c,的大小,润湿性与界面张力、毛管半径决定了,p,c,的大小和,方向。,r,p,C,?,?,cos,2,?,五、油水在岩石孔隙中的分布,地层中的微粒指岩石表面未固结的细小颗粒,?,开发初期：,只有油流动，产纯油；水以束缚水存在，,亲水微粒受束缚水膜的束缚不运移,?,注水后：

27、,油水同流，岩石表面润湿性发生变化，亲水,微粒从束缚状态下释放出来，随水移动；混合润湿的,微粒处于束缚水膜和油相的界面上作不同方向的移动,?,加入油水互溶剂：,?,ow,减小以致界面消除，微粒大量,释放，运移，可能堵塞孔隙，损害油层,3.,润湿性影响地层中微粒运移,五、油水在岩石孔隙中的分布,4.,润湿性影响采收率的大小,在水驱油时，采收率的高低，驱油效果的好坏，,直接受润湿性的影响,。,?,水湿储层比油湿储层水驱效果好,五、油水在岩石孔隙中的分布,方法：,?,直接法,?,接触角法,?,间接法,?,自动吸入法,?,自吸离心法,?,自吸驱替法,六、油藏岩石润湿性的测定,2,、,影响油藏岩石润湿的因素,凡是影响油,-,固、水,-,固界面张力的因素都影响岩石的润湿性,(1),岩石的矿物组成；,(2),油的性质,、,水的性质,；,(3),油中的活性物质；,(4),矿物表面的粗糙度,?,同,一,油,水,体,系,对,不,同,性,质,的,矿,物,表,面,其,润湿性不同,?,不,同,性,质,