第三章(3-3)毛管压力.ppt

1、第三节 储层岩石的毛管压力,本节内容主要包括以下方面： 1、毛管压力的概念 2、岩石毛管压力曲线的测定与换算 3、岩石毛管压力曲线的基本特征 4、毛管压力曲线的应用,一、毛管中液体的上升及毛（细）管压力,、毛管中液体的上升： 将一干净的玻璃毛细管插入大烧杯的水内（如图）（玻璃表面具有强水湿的性质），毛细管中水面则沿毛细管上升一定高度h。这种上升高度是玻璃管壁和水之间的分子引力（附着力）以及毛管中液柱重度导致的结果。,空 气,空 气,水,水银,玻 璃,玻 璃,拉液柱向上的作用力是润湿张力A； A = 2,3 - 1,3 = 1,2 cos 毛细管中拉液柱的总润湿张力为：2r w,g cos(向上

2、) 毛细管中液柱重量的增加为:r2h(w_g)g (向下) 式中g为重力加速度，g为空气密度。 液面稳定(平衡)时有: 2r w,g cos= r2h(w_g)g 有: h= 2 w,g cos/r (w_g)g 若空气为油时, 有: h= 2 w,o cos/r (w_o)g,2、毛细管力（毛管力） 图（a）中弯液面上侧B1点的压力为：Pb 弯液面下侧B点的压力：Pw 毛管中A的压力为:Pa 它们之间的关系为: Pb+hgg= Pa Pw+ hwg= Pa 所以有：Pb- Pw=h(w_g)g,令：Pb- Pw=h(w_g)g =Pc Pc毛细管力（毛管力）：是毛细管中弯液面两侧非润湿相与湿

3、相的压力差。 Pc的方向，指向弯液面的凹方向； Pc的大小： 因为： Pc=h(w_g)g； h= 2 w,g cos/r (w_g)g 所以有：Pc= 2 w,g cos/r 油水-玻璃系统有： Pc= 2 w,o cos/r 毛管力的通式为： Pc= 2 cos/r 为两流体之间的界面（表面）张力，为系统的接触角；,毛管力的性质： （1） Pc与毛管半径r成反比，r越小， Pc越大； （2） Pc与两相流体的界面自由能成正比，越大， Pc越大； （3） Pc与cos成正比， 90时，毛管孔道亲水，毛管力Pc为正，水面自发上升； 90时，毛管孔道亲油，毛管力Pc为负，水面自发下降； （4）倾

4、斜毛管的毛管力的特征（如图）,3、油藏岩石毛管力的作用 油藏岩石，特别是砂岩岩石孔道极小，而将其视为一种理想的毛细管，因此，油藏岩石的毛管力就可以用上述的毛细管现象来描述。 （1）油藏形成中的作用 由于油藏中的孔隙大小不一，可看成是由大小不同的毛细管组成，使 得油藏在形成时，油水界面和油气界面不是一个镜面，而是一个油水过渡 带和油气过渡带，且油藏中油水过渡带的宽度比油气过渡带的宽度要宽。 因为：hog= 2 o,g cos/r (o_g)g how= 2 o,w cos/r (w_o)g 假定两个过渡带中的、r相同 因为： (o_g)(o_w) 又因为：油中溶解有大量的天然气，且油气间的极性差

5、远小 于油水间的极性差，使得o,w o,g 所以有： how hog,（2）驱油过程中的作用,二、任意曲面的附加压力,图93 任意曲面的附加压力,如图93，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）：,R1、R2为曲面的两主曲率半径,二、任意曲面的附加压力,1、球面上的毛管压力 因为 R1=R2=R 所以 Pc=2/R,2、毛细管中的毛管力 Pc=2/R,毛细管中的弯液面是球面的一部分。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。,图95亲水毛管中的

6、弯曲界面球面与柱面,3、柱面上的毛管压力,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（图95）。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。,图96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。,4、锥形毛管中的毛管力,如图97，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：,裂缝宽度越小，则毛管压力越大。(R1=cosW/2 ，R2=),5.两相流体处于裂缝间（平行板间）的毛管力（两相流体

7、间的弯液面（界面）为柱面的一部分）,图99砂粒间湿相流体环状分布及弯曲面 （Rm=（1/R1+1/R2）/2） Rm平均半径,6、理想砂岩砂粒接触处流体环状分布的毛管力,图99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。,图910 圆柱形毛管孔道中的液珠或气泡,三、油藏岩石孔道中附加的毛管阻力效应,1、当油柱(或气泡)处于静止状态时 （第一种阻力效应P）,球形曲面产生的毛管力：（垂向指向毛管管壁，使管壁处流体粘度增大。） 柱面产生的毛管力：（垂向指向毛管中心，使管壁处流体粘度减小。） 故油柱（或珠泡）静态的毛管力效应PI为： 由上式可以

8、看出，油水界面张力越大，毛管半径越小，管壁的亲水性越强，则作用于管壁液膜的毛管力也就越大，液膜达到平衡之前其厚度减小也越快。,图911 外加压差使弯液面变形,2、在压差作用下，当油柱(或气泡)欲运动时 （第二种阻力效应P）,对于前进弯液面： 对于后退弯液面： 因 ，故 0，所以说是与驱动力相反的作用力，即阻力， 越大，毛管阻力越大。由于珠泡的运动和润湿滞后所产生的两弯液面变 形会给驱动带来阻力，由于这种曲面变形所产生的阻力为 那么要使珠泡运动就必须多施加的力： 只有当球泡两端压差克服了上述的PI、PII和液膜的反常粘滞阻力之后，珠泡才能流动，尽管这些阻力不太大，但这只是一个珠泡的情形，倘若孔道

9、（毛细管）中有一连串的珠泡存在，那么它们对水驱油所形成的阻力是相当大的。所以说非湿相的流动条件就是驱替力要大过毛管力。,3、当珠泡流到孔道窄口时（第三种阻力效应P）,所以欲使珠泡通过孔隙则需要克服遇阻时由于珠泡变形所产生的新的阻力PIII 。PIII阻力效应就是通常所说的贾敏效应，贾敏效应在油田开发中既有利也有害。在油水混相区，由于珠泡多而堵死油流，严重影响油流向井底，降低产量。另一方面，各种堵水措施以及二次采油、三次采油中的泡沫驱都是利用其效应。,4、其它,把一根玻璃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914

10、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914b)。 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。 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,四、毛管滞后现象,图914 接触角滞后引起毛管滞后,图915毛管直径突变引起毛管滞,1、接触角滞后（即润湿滞后）引起毛管滞后 （图9-14）,2、毛管半径突变引起毛管滞后 （图9-15）,四、毛管滞后现象,图916毛管直径渐变引起毛管

11、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,图917实际岩石孔隙毛管滞后现象,四、毛管滞后现象,润湿研究对象： 不混容的两相液体固体三相体系，或液体气体固体三相体系。 （2）润湿相流体与非润湿相流体： 能沿固体表面铺开的那一相称为润湿相流体，另一相称为非润湿相流体。（气相在大多数情况下是非润湿相） （水空气玻璃体系中，水为润湿相流体，空气为非润湿相流体） （水银空气玻璃体系中，水银为非润湿相流体，空气为润湿相流体） （3）选择性润湿： 固体表面优先于哪一种流体润湿。 （水空气玻璃体系中，玻璃表面对水选择性润湿） （水银空气玻璃体系中，玻璃表面对空气选择性润湿）,、储层岩

12、石润湿程度的确定接触角（）（润湿角） 研究对象：水油岩石三相体系。（气油岩石和气水岩石三相体系 中，气体为非润湿相流体） 分别以代表水、代表油、代表岩石。 表示岩石润湿性程度的参数接触角(也称润湿角) 接触角的确定：通过水-油-岩石三相交点做水-油界面的切线，切线与水-岩石界面之间的夹角（经过水相）称为接触角（）。 （ 0 0）,（）当90时， 水对岩石表面选择性润湿；水为润湿相流体；岩石亲水或称水湿岩石； 越小，岩石的亲水性越强； （）当90时， 油对岩石表面选择性润湿；油为润湿相流体；岩石亲油或称油湿岩石； 越大，岩石的亲油性越强； （）当=90时， 油、水润湿岩石的能力相当，岩石既不亲水

13、也不亲油，即岩石为中性润湿；,、润湿的实质 油水对岩石表面选择性润湿是作用于三相周界的两相界面张力相互作用的结果，当其达到平衡时，有： 2,3 = 1,3 + 1,2 cos 2,3 - 1,3 = 1,2 cos=A（润湿张力） A的物理意义：水对岩石表面选择性润湿导致油岩石界面比表面能的减小。 润湿的实质：固体表面自由能的减小。,4、附着功W(也称粘附功),附着功W：指将单位面积的湿相流体(如水)从固体表面 (亲水岩石表面)驱开所 作的功。（是润湿的反过程。） 由上图知，拉开前的比表面能为1,3，拉开后的比表面能为2,3 + 1,2 因此：W= （2,3 + 1,2 ）- 1,3 因为：

14、2,3 - 1,3 = 1,2 cos 所以： W=1,2 （1+cos） 由上式看出，角越小，附着功W越大，即湿相流体（水）对岩石的润湿程度越强； 因此，研究附着功的意义是：用附着功判断岩石润湿性。,5、润湿反转现象,润湿反转：在一定条件下，加入表面活性剂（或其它的特殊处理方法）， 使岩石表面的亲水性和亲油性相互转化的现象。 表面活性物质自发地吸附在两相界面上并使界面张力减小，因此，表面 活性物质吸附于岩石表面，将可能导致： （1）亲水性的岩石表面的亲水性变弱甚至变成亲油性表面； （2）亲油性的岩石表面的亲油性变弱甚至变成亲水性表面。,研究岩石润湿反转的意义： 岩石润湿反转的特性，已被油田得

15、到了广泛的合理应用。表面活性剂驱油是合理应用润湿反转特性的一个实例。从地面向油层注入一定量的表面活性剂溶液，通过表面活性剂在油层岩石颗粒表面的吸附，使亲油岩石颗粒表面向亲水转换，有利于“剥落”岩石颗粒表面的“油膜”，从而达到提高原油采收率的目的。,二、 润湿滞后现象及其影响因素,润湿滞后是在流体流动过程中出现的一种润湿现象。如图下所示，将原来水平放置的亲水固体（岩石）表面倾斜一个角度，可以发现，油-水-固（岩石）三相周界不能立即向前移动，而是油-水两相界面发生变形，使得原始的接触角发生改变，然后，三相周界才向前移动。 润湿滞后：指三相润湿周界沿固体表面移动的迟缓而产生润湿接触角改变的现象。 润

16、湿滞后的影响因素包括：,倾斜一个角度,1、润湿次序（三相周界的移动方向）的影响 润湿次序的含义：固体（岩石）表面一开始是和油接触，后来水把油驱赶走代之以水和固体（岩石）表面接触，或者是反之的情况。 三相周界的移动方向的含义： A点移动方向是水驱油的方向，即水将占据油原来的部分空间； B点移动方向是油驱水的方向，即油将占据水原来的部分空间； 前进角（1）：水驱油（润湿相流体驱赶非润湿相流体）时的接触角； 后退角（2）：油驱水（非润湿相流体驱赶润湿相流体）时的接触角； 由于润湿次序的不同产生了两个不等的接触角，且在一般情况下有： 1 2 （为原始接触角） 静润湿滞后：由润湿次序不同 而引起的接触角

17、的变化。,2、三相周界移动速度的影响 如下图所示，油水在岩石孔隙中静止时，接触角为30，岩石表面具有较强的水润湿；当水驱油在岩石孔隙中流动时，接触角发生了改变，接触角随水驱油速度的增大而变大，即滞后现象越严重，当水驱油速度的增大到某一值时，岩石表面变为亲油性，发生了润湿反转现象。 动润湿滞后：由三相周界移动速度而引起的接触角的变化。,静止时，= 30，岩石亲水,1,2,水驱油速度为V1时，= 60，岩石亲水性减弱,水驱油速度为V2 V1时，= 75，岩石亲水性再减弱,水驱油速度为V3 V2时，= 115，岩石类似亲油性，发生润湿反转,研究动润湿滞后的意义： 亲水油藏水驱油时，当水驱油的速度过大

18、时，将导致油藏岩石具有“亲油”的性质。实践证明，亲油油藏水驱油的残余油饱和度比亲水油藏水驱油的残余油饱和度大；因此，从提高原油采收率的目的出发，注水开发的油藏，并非注水速度越大就越好。,3、固体表面粗糙度的影响 岩石颗粒表面粗糙程度增加，三相周界移动更加迟缓，润湿滞后现象更为显著。 固体的棱角和尖锐凸起对润湿滞后有很大的影响。尖锐对对三相周界的移动阻力很大，如下图所示，此时接触角应该加上“形角”，才能反映滞后现象， “形角” 越大，滞后也越显著。,4、表面活性物质吸附的影响 石油中天然活性物质或人工注入油层的活性剂吸附在岩石的的表面，润湿滞后现象增强。 下图表明： 曲线1：在光滑干净的大理石表面，水滴趋于平衡的速度很快； 曲线2：在油中预浸59天的大理石表面，水滴趋于平衡的速度较慢； 曲线3：经过油酸（活性剂）预处理的大理石表面，水滴趋于平衡的速度更慢；,三、储层岩石润湿性的测定 1、测定光滑岩石表面的接触角方法 （直接法） 如图837所示，其原理是把欲测岩石样品（矿物）加工成平板、表面经过磨光处理，浸入液体（油或水）中，在平板光面上滴一滴直径约为12mm的液体（水或