油层物理毛管力省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

1第四节 储层岩石毛管力v一、毛细管中液面上升或下降现象假如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力，使湿相液面上升一定高度；反之，假如把毛细管插入到非润湿相中，则管内液面呈凸形，液体受到一个向下压力，使非润湿相液面下降一定高度。这种在毛管中产生液面上升或下降曲面附加压力，称为毛细管压力，简称毛管力。第第1页页2一、毛管中液体上升v 若在一个装有油水两相容器中插入毛细管，则湿相水会沿毛管上升，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点压力为Pob，水相中WB点压力为Pwb；在大容器中，紧靠油水界面附近，油相中OA点和水相中WA点压力分别为Poa和Pwa，则有：hPwa油水PoaPobPwb OA WB OB WA第第2页页3油相中，Pob=Poa-ogh （1）水相中，Pwb=Pwa-wgh （2）hPwa油水PoaPobPwb OA WB OB WA又，Poa=Pwa （3）因为连通管中同一水平高度上压力相等，而且认为烧杯容器足够大，OA点所处油水界面为水平，即毛管力为零。一、毛管中液体上升第第3页页4v1.1 毛管力公式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、毛管中液体上升第第4页页51.1 毛管力公式推导v人们将毛管压力定义为两相界面上压力差，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：P Pc c=P=Pobob-P-Pwbwb=（w w-o o）gh=ghgh=ghv这是油层中毛细管平衡理论基本公式。v该式表明：液柱上升高度直接与毛管压力值相关，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。第第5页页61.1 毛管力公式推导气气气气-液系统液系统液系统液系统:油油油油-水系统水系统水系统水系统:第第6页页7毛管力性质v毛管压力：毛管中弯液面两侧非湿相与湿相压力差，称为毛管压力。方向朝向凹向，大小等于毛管中上升液柱压强。v1）毛管力存在于任何方向放置毛细管中。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，液柱上升高度将不改变。当毛细管水平时，水槽中水被吸出，在地层中水湿毛细管毛管力是驱油动力。第第7页页8毛管力性质v2）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，岩样能够自然吸水。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。v3）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。所以，油藏中毛细管直径不一样，毛细管中液面参差不齐，油水界面或油气界面成为一个含有相当厚度油水或油气过渡带，而不是一个截然分开平面。v4）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。第第8页页91.2 毛管力公式应用v1)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，上升液柱高度将不改变。当毛管孔道半径改变时，则湿相上升高度会高低不一致，孔道越小，上升越高。v所以可得出：实际油藏中油水界面不是一个截然分开平面，而是含有相当高度油水过渡带（或油气过渡带）。普通而言，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。第第9页页101.2 毛管力公式应用v2)岩石亲水，毛管力是水驱油动力；岩石亲油，毛管力是水驱油阻力。v3)判断岩石润湿性 第第10页页11二、各种曲面附加压力 曲面附加压力 如图，任何简单曲面必定存在附加压力，该毛管压力方向与液面凹向一致（即图中箭头所表示），附加压力大小由拉普拉斯方程可得（忽略重力作用）：1、球面上毛管压力 第第11页页12二、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。第第12页页13二、各种曲面附加压力v2、柱面上毛管压力 亲水毛管中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。第第13页页14二、各种曲面附加压力柱面曲率及毛管力方向 柱面毛管力Pcz指向管轴心，毛管力作用使毛管中水膜厚度增加。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。第第14页页15二、各种曲面附加压力v3、锥形毛管中毛管力 如图，粗端曲面曲率半径为R1r1cos(+)，细端曲面曲率半径为R2r2cos()，那么曲面上毛管压力为：第第15页页16二、各种曲面附加压力v4.两相流体处于裂缝间（平行板间）毛管力 裂缝宽度越小，则毛管压力越大。第第16页页17二、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。第第17页页18三、孔道中毛管效应附加阻力 v1、当油柱(或气泡)处于静止状态时（第一个阻力效应）圆柱形毛管孔道中液珠或气泡 第第18页页19三、孔道中毛管效应附加阻力故油柱或液泡静态毛管力效应P为:球形曲面产生毛管力方向指向油相内柱面产生毛管力方向也指向油相内注意两者方向不一样方向垂直指向毛管壁第第19页页20三、孔道中毛管效应附加阻力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 第第20页页21三、孔道中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所产生液体摩擦阻力 外,还必须克服PII所产生附加阻力.第第21页页22三、孔道中毛管效应附加阻力v3、贾敏(Jamin)效应当珠泡欲经过狭窄孔喉时，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PIIIIII为：珠泡经过窄口最大压差第第22页页23贾敏(Jamin)效应v通常，人们把液滴经过孔道狭窄处时，液滴变形产生附加阻力现象称为“液阻效应”。而将气泡经过窄口时产生附加阻力现象称为气阻效应，或称贾敏(Jamin)效应。v当两相流动时，尤其是当一相连续，另一相可能不连续，成份散状于另一相时，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显著。这就是在生产中应尽可能防止钻井泥浆进入油层，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理论依据。当然，事物总是一分为二，近代发展各种堵水技术，三次采油中泡沫驱等，就是变不利为利例子。第第23页页24四、毛管滞后现象 v把一根毛细管插入一盛有湿相流体（如水）容器中，则湿相(水)排驱非湿相(空气)，在毛管压力作用下，水将沿毛管上升一定高度(图a)，这是吸入过程。再把另一根一样毛管先充满水，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，这是空气驱水驱替过程(图b)。v能够看出，尽管空气中压力都为大气压，但因为饱和次序不一样，吸入过程产生液柱高度小于驱替过程产生液柱高度。第第24页页25四、毛管滞后现象v概念：因为毛管中润湿滞后影响，驱替和吸入过程所 产生液柱高度并不相同，吸入液柱高度小于驱替液柱高度。发生在毛管中这种现象被称为毛细管滞后现象。v毛细管滞后现象产生主要由润湿滞后及岩石孔道几何形状引发，常见毛细管滞后现象有以下几个：第第25页页26四、毛管滞后现象v1、接触角滞后（即润湿滞后）引发毛管滞后 接触角滞后引发毛管滞后接触角滞后引发毛管滞后 第第26页页27四、毛管滞后现象v2、毛管半径突变引发毛管滞后 毛管直径突变引发毛管滞 第第27页页28四、毛管滞后现象毛管直径渐变引发毛管滞后 3、毛细管半径渐变引发毛管滞后 4、实际岩石孔隙中毛管滞后 实际岩石孔隙毛管滞后现象 第第28页页29五、毛管压力曲线测定1 1、毛管压力曲线定义、毛管压力曲线定义 岩心中湿相饱和度与毛管压力之间存在着某种函数关系。但因为油藏岩石孔隙结构复杂，直接推导数学模型有困难，但能够用试验方法测量出不一样湿相流体饱和度下毛管压力用曲线形式来描述，这种曲线就是毛管压力曲线。第第29页页30五、毛管压力曲线测定v但因为油藏岩石孔隙结构复杂，直接推导数学模型有困难，但能够用试验方法测量出不一样湿相流体饱和度下毛管压力，这种毛管压力与湿相(或非湿相)饱和度关系曲线称为毛管压力曲线，如图所表示。第第30页页31五、毛管压力曲线测定v2、毛管压力曲线测定半渗透隔板法（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第第31页页32半渗透隔板法第第32页页33半渗透隔板法1.将所要求测定岩样抽提洁净之后，饱和润湿液体（通常是地层水）。并将岩样放在漏斗(1)内多孔隔板(2)上面。玻璃漏斗下部和刻度管(8)一部分都充满了这种润湿液体。2.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。用压缩氮气来提升漏斗中压力，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润湿液体排驱出来。3.逐步提升压力，并将岩样中润湿液体深入排出。每次提升压力时，必需要等到刻度管（8)中弯液面不再向前推进，亦即到达岩样内润湿相与非润湿相压力平衡时为止。这时读出刻度管(8)中数值。这个读数就是在该压力间隔下所排出润湿液体体积。不停提升压力，一直到润湿液不再自岩心中被驱出时为止。第第33页页34半渗透隔板法v半渗透隔板(2)是经过处理、亲润湿相（水）隔板，所以当隔板中充满水时，在一定压力范围内，非润湿相液体不能侵入。所以，非润湿相液体一直在隔板(2)上部而不会浸到隔板下部漏斗中。v因为这种方法能够使用近似于地层条件下流体，能比较靠近并摸拟油层实际情况，所以，这种方法被公认为“经典毛管压力测定方法”。第第34页页35六、不一样测定方法毛管压力换算 1、压汞法所测得PHg与半渗透隔板法下气水毛管压力Pwg换算 已知汞表面张力Hg480mNm，Hg140，气水界面张力wg72mNm，wg0，则 压汞法所测得毛管力值约是半渗透隔板法所测得毛管压力值5倍 第第35页页36六、不一样测定方法毛管压力换算v2、压汞法测得毛管压力PHg与油层条件下油-水毛管压力Pow换算v已知汞表面张力Hg480mNm，Hg140，油水界面张力ow25mNm，ow0，则v这说明实际油藏中，油水毛管压力值约是压汞法测得毛管压力值115。第第36页页37第第37页页38六、不一样测定方法毛管压力换算v3、半渗透隔板法(水-空气体系)测得毛管压力Pwg与地下油水毛管压力换算v已知油-水表面张力ow25mNm，ow0，水表面张力wg72mNm，接触角wg0。则 v实际油藏中油水毛管压力值约是半渗透隔板法测得毛管压力值13wgwgwgwgwgowowowPPPP310cos720cos25coscos =o oo oq qs sq qs s第第38页页