第三章 油藏岩石的渗流特性.doc

第三章　油藏岩石的渗流特性
第一节　油藏液体的表面张力
一、两相界面的自由表面能
严格来说，表面现象实力界面现象，因此表面能应称为界面能，表面张力称为界面张力。只要两相接触，就有界面出现。
物质表面且有特殊性质，都是由于表面层分子与相内分子所处的状态不同引起的。在液相内部的分子因受各向分子力的作用，其合力等于零。故相内分子可任意移动而无能量损耗。表面分子由于液相内部分子对表面分子的吸引力总是大于气相分子对表面分子的吸引力，其结果是表面层的分子将因受到液相分子的内拉力，有力图缩小相界面的趋势，欲将一个分子从相内部移到表面，就要反抗分子内向拉力而做功，而体系表面层上的分子其能量要比相内分子的高。也就是说分子力场的不平衡而使表面层分子储存有多余的自由能，即两相界面的自由表面能。
二、表面能和表面张力
假定在恒温，恒压和组成一定条件下，体系增加了A平方厘米新表面，外界所作的表面功为W，则体系自由能的增加量ΔG为：
ΔG＝－W，增加单位表面所做的功为ΔG/A＝－W/A＝σ
写成微分形式：σ＝αG/αA，表面能也称表面张力，单位达因/cm。
注意：
1、两相界面具有一定的厚度。
2、物理学上叫表面张力，热力学称为表面能。
3、表面张力是物质的一种特性，决定于特性组成，温度和压力。
4、提到某种物质的表面张力都应具体说明（如相的确切物质或代号慢什么，不加说明一般认为其中的一相为空气。
三、油－气、油－水的表面张力
表面张力不仅存在于液－气、液－液界面，在液－固、气－固、固－固界面上也同样存大。只是固体表面上的表面张力无法用实验方法进行测量。
1、油－气表面张力的性质
随着温度升高，表面张力σ降低，压力升高，σ也降低，并且与气体溶解主Rs有关。
2、油－水界面张力的性质
脱气后的油与水的表面张力σ与P、T无关，只与油、水物质组成有关。
地层油中溶解有一定天然气，P升高，Rs升高，T升高，Rs降低。天然气在水中溶解又远小于在油中的溶解度，这些性质支配着温度、压力对油－水表面张力的影响。
1）、当P＜Pb时，P升高，σ升高，是天然气在油水中差异溶解所致。
2）、当P＞Pb时，P升高，σ降低，没有天然气可溶解，P升高对液体压缩作用，油容易压缩。
四、吸附作用及其与表面张力的关系
吸附原理：物质表面上，由于分子力的不对称作用而存在一种过剩的表面自由能，而物质总是力图缩小其自由表面能，即表面张力，这种缩小趋势可以通过减小表面积来满足，也可以通过吸附其相邻物质的分子以减小其本身表面自由能，这就是吸附原理。
吸附作用：溶解于两相界面系统中的物质，自发的浓集于两相界面上，并急剧减小该界面层的表面张力，这种现象称之为吸附作用。
原油就其极性组成来讲，可以分两类：非极性的烷烃、环烷烃和芳香烃。另一类是极性的表面活性物质，如烃的O、S、N的化合物。表面活性物质能降低表面张力，这是由于这类物质的分子结构不对称。
五、储油气层表面上的吸附
1、储油气岩对油气的吸附
储油岩为固体，固体表面同样具有表面张力，因此吸附作用也存在，但由于结构复杂，不完全清楚。固体岩石表面的油气吸附层是很牢固的，且液体强于气体层。在油水共存的岩石孔隙中，水可以被吸附于孔隙内壁，形成一很牢固的吸附层，这一吸附层在一般压力不容易被清除，于是半径等于或小于吸附层厚度的孔隙将被这一吸附水膜所堵塞而失去含油的价值。换句话说，从吸附理念来考虑，吸附水膜厚度应当是含油孔隙喉道半径的下限值。半径大于该值的孔隙才是有效孔隙。
原油在岩石表面吸附程度取决于石油中极性物质含量。
2、油－水界面的吸附
油组成复杂，包括非极性烃类和极性表面活性物质。地层水中溶解大量无机盐。
1）油－水界面发生较强吸附作用，使表面张力σ降低，石油中表面活性物质，集于界面上引起的。
2）水中无机盐，为表面非活性物质，增加了水内部分子的吸引力，表面受力不均，引起σ升高。
六、表面张力测定
1）液滴法。2）吊板法。3）计算法。
第二节　油藏岩石润湿性和油水分布
一、两相液体对固体表面的选择性润湿
1、选择性润湿的概念
当多相液体与固体接触时，在表面分子作用下，某种物质自发地从固体表面驱走另外一种物质的现象叫选择性润湿。
润湿作用是指三相体系，其中一相为固体，另一相为液体，第三相为气体或液体。
2、润湿程度的度量
1）用润湿θ角度量
θ角：固体表面与流体－空气或液体－液界面之间夹角，并规定从密度大的液体一方算起。
2）用附着功
3、润湿反转
加入表面活性物质，其吸附于固体表面将使固体润湿性发生转化，称为润湿反转。
二、润湿滞后
1、定义：在固体表面倾斜情况下，液滴前进一端，发生润湿相排驱非润湿相，接触角θ1增大，在液滴另一端，发生非润湿相排驱润湿相，接触角θ2变小，出现θ1＞θ＞θ2情况，这种现象称之为润湿滞后。
2、影响因素
1）与三相周界移动方向有关，即润湿次序有关。
由润湿次序不同而引起的接触角变化称为静润湿滞后。
2）与三相周界的移动有关。
这种移动速度而引起的接触变化称之为动润湿滞后。
3）与固体表面的粗糙程度有关。
三、关于油藏岩润湿性
1、油藏岩石润湿的影响因素
1）岩石矿物的组成。
2）表面活性物质。
3）流体性质。
4）矿物表面粗糙程度。
2、油藏岩石润湿性看法
有两种看法：
1）岩石是亲油：油分布于岩石孔隙中，原油中含有极性物质。
2）岩石是亲水的：矿物多数是亲水的，水先于油同岩石接触。
现在认为岩石既有亲水的，也有亲油的，也可以是各种不同程度的中间润湿类型。
四、油水在岩石孔隙中分布
1、岩石表面润湿性影响
润湿相总是附着于颗粒表面，并力图占据水的孔隙。
2、液体饱和度大小的影响。
3、液体饱和度变化方向影响。
第三节　油藏岩石的毛管力
一、毛管力的概念
毛管力就是毛细管中弯曲液面所产生的附加压强平衡弯液面两侧压差的附加压力。它的大小等于毛管中液柱上升高度的液柱压力。其方向是朝弯曲液面的凹方向的。
二、任意曲面附加压力
1、任意曲面附加压力
2、毛管效应
毛管中有液珠、气泡存大时，给液体流动带来阻力现象叫毛管效应。
1）毛管中有静止珠泡的阻力。
2）液滴在毛管中运动的附加阻力。
3）珠泡在窄口处遇阻所引起的阻力。
三、毛管压力曲线
1、定义：油藏岩石毛管力Pc和湿相饱和度之间关系曲线称为毛管压力曲线。
2、测定方法原理
1）常压隔板法。2）压汞法。3）退汞毛管压力曲法。
3、毛管压力曲线分析
1）曲线最小压力PT为阀压，与岩样最大连通孔径相对应。
2）最小湿相饱各度。
3）毛管压力中值。
4）毛管压力曲线的斜度。
5）毛管压力曲线的度。
四、毛管压力曲线的应用
1）岩石中束缚水的含量
2）岩石中最大连通孔隙半径
3）判断岩石孔隙均匀及分布特征
4）确定岩石的润湿性：湿润指数
5）研究原油的率
6）研究油水过渡带
第四节 相对渗透率
一、相渗透率与绝对渗透率
二、相对渗透率与流体饱和度
1、典型相对渗透率曲线的一般特征
相对渗透率和含水饱和度的关系曲线，即为相对渗透率曲线
1）D是油水等相对渗透率曲线点。即Krw=Kro，此点处Krw＋Kro值最小。
2）E：Krw曲线站点端点，且交于饱和度Swi我，共存水饱和度束缚水饱和度，称为不能流动最低饱和度Swi称为不能再减小饱和度，表示水不能参与流动的最高饱和度。
3）F：Kro曲线端点，Sor称为残油饱和度
4）两条曲线：Kro 和Krw
5）三个区. A区：办有油流支，水不参与流动，毛管效应法
B区：油水均参与流动
C区：水流动，油不参与流动
2、润湿性不同岩石的Kr曲线特征
1）强亲水岩石，油水相对渗透率交点的含水饱和度>50%，而强亲油岩石 <50%
2）亲水岩石油水相对渗透率曲线共存水饱和度一般大于20%，亲油岩石<15%
3）亲水岩石油水相对渗透率曲线在最大水饱和度时，水的相对渗透率一般小于30%
3、孔隙结构
4、过程水Kr
第四章 提高油藏采收率的机理
第一节 油气在油层中排驱能量和排驱方式
一、排驱油气的能量
1、岩石和流体所具有的弹性能
2、油气藏边水和底水能量
3、天然气弹性能
1）气顶气能量 2）溶解气驱动
4、原油自身重力能
二、排驱方式
1、水压驱动 。 Q与P比较稳定
在天然边水或讴水能量以及人工注水方式作用下，将油气排向井底的驱动方式称为水压驱动。
2、气压驱动
1）气顶气驱动：油层上部游离气顶气体积膨胀排驱石油。
2）溶解气驱：P<Pb天然气脱离出来驱油。
3、其它驱动方式
1）弹性驱动：流体和岩石的弹性能量。
2）重力驱动：如图，流体重力作用流向井底。
三、影响油藏采收率的因素
1、决定油藏采收率因素
1）注入流体在油藏中波及程度，称波及系数。
2）注入流体在油藏岩石洗油程度。
洗油效率y2：注入流体从所波及油层中驱出油量与所波及油层中原油体积的比。
2、影响因素
1）流度比影响
2）岩石客观非均质性
a、方向上非均质性。
b、剖面上非均质性。
c、裂逢。
第二节 提高油藏采收率三大方法
一、化学驱油法(注进水驱)
1、概念：在注水中加入某种化学试剂，依靠化学试剂改变水的性质，而提高采收率的方法。
2、主要类型：增粘水驱，活性水驱，碱驱。
1）增粘水驱
使用增粘剂(聚合物)溶于水中来增加注水粘度的一种水驱方法。
2）碱驱
注入NaOH水溶液，从而油藏发生酸碱反应，产生界面活性物质，改变油藏岩石的表面润湿性或降低界面张力，提高采收率。
3）活性剂驱
使用低浓度界面活性剂水溶液来把油藏岩石孔隙中残余油驱出来的方式。
洗涤原理：活性剂油层中的水界面张力减小，从而将残油驱出。
二、混相驱油法
1）混相：互溶状态，不存在两相界面
混相剂：在地下能与地层油混相的物质。
混相驱：用混相剂作为驱油的方法。
2）类型：液化石油气驱，富气驱，高压干气驱，CO2驱，N2驱。
三、热力采油
往油层中注热，提高油藏的能量。
油层就地燃烧法。
注入热流体：蒸气驱油，蒸气呑吐。