油藏物理 第八章

1、油藏物理课程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0 第八章 储层岩石中的界面现象与润湿性0 第九章 储层多孔介质中的毛细管压力及毛细管压力曲线0 第十章 孔隙介质中多相渗流特性与相对渗透率曲

2、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 u相界面：互不相溶的两相之间的接触面u表 面：两相中有一相为气相的界面u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l 界面能依存于两相界面l 界面能分布于整个界面层l 界面能与界面面积成正比l 界面能的大小与两相

3、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UU分子极性相近，F净小，Us小l 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AUsmNmmNmJ22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322131.231213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

4、. 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l 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 物质物质 正己烷正己烷 乙醚乙醚 正辛烷正辛烷 四氯化碳四氯化碳 邻二甲苯邻二甲苯 表面张力表面张力(20(20,mN/m),mN/m) 1818. .4 4 1717. .0 0 2121. .8 8 2626. .9 9 3030. .3 3 物质物质 苯苯 三氯甲烷三氯甲烷 二氯乙烷二氯乙烷 二硫化碳二硫化碳 甲苯甲苯 表面张力表面张力(20(20,mN/m),mN/m) 2929. .0 0 2828. .5 5

5、 3232. .5 5 7373. .2 2 3232. .8585 a b 二、界面张力l 物质的相态，如气液界面大于液液界面 第第 一一 相相 水水 银银 水水 银银 水水 银银 水水 水水 水水 水水 第第 二二 相相 空空 气气 酒酒 精精 苯苯 空空 气气 苯苯 正正 辛辛 醇醇 丁丁 醇醇 界界 面面 张张 力力 ( (2 20 0 , , m m N N / / m m ) ) 4 48 86 6. .5 5 3 3 6 6 4 4 3 3 5 5 7 7 . . 2 2 7 7 2 2 . . 9 9 3 3 5 5 . . 0 0 8 8 . . 5 5 1 1 . . 7

6、7 6 6 l 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l 温度、压力、溶解气油比的影响：u 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。 206080二、界面张力u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 P1-原油与空气；2-原油与天然气；3- 原油与CO2；4-汽油与CO2 u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

7、. 油气间的界面张力l P、T的影响 地层油气 地面油气 pTl 油气性质的影响油气之间分子极性差异OairOCCOOCOgasoline122OairOCCOOCOgasoline122DDDDO)(airO)(C)CO(O)CO(gasoline122ssssRRRR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l 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 PT 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

8、. 油水间的界面张力l P 、T的影响u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 PPb：P PRS(o-g) RS(w-g)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 PPb：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)u饱和原油(溶解气)与水间的l P 、T的影响三、油藏流体间的界面张力l 油、水性质的影响 油中轻烃、o、o极性差 水矿化度极性差l

9、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ow0.4g/cm3， 较高(1-102mN/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/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 l 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-wl 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

10、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l 物理吸附l 化学吸附 3. 界面吸附的机理l 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。l 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l

11、液体表面吸附：遵循吉布斯等温吸附方程：TCCRTG)(1G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)(GCT0,0)(GCT4、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)TCCRTG)(1第二节 界面吸附现象l 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

12、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bpbpVV1一定量吸附剂上气体吸附质的摩尔数一定量吸附剂所能吸附气体最大摩尔数吸附系数u 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u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

13、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bcbc1l 存在边界层l 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l 吸附层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0 第一节第一节 油藏流体的界面张力油藏流体的界面张力1第二节第二节 油藏岩石的润湿性和油水分布油藏岩石的润湿性和油水分布0 第三节第三节 油藏岩石的毛

14、管力油藏岩石的毛管力0 第四节第四节 饱和多相流体的渗流特征饱和多相流体的渗流特征0 第五节第五节 微观渗流机理微观渗流机理第二章第二章 饱和多相流体的油藏岩石的渗流特性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 l 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l 研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02468100246810 BY Axis TitleX axis title ( 润湿 不润湿润湿时总是指三相体系，一相为固体，另

15、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02468100246810 BY Axis TitleX axis title ( 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）Woil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： cos2

16、 . 13 . 13 . 2Acos2 . 13 . 13 . 2A附着张力或润湿张力3 . 13 . 2岩石亲水3 . 13 . 2岩石亲油润湿的实质：固体表面能减小润湿的规律：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l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-Rl 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

17、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l 前进角 1：湿相驱替非湿相形成的接触角l 后退角 2：非湿相驱替湿相形成的接触角l 接触角间关系： 1 2l 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l 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。l 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

18、三相周界移动速度引起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v1v2 2 3三、润湿滞后原因：驱替压差（速度）l 特点： 1、 2随P 而变化： P 1, 2滞后程度l 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l微观上，岩石润湿性f(表面矿物、流体组成、优先润湿相润湿性)高度非均质；l宏观上，储层润湿性

19、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)l混合润湿：大孔隙油湿，小孔隙水湿l水湿：岩石孔道表面被薄层水膜覆盖l油湿：岩石孔道表面被薄层油膜覆盖l中等润湿：油水界面与孔道表面存在明显接触角l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”l一个具体油气藏，润湿性一般为混合润湿，只能认为偏亲水或偏亲油。一般认为Swi 高的区域表现出水湿；Swi 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

20、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？l储层岩石润湿性l流体饱和度的大小l饱和度变化的方向u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l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l 水湿岩石：水分布于大孔表面(水膜)和小孔中，油成孤滴状。l 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u 流体饱和度大小的影响五、油水在岩石孔

21、隙中的分布 水湿岩石lSW低，润湿相水粘附于颗粒表面, 成环状分布,不流动；相应的SO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lSW中，油水为迂回状分布，在一定外压下，油水可以同时流动lSW高，油成孤滴状分布，水成迂回状连续分布l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布u 饱和度变化方向的影响注水时油水的分布情况为例l 亲油油层注水： 非湿相驱替湿相的过程驱替过程l 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l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

22、很细的连通喉道，有少部分的油被水分割成孤立的油滴u 注水时油水的分布五、油水在岩石孔隙中的分布l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u 注水时油水的分布五、油水在岩石孔隙中的分布l 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u 注水时油水的分布五、油水在岩石孔隙中的分布l 水湿岩石：孤立的油滴、油珠等形式存在(位于孔道的中

23、心)l 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u 水驱后残余油分布五、油水在岩石孔隙中的分布2. 润湿性决定孔道中毛管力的大小和方向u 毛管力Pc的方向l亲水毛管，PC与注水驱替压差 P方向一致，是动力l亲油毛管，Pc与注水驱替压差 P方向相反，是阻力llPc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u 毛管力Pc的大小 润湿性与界面张力、毛管半径决定了pc的大小和方向。 rpCcos2五、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l 开

24、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 l 注水后：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l 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：l 直接法 接触角法l 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