饱和多相流体的油藏岩石的渗流特性

1、第三章第三章 饱和多相流体的油藏岩石饱和多相流体的油藏岩石的渗流特性的渗流特性第一节第一节 油藏流体的界面张力油藏流体的界面张力一、一、 两相界面的界面能两相界面的界面能分子力场不平衡而使表分子力场不平衡而使表面层分子储存有多余的面层分子储存有多余的能量，称为两相界面的能量，称为两相界面的界面能界面能(或表面能或表面能)。界面能的性质：界面能的性质：(1)界面能依存于两相界面界面能依存于两相界面；(2)(2)界面能分布于整个界面层界面能分布于整个界面层；(3)界面越大，界面能也就越大界面越大，界面能也就越大；(4)两相界面层界面能的大小和两相分子的极性有关两相界面层界面能的大小和两相分子的极性

2、有关；(5)(5)两相界面的界面能和物质的相态有关系两相界面的界面能和物质的相态有关系。热力学第二定律：任何界面能都有趋于最小的趋势。热力学第二定律：任何界面能都有趋于最小的趋势。两相分子极性差越大，界面的界面能越大，反之越小。两相分子极性差越大，界面的界面能越大，反之越小。液液- -气界面的界面能一般比液气界面的界面能一般比液- -液界面的界面能要大液界面的界面能要大( (有的比液有的比液- -液界面的界面能小液界面的界面能小) )，固相的表面能更大。，固相的表面能更大。二、二、 比界面能和界面张力比界面能和界面张力单位面积界面上具有的界面能数值表示两相界单位面积界面上具有的界面能数值表示两

3、相界面的界面能大小，称为面的界面能大小，称为比界面能比界面能。U Us s 两相界面的界面能，两相界面的界面能，J(J(焦耳焦耳) )；A A 界面面积，界面面积，m m2 2；比界面能，比界面能，J/m2。AUsJ/m2=Nm/m2=N/m比界面能可看作是作用于单位界面长度上的力，称比界面能可看作是作用于单位界面长度上的力，称界面张力界面张力。只有在三相只有在三相周界上才有周界上才有1.1.概念概念v界面张力的界面张力的方向方向，若界面为平面则在界面，若界面为平面则在界面上，若界面为曲面，则在界面切线上，方向上，若界面为曲面，则在界面切线上，方向指向指向使界面收缩的方向。使界面收缩的方向。v

4、两相界面张力的两相界面张力的大小大小等于其比界面能。等于其比界面能。v界面张力的界面张力的作用点作用点为三相周界的接触点。为三相周界的接触点。322131，2.界面张力的影响因素界面张力的影响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。界面张力产生的根本原因是界面层中分子的净吸引力。不同的物质，界面张力不同；不同的物质，界面张力不同；32.8573.232.528.529.0界面张力界面张力(mN/m)甲苯甲苯二硫化碳二硫化碳二氯乙烷二氯乙烷三氯甲烷三氯甲烷苯苯物质物质30.326.921.817.018.4界面张力界面张力(mN/m)邻二甲苯邻二甲苯四氯化碳四氯化碳正辛烷正辛烷乙醚乙

5、醚正己烷正己烷物质物质表表3.1.1 不同液体在室温条件下不同液体在室温条件下(20 )与空气接触时的界面张力与空气接触时的界面张力与物质的相态有关；与物质的相态有关；一般气液界面的界面张力比液液界面大。一般气液界面的界面张力比液液界面大。1.768.535.072.9357.2364.0486.5界面张力界面张力(mN/m)丁醇丁醇正辛醇正辛醇苯苯空气空气苯苯酒精酒精空气空气第一相第一相水水水水水水水水水银水银水银水银水银水银第一相第一相表表3.1.2 水、水银与不同物质接触时的界面张力水、水银与不同物质接触时的界面张力与物质的极性有关；与物质的极性有关；与温度有关；与温度有关；两相分子的极

6、性越相近，两相分子间的引力越大，两相分子的极性越相近，两相分子间的引力越大，界面张力越小，甚至发生互溶。界面张力越小，甚至发生互溶。一方面一方面：温度升高，增大了液体分子间的距离，：温度升高，增大了液体分子间的距离，使液相分子间的引力减少；使液相分子间的引力减少；另一方面另一方面：增加了液体的蒸发，加大了蒸气的密：增加了液体的蒸发，加大了蒸气的密度，使气相与液相间的引力增加。度，使气相与液相间的引力增加。两者两者都使界面层内分子所受到的指向相内部的都使界面层内分子所受到的指向相内部的净净引力减小引力减小。温度升高，界面张力降低。温度升高，界面张力降低。与压力有关；与压力有关；压力升高压力升高：

7、气相分子间距离减小，增大了与液相分子：气相分子间距离减小，增大了与液相分子间的引力；气体在液体中的溶解度增加，液体密度减间的引力；气体在液体中的溶解度增加，液体密度减小，分子间引力减少。小，分子间引力减少。两者两者都使界面层内分子所受的都使界面层内分子所受的指向相内部的指向相内部的净引力减小净引力减小。压力升高，界面张力降低。压力升高，界面张力降低。与溶解气有关；与溶解气有关；随压力升高原油随压力升高原油-CO2的表面张力比原油的表面张力比原油-天然气的表面天然气的表面张力的降低较大，比原油张力的降低较大，比原油-空气的表面张力的降低更大。空气的表面张力的降低更大。这是因为这是因为CO2比天然

8、气更易溶解于原油，天然气比空比天然气更易溶解于原油，天然气比空气易溶于原油的缘故。气易溶于原油的缘故。气体溶解度增加，界面张力减小。气体溶解度增加，界面张力减小。3.油藏流体间的界面张力存在：油油-水、油水、油-气、水气、水-气气油、气、水与岩石的界面油、气、水与岩石的界面 流体在岩石孔隙中的分布流体在岩石孔隙中的分布孔隙中毛管力的大小孔隙中毛管力的大小流体的渗流流体的渗流 （1 1）油气界面油气界面随温度、压力及油中溶解气量的增加，油气界面张力降低随温度、压力及油中溶解气量的增加，油气界面张力降低油气界面的界面张力很小（远小于地面脱气原油的表面张力）油气界面的界面张力很小（远小于地面脱气原油

9、的表面张力） 高温，高压高温，高压溶有大量的天然气溶有大量的天然气 原油中纯烃原油中纯烃(包括饱和烷烃与不饱和烷烃包括饱和烷烃与不饱和烷烃)与气体的界面与气体的界面张力随温度的升高而降低，随分子量的增加而增加，这张力随温度的升高而降低，随分子量的增加而增加，这是因为分子量增加，分子间作用力增强的缘故。是因为分子量增加，分子间作用力增强的缘故。 （2 2）油水界面油水界面影响因素影响因素：油、水性质及温度、压力和溶解气量油、水性质及温度、压力和溶解气量非极性物质非极性物质：原油中的烷烃、环烷烃和芳香烃等：原油中的烷烃、环烷烃和芳香烃等极性的表面活性物质极性的表面活性物质：烃类的氧、硫、氮化物：烃

10、类的氧、硫、氮化物（环烷酸、胶质、沥青质等）（环烷酸、胶质、沥青质等）原油原油水水： 极性物质极性物质油水界面张力油水界面张力 原油中烃类分子的大小及活性物质的多少原油中烃类分子的大小及活性物质的多少无溶解气的无溶解气的纯油水系统纯油水系统的界面张力的界面张力 v卡佳霍夫卡佳霍夫(1956年年) ：没有影响：没有影响温度和压力温度和压力因为增加温度和提高压力将同时改变油水各自的分因为增加温度和提高压力将同时改变油水各自的分子间作用力，它们之间的差值仍可能保持不变，因子间作用力，它们之间的差值仍可能保持不变，因此界面张力不变。此界面张力不变。v更多的研究认为更多的研究认为 ：温度对油水界面张力的

11、影响温度对油水界面张力的影响比较明显，比较明显，温度升高，油水界面张力降低温度升高，油水界面张力降低；压力对；压力对油水界面张力也有影响，但影响较小，随油水界面张力也有影响，但影响较小，随压力升高压力升高一般略有升高，但有时还可能略有降低一般略有升高，但有时还可能略有降低，这主要取，这主要取决于油水的组成及压缩性。决于油水的组成及压缩性。 有溶解气的有溶解气的纯油水系统纯油水系统的界面张力的界面张力 v当压力低于泡点压力时，压力升高，界面张当压力低于泡点压力时，压力升高，界面张力增大；力增大；因为天然气在原油中的溶解量远大于在水中因为天然气在原油中的溶解量远大于在水中的溶解量，使油水极性差别增

12、大造成的；的溶解量，使油水极性差别增大造成的；当压力高于当压力高于泡点压力时，增加压力油水界面张力减小泡点压力时，增加压力油水界面张力减小，因因为天然气已全部溶于液体，压力上升使油的压缩，因此为天然气已全部溶于液体，压力上升使油的压缩，因此油相分子间作用力增加，油水分子间作用力增加，使油油相分子间作用力增加，油水分子间作用力增加，使油水界面张力降低。水界面张力降低。v温度对油水界面张力的影响一般是温度对油水界面张力的影响一般是温度升高，温度升高，界面张力减小界面张力减小，因为油中溶解的气量减小，油，因为油中溶解的气量减小，油水极性差减小。水极性差减小。 三、三、 吸附作用吸附作用两相界面层的分

13、子受力不平衡，因此存在界面能。物两相界面层的分子受力不平衡，因此存在界面能。物质总有使其界面能趋于最小的趋势。这种趋势表现为质总有使其界面能趋于最小的趋势。这种趋势表现为界面面积减小，也可通过吸附与其相邻的物质分子来界面面积减小，也可通过吸附与其相邻的物质分子来实现，后者是实现，后者是吸附吸附的原理。的原理。1 1、液体界面的吸附液体界面的吸附极性端朝向水而非极性端朝向空气，极性端朝向水而非极性端朝向空气，使空气对表面上分子的引力增加，使空气对表面上分子的引力增加，空气与水之间的极性差减小，从而空气与水之间的极性差减小，从而使界面张力减小。使界面张力减小。若溶质在两相界面上的吸附符合若溶质在两

14、相界面上的吸附符合“极性均衡极性均衡”原则，即：原则，即：极性极性A极性极性C极性极性B，则，则C为吸附在为吸附在A、B两相界面层的两相界面层的物质，使物质，使界面张力减小界面张力减小。反之，。反之，C沉于沉于A或者或者B相内部，界相内部，界面张力增加。面张力增加。水中溶有某些无机盐水中溶有某些无机盐，如，如NaCl、MgCl2、CaCl2等等(其极性其极性大于水大于水)，因为盐在水相内部的浓度大于在表面上的浓度，因为盐在水相内部的浓度大于在表面上的浓度，所以所以水的表面张力增加水的表面张力增加。水中溶有醇、酸等有机物质水中溶有醇、酸等有机物质(其极性界于水、空气之间其极性界于水、空气之间)，

15、因为溶质在水表面的浓度大于水相内部的浓度，所以因为溶质在水表面的浓度大于水相内部的浓度，所以水的水的表面张力降低表面张力降低；溶解于两相界面系统中的物质，自发地浓集于两相溶解于两相界面系统中的物质，自发地浓集于两相界面上并极巨减小该界面层的表面张力的这种过程界面上并极巨减小该界面层的表面张力的这种过程称之为称之为“ 吸附吸附”，被吸附的物质叫做，被吸附的物质叫做“ 表面活性表面活性剂剂”。吉布斯吉布斯(Gibbs)(Gibbs)吸附等温式：吸附等温式：dCdCRTG1 G G 吸附量，单位面积界面层中多余的溶质摩尔数，亦称为吸附量，单位面积界面层中多余的溶质摩尔数，亦称为比吸附比吸附； C C

16、 溶质的浓度溶质的浓度,mg/L,mg/L； 界面张力界面张力,mN/m,mN/m； T T、R R分别为绝对温度和通用气体常数；分别为绝对温度和通用气体常数； -界面张力随溶质浓度的变化率。界面张力随溶质浓度的变化率。dCd则表明则表明没有吸附没有吸附发生。发生。它表示界面张力随溶质浓度的增加而降低，它表示界面张力随溶质浓度的增加而降低，溶质为溶质为表面活性物质表面活性物质。它表明界面张力随溶质浓度的增加而增加，它表明界面张力随溶质浓度的增加而增加，此时溶质为此时溶质为非表面活性剂非表面活性剂。若若 =0，dCd若若 0 0，则比吸附，则比吸附G G0 0，称为，称为负吸附负吸附；dCd若若

17、 0 0，则比吸附，则比吸附G G0 0，称为，称为正吸附正吸附；dCd溶解于两相界面系统中的物质，自发地浓集于溶解于两相界面系统中的物质，自发地浓集于两相界面上并极巨减小该界面层的表面张力的两相界面上并极巨减小该界面层的表面张力的这种过程称之为这种过程称之为“ 吸附吸附” 。2 2、固体界面的吸附、固体界面的吸附(4)(4)吸附量与被吸附物质的浓度成正比，浓度越大，吸附量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。压力的升高而增大。(1)(1)固体表面对被吸附物质的吸

18、附量固体表面对被吸附物质的吸附量( (一般用单位质量的固一般用单位质量的固体的吸附量表示体的吸附量表示) )随着吸附界面面积的增大而增加；随着吸附界面面积的增大而增加；(2)(2)固体表面是凹凸不平的，表面物质成分也不均一，不同固体表面是凹凸不平的，表面物质成分也不均一，不同的成分具有不同的吸附性能，所以固体的吸附具有选择性。的成分具有不同的吸附性能，所以固体的吸附具有选择性。(3)(3)吸附是放热的，所以升高温度，吸附量降低。吸附是放热的，所以升高温度，吸附量降低。但有的体系，温度升高溶质的溶解度降低，使溶质在固但有的体系，温度升高溶质的溶解度降低，使溶质在固体表面的吸附量增加，此时，若溶解

19、度降低超过了温度体表面的吸附量增加，此时，若溶解度降低超过了温度对吸附量的影响时，吸附量将随温度的增加而增大；对吸附量的影响时，吸附量将随温度的增加而增大；气体在固体表面上的吸附量可用兰格缪气体在固体表面上的吸附量可用兰格缪(Langmuir)吸附等吸附等温式表示：温式表示： bP1bPVV式中式中 V单位质量固体吸附剂吸附的气体的克分子数，单位质量固体吸附剂吸附的气体的克分子数，mol/g; V单位质量固体吸附剂所能吸附的气体的最大克分子数，单位质量固体吸附剂所能吸附的气体的最大克分子数，mol/g; P气体的压力，气体的压力，MPa； b吸附常数。吸附常数。液体溶质在固体表面上的吸附可用兰

20、格缪液体溶质在固体表面上的吸附可用兰格缪(langmuir)的吸的吸附等温式，附等温式， b1bC式中式中 吸附量，吸附量，mol/(g吸附剂吸附剂)； 饱和吸附量饱和吸附量(即即1克吸附剂当表面盖满一层时所能吸附的溶质的克分子克吸附剂当表面盖满一层时所能吸附的溶质的克分子数数)，mol/g; C溶质浓度，溶质浓度，mol/L； b吸附系数，其数值与温度、溶质和溶剂的性质有关。吸附系数，其数值与温度、溶质和溶剂的性质有关。通常情况下，液体成分比气体复杂。通常情况下，液体成分比气体复杂。液体中常溶有其它物质液体中常溶有其它物质水中常溶有各种盐类水中常溶有各种盐类石油是一种多成分的混合物石油是一种

21、多成分的混合物固体表面吸附溶剂、溶质固体表面吸附溶剂、溶质极性吸附剂容易吸附极性物质极性吸附剂容易吸附极性物质非极性吸附剂容易吸附非极性物质非极性吸附剂容易吸附非极性物质对不同物质的吸附能力是不同的对不同物质的吸附能力是不同的 遵循遵循“极性相近原则极性相近原则”油藏岩石表面的吸附现象油藏岩石表面的吸附现象组成岩石的矿物多是极性的组成岩石的矿物多是极性的v水水是一种极性很强的液体是一种极性很强的液体水易被岩石所吸附水易被岩石所吸附在孔隙内壁形成一牢固的吸附层在孔隙内壁形成一牢固的吸附层在半径小于或等于吸附层厚度在半径小于或等于吸附层厚度的孔隙中油气很难进入的孔隙中油气很难进入只有半径大于吸附层

22、厚度的孔隙只有半径大于吸附层厚度的孔隙才能储集油气，才是有效孔隙才能储集油气，才是有效孔隙v油油是一种多组分的混合物是一种多组分的混合物油在岩石表面的吸附取决于石油中油在岩石表面的吸附取决于石油中所含极性物质的多少，同时也受岩所含极性物质的多少，同时也受岩石成分、温度、压力等因素的影响。石成分、温度、压力等因素的影响。 油不易被岩石吸附油不易被岩石吸附石油中的各种烃类为非极性物质石油中的各种烃类为非极性物质 油中各种烃的氧、硫、氮油中各种烃的氧、硫、氮化合物具有极性结构化合物具有极性结构可以被岩石表面所吸附可以被岩石表面所吸附润湿现象润湿现象: :干净的玻璃板上滴一滴水银干净的玻璃板上滴一滴水

23、银水银聚拢形成球状水银聚拢形成球状干净的玻璃板上滴一滴水干净的玻璃板上滴一滴水水迅速散成薄薄的一层水迅速散成薄薄的一层在铜片上滴一滴水银在铜片上滴一滴水银水银呈馒头状水银呈馒头状第二节第二节 油藏岩石润湿性油藏岩石润湿性和油水微观分布和油水微观分布一、岩石的润湿性一、岩石的润湿性1 1、润湿的定义、润湿的定义液体在表面分子力作用下在固体表面的流散现象。液体在表面分子力作用下在固体表面的流散现象。2 2、衡量润湿性的参数、衡量润湿性的参数润湿角润湿角过气液固或液液固过气液固或液液固三相交点对液滴表三相交点对液滴表面所作的切线与液面所作的切线与液固表面所夹的角。固表面所夹的角。油水对固体表面的润湿

24、平衡油水对固体表面的润湿平衡1水水 2油油 3固体固体( (从极性大的一端算起从极性大的一端算起) )定义润湿润湿是指三相体系：一相为是指三相体系：一相为固体固体, ,另一相为另一相为液体液体, ,第三相为第三相为气体或另一种液体气体或另一种液体。液体是否润湿固体液体是否润湿固体, ,总是相对于另一相气体总是相对于另一相气体( (或液体或液体) )而言的。而言的。3 3、润湿性的判断、润湿性的判断909090岩石表面岩石表面亲油亲油0 0岩石表面岩石表面完全水湿完全水湿岩石表面岩石表面完全油湿完全油湿=180=180理论标准实际标准85858585 100 1001000 0=180=180岩

25、石润湿性213132arccos，cos213132，3固体固体1水水 2油油油水对固体表面的润湿平衡油水对固体表面的润湿平衡Acos2, 13 , 13 , 2润湿张力或润湿张力或附着张力附着张力若若1.3, ,则则A A0,0,9090, ,水对固体表面选择性润湿。水对固体表面选择性润湿。凡是能使固体界面能减小的液体将润湿固体表面。凡是能使固体界面能减小的液体将润湿固体表面。4 4、润湿性的实质、润湿性的实质润湿的润湿的实质实质是是固体界面能的减小固体界面能的减小。润湿反转程度既与固体表面性质和活性剂的性质有关，又和润湿反转程度既与固体表面性质和活性剂的性质有关，又和活性

26、剂的浓度有关。活性剂的浓度有关。由于表面活性剂的吸附，使固体表面的润湿性由于表面活性剂的吸附，使固体表面的润湿性发生改变的现象发生改变的现象。润湿反转润湿反转二、二、 储层岩石的润湿性及其影响因素储层岩石的润湿性及其影响因素既有既有亲水亲水油藏油藏,也有也有亲油亲油油藏油藏,还有各种不同程度的还有各种不同程度的中性中性润湿油藏。润湿油藏。固体表面的润湿性主要取决于固体和液体的性质。固体表面的润湿性主要取决于固体和液体的性质。影响因素：影响因素：(1)(1)岩石的矿物组成岩石的矿物组成(2)油藏流体组成油藏流体组成(3)石油中的极性物质石油中的极性物质(4)矿物表面粗糙度矿物表面粗糙度三、润湿滞

27、后三、润湿滞后在两相驱替过程中出现在两相驱替过程中出现润湿滞后润湿滞后：指由于三相周界沿固体表面移动的：指由于三相周界沿固体表面移动的迟缓而产生润湿角改变的现象。迟缓而产生润湿角改变的现象。水驱油的润湿角水驱油的润湿角1油驱水的润湿角油驱水的润湿角2前进角前进角后退角后退角=1-2润湿滞后的严重程度润湿滞后的严重程度静润湿滞后静润湿滞后动润湿滞后动润湿滞后根据根据引起引起润湿滞后的润湿滞后的原因原因不同不同润湿角的改变与三种因素有关：润湿角的改变与三种因素有关：(1)(1)与三相周界的移动方向有关与三相周界的移动方向有关由于由于润湿次序不同润湿次序不同而而引起的润湿角改变的引起的润湿角改变的现

28、象称为现象称为静润湿滞后静润湿滞后。(2)(2)与三相周界的移动速度有关与三相周界的移动速度有关由于由于三相周界移动速度三相周界移动速度变化变化引起的润湿角改变引起的润湿角改变的现象称为的现象称为动润湿滞后动润湿滞后。(3)(3)固体表面的粗糙度和活性物质的吸附固体表面的粗糙度和活性物质的吸附粗糙的矿物表面粗糙的矿物表面和和有活性剂吸附的表有活性剂吸附的表面面对三相周界的移对三相周界的移动影响很大，动影响很大，使滞使滞后现象加重后现象加重。四、界面张力及润湿角的测定四、界面张力及润湿角的测定界面张力界面张力油藏岩石润湿性油藏岩石润湿性v毛细管上升法毛细管上升法v悬滴法悬滴法v旋转液滴法旋转液滴

29、法v液滴（气泡）最大压力法液滴（气泡）最大压力法v液滴质量（或体积）法液滴质量（或体积）法v吊板法吊板法v直接测定法直接测定法测润湿角测润湿角光学投影法光学投影法吊板法吊板法v间接测定法间接测定法自吸吸入法自吸吸入法自吸离心法自吸离心法自吸驱替法自吸驱替法211oooVVV离心吸水排油量离心吸水排油量自动吸水排油量自动吸水排油量自动吸水排油量自动吸水排油量水湿指数水湿指数211wwwVVV离心吸油排水量离心吸油排水量自动吸油排水量自动吸油排水量自动吸油排水量自动吸油排水量油湿指数油湿指数0.30.400.2水湿指数水湿指数0两指数接两指数接近近0.70.6

30、10.8油湿指数油湿指数亲水亲水弱亲水弱亲水中性中性弱亲油弱亲油亲油亲油润湿性润湿性润湿指数润湿指数由润湿指数评价岩石的润湿性由润湿指数评价岩石的润湿性五、油水在岩石孔道中的微观分布五、油水在岩石孔道中的微观分布1 1、亲水岩石中的油水分布、亲水岩石中的油水分布(a) 当当含水饱和度很低含水饱和度很低时时,水附着于颗粒表面，围绕颗粒水附着于颗粒表面，围绕颗粒接触处形成水环接触处形成水环,称之为称之为“环状分布环状分布”。(b) 当当含水饱和度增加含水饱和度增加时时,水环的大小也随之增加水环的大小也随之增加,直至增直至增到水环彼此连通起来到水环彼此连通起来,成为成为“迂回状迂回状”分布，分布，参

31、于流动参于流动。 (c) 随随含水饱和度的进一步增加含水饱和度的进一步增加,最终最终油油则失去连续性则失去连续性而破裂成油珠而破裂成油珠,称为称为“孤滴状孤滴状”分布分布,油滴虽然靠水流油滴虽然靠水流能将其带走能将其带走,但它很容易遇到狭窄的孔隙喉道而被卡住但它很容易遇到狭窄的孔隙喉道而被卡住,形成形成对液流的阻力对液流的阻力。湿相驱替非湿相的过程称为湿相驱替非湿相的过程称为“吸吮过程吸吮过程。”2 2、亲油岩石中的油水分布、亲油岩石中的油水分布非湿相驱替湿相的过程称为非湿相驱替湿相的过程称为“驱替过程驱替过程。”(a)含水饱和度较低时：油分布在岩石表面，水首先沿着含水饱和度较低时：油分布在岩

32、石表面，水首先沿着大孔道形成曲折迂回的连续水流渠道大孔道形成曲折迂回的连续水流渠道,而油只是在水流的而油只是在水流的摩擦携带作用下沿孔隙壁面流动；摩擦携带作用下沿孔隙壁面流动；(b)当继续注水时当继续注水时,水逐渐进入较小的孔道水逐渐进入较小的孔道,并使这些小孔道并使这些小孔道串联起来形成另外一些水流渠道；串联起来形成另外一些水流渠道；(c)当形成的水流渠道多得几乎使水畅通地渗流时当形成的水流渠道多得几乎使水畅通地渗流时,油实际油实际上已被憋死上已被憋死,残余的油停留在一些小孔道内及在水流通道残余的油停留在一些小孔道内及在水流通道的固体表面上以油膜形式存在。的固体表面上以油膜形式存在。 注水开

33、发油田注水开发油田亲水岩石亲水岩石: :亲油岩石亲油岩石: :位于孔道中间的油很容易被驱替出，水驱结束后位于孔道中间的油很容易被驱替出，水驱结束后孔隙空间只剩下被分割的油滴。孔隙空间只剩下被分割的油滴。位于岩石颗粒表面和微孔隙中的油很难驱替出来。位于岩石颗粒表面和微孔隙中的油很难驱替出来。亲水亲水岩石的水驱采收率岩石的水驱采收率大于大于亲油亲油岩石的水驱采收率。岩石的水驱采收率。同样条件下同样条件下第三节 油藏岩石的毛管力一、弯液面在毛细管中上升的现象rghPowccos22 . 1毛管力水在毛细管内上升至一定高度水在毛细管内上升至一定高度h，是毛细管管壁对水，是毛细管管壁对水的附着张力与毛细

34、管中液柱的重力平衡的结果。的附着张力与毛细管中液柱的重力平衡的结果。（1 1）由）由表面张力表面张力推导毛管力公式推导毛管力公式1. 1. 玻璃毛细管和水玻璃毛细管和水- -气系统气系统 作用于三相周界上的各个界面张力之间的关系：作用于三相周界上的各个界面张力之间的关系： cos2 . 13 . 13 . 2 附着张力附着张力A Aghrr 22 . 1cos2 则：则：附着张力是固体对水柱产生的作用于单位长度三相周界上附着张力是固体对水柱产生的作用于单位长度三相周界上的拉力的拉力,其大小等于水的表面张力在垂直方向的分力。其大小等于水的表面张力在垂直方向的分力。 grh cos22 . 1 g

35、hr cos22 . 1（2 2）由）由流体力学流体力学推导毛管力公式推导毛管力公式设设：弯液面内侧弯液面内侧B点压力为点压力为PB；弯液面外侧的；弯液面外侧的B点压力为点压力为PB；水面上水面上A点压力为点压力为PA，毛细管中，毛细管中A点的压力为点的压力为PA；根据根据U形管原理：形管原理：PA=PA=Pa；cBBPghPPPB=Pa(大气压力大气压力)、PA=Pa (大气压力大气压力)；则：则：ghPPBA而而毛细管压力毛细管压力(毛管力毛管力)PC为为毛细管压力毛细管压力(简称简称毛管力毛管力),它的它的物理意义物理意义：毛细管中弯液面两侧两种流体毛细管中弯液面两侧两种流体(非湿相流体

36、与湿相非湿相流体与湿相流体流体)的压力差的压力差,是附着张力是附着张力A与界面张力与界面张力平衡时在平衡时在弯液面上产生的附加压力。弯液面上产生的附加压力。 毛管力的毛管力的大小大小等于毛细管中水柱的重力；等于毛细管中水柱的重力；方向方向指向指向弯液面内侧弯液面内侧(毛管力的作用使弯液面两侧的非湿相流体的毛管力的作用使弯液面两侧的非湿相流体的压力高于湿相流体的压力压力高于湿相流体的压力)。 rghPc cos22 . 1 2. 玻璃毛细管和油-水系统 ghrrow 22 . 1cos2ghPPoBA又ghPPwBAAAPPcowBBPghPP所以所以 rghPowc cos22 . 1 归纳如

37、下：归纳如下：(1)(1)毛管力毛管力P Pc c与与coscos成正比成正比,9090, ,毛管亲水，毛管亲水，P Pc c为正值为正值, ,弯液面上升；弯液面上升；9090, ,毛管憎水毛管憎水( (亲油亲油) )，P Pc c为负值为负值, , 弯液面下降。弯液面下降。(2)(2)毛管力毛管力P Pc c和两相界面的界面张力和两相界面的界面张力成正比；成正比；(3)(3)毛管力毛管力P Pc c和毛管半径和毛管半径r r成反比成反比, ,毛管半径越小毛管半径越小, ,毛管毛管力则越大力则越大, ,毛管中弯液面上升毛管中弯液面上升( (或下降或下降) )高度越大。高度越大。ghrPc co

38、s2二、毛管力公式的应用二、毛管力公式的应用1 1、油藏中流体界面是过渡带油藏中流体界面是过渡带对于气对于气- -液界面液界面：对于油对于油-水界面水界面：rghPogogogocog cos2 rghPowowowowcow cos2 过渡带高度取决于最细的毛管中的油过渡带高度取决于最细的毛管中的油(或水或水)柱的上升高度。柱的上升高度。因为因为w-oo,所以所以油油-水过渡带比气水过渡带比气-液过渡带宽液过渡带宽,且油越稠，且油越稠，w-o越小越小,油水过渡带越宽。油水过渡带越宽。og很小很小,故气故气-液过渡带高度较小。液过渡带高度较小。当毛管倾斜时当毛管倾斜时,水沿毛管上升水沿毛管上升

39、,但垂直高度不变；当毛管水但垂直高度不变；当毛管水平放置时平放置时,毛管力则成为水驱毛管力则成为水驱油的动力。若岩石亲油油的动力。若岩石亲油,毛管毛管力将阻止水进入毛管力将阻止水进入毛管,从而成从而成为水驱油的阻力。为水驱油的阻力。2 2、岩石亲水岩石亲水, ,毛管力是水驱油的动力毛管力是水驱油的动力, ,否则毛否则毛管力是水驱油的阻力管力是水驱油的阻力。毛管力的毛管力的方向方向主要受控于流体对岩石的选择性主要受控于流体对岩石的选择性润湿润湿。3 3、判断岩石的润湿性判断岩石的润湿性岩石自动吸入流体的能力与毛管力的大小、方向有关。岩石自动吸入流体的能力与毛管力的大小、方向有关。三、任意曲面的附

40、加压力三、任意曲面的附加压力拉普拉斯方程：拉普拉斯方程： 2111RRPc P Pc c 曲面的附加压力曲面的附加压力( (压强压强) )； 两相流体的界面张力；两相流体的界面张力； R1、R2任意曲面的两个主曲率半径。任意曲面的两个主曲率半径。1.1.不规则曲面的附加压力不规则曲面的附加压力（1 1）球面的附加压力）球面的附加压力过毛管轴心线过毛管轴心线,用两垂直相交的用两垂直相交的平面截得的两相流体界面均为平面截得的两相流体界面均为球面球面,曲率半径相同曲率半径相同,即即R1=R2=R ；则：则：R2Pcrcos2Pc由由 ：cosrR （2 2）柱面的附加压力）柱面的附加压力等直径毛管中

41、有一液珠等直径毛管中有一液珠(或气泡或气泡),其与管壁间的接触面为柱面其与管壁间的接触面为柱面,过过毛管中心线毛管中心线,用两垂直相交的平用两垂直相交的平面截得界面的形状一个为圆面截得界面的形状一个为圆,其其曲率半径曲率半径R1=r(r-毛管半径毛管半径)；另；另一个为直线一个为直线(柱面柱面),曲率半径曲率半径R2=, rPc对于裂缝性油气藏对于裂缝性油气藏,处于两平处于两平行裂缝壁之间的油行裂缝壁之间的油-气、油气、油-水水界面就是柱面。界面就是柱面。设设缝宽为缝宽为W,缝中弯液面的主曲缝中弯液面的主曲率半径分别为率半径分别为R1、R2(R2=)；1cRP2WcosR1 由由 ：Wcos2

42、Pc裂缝宽度越小裂缝宽度越小,毛管力越大。毛管力越大。 * *（3 3）断面渐变毛管断面渐变毛管的附加压力的附加压力因此，圆锥形毛细管中弯液面的附加压力为：因此，圆锥形毛细管中弯液面的附加压力为：毛细管粗端弯液面毛细管粗端弯液面的曲率半径为：的曲率半径为：cosrR细端的曲率半径为：细端的曲率半径为：cosrRrcos2Pc式中式中 管壁与管中心线的夹角管壁与管中心线的夹角,即锥角之半；即锥角之半； 2. 2. 任意曲面附加压力的应用任意曲面附加压力的应用 由于油藏岩石孔隙存在弯液面的附加压力由于油藏岩石孔隙存在弯液面的附加压力,使液珠使液珠或气泡在孔隙中静止及流动时均产生附加压力。或气泡在孔

43、隙中静止及流动时均产生附加压力。（1） 等直径毛管孔道中液珠或气泡的毛管效应等直径毛管孔道中液珠或气泡的毛管效应液珠或气泡静止时液珠或气泡静止时：由柱面产生的毛管力：由柱面产生的毛管力： rPcrcos2R2Pc由球形弯液面产生毛管力为：由球形弯液面产生毛管力为：由于压强的传递作用由于压强的传递作用,球形弯液面的毛管力球形弯液面的毛管力Pc施于施于管壁管壁,柱面的毛管力柱面的毛管力Pc与其相反与其相反,故静态时管壁液故静态时管壁液膜所受的净压力为：膜所受的净压力为： 5 . 0cosr2rR2P1c上式表明：上式表明：油油-水水(或油或油-气气)的界面张力越大的界面张力越大,毛管半毛管半径越小

44、径越小,施加于管壁液膜的净压力越大施加于管壁液膜的净压力越大,液膜达到平液膜达到平衡前其厚度减小的也越快。管壁液膜具有反常的特衡前其厚度减小的也越快。管壁液膜具有反常的特性性-高粘度和高强度高粘度和高强度,欲使珠泡在孔道中流动欲使珠泡在孔道中流动,必须克必须克服服Pc1及反常膜的高粘度所产生的摩擦阻力。及反常膜的高粘度所产生的摩擦阻力。 当液珠或气泡在两端压差的作用下当液珠或气泡在两端压差的作用下,克服上述摩擦克服上述摩擦阻力欲在孔隙中流动时阻力欲在孔隙中流动时,由于润湿滞后由于润湿滞后,弯液面发生弯液面发生变形变形,产生第二种毛管阻力产生第二种毛管阻力P c2, 即即：coscosr2R2R

45、2P2c当珠泡两端压差克服了上述当珠泡两端压差克服了上述两种阻力两种阻力以及以及液膜阻力液膜阻力后后,珠泡才能流动。珠泡才能流动。 213112RRPc 液珠或气泡通过孔隙液珠或气泡通过孔隙喉道时喉道时,产生的附加产生的附加阻力阻力称为称为贾敏效应贾敏效应。钻井液、完井液、压井液钻井液、完井液、压井液：失水时对：失水时对油油流向井造成流向井造成阻力阻力。调剖堵水：调剖堵水：封堵大孔道、调整流体渗流剖面，通过增加驱封堵大孔道、调整流体渗流剖面，通过增加驱替液的波及体积来提高原油采收率。替液的波及体积来提高原油采收率。（2） 贾敏效应贾敏效应3.毛细管滞后现象毛细管滞后现象毛细管滞后现象与润湿滞毛

46、细管滞后现象与润湿滞后及孔隙几何形态有关：后及孔隙几何形态有关：(1)(1)润湿滞后润湿滞后引起毛细管滞后引起毛细管滞后(2)(2)毛细管半径突变毛细管半径突变引起毛细引起毛细管滞后管滞后(3)(3)毛细管半径渐变毛细管半径渐变引起毛细引起毛细管滞后管滞后毛细管中吸入液柱高毛细管中吸入液柱高度小于驱替液柱高度度小于驱替液柱高度的现象叫做的现象叫做毛细管滞毛细管滞后现象后现象。四、岩石毛管力曲线的测定方法四、岩石毛管力曲线的测定方法1、半渗隔板法半渗隔板法优点优点：比较接近油藏实际情况：比较接近油藏实际情况,测量精度较高测量精度较高,可以作可以作为其它方法的对比标准。为其它方法的对比标准。缺点缺

47、点：测试时间长：测试时间长,测定压力范围小测定压力范围小,不适合低渗岩石。不适合低渗岩石。半渗隔板法半渗隔板法压汞法压汞法离心法离心法基本原理基本原理：岩心饱和湿相流体：岩心饱和湿相流体,当外加压力克服某毛管当外加压力克服某毛管喉道的毛管力时喉道的毛管力时,非湿相进入该孔隙非湿相进入该孔隙,将其中的湿相驱出。将其中的湿相驱出。2、压汞法压汞法特点特点：测定压力范围大、测定速度快：测定压力范围大、测定速度快, ,适合于高、中、适合于高、中、低渗透率岩石。低渗透率岩石。rrPc735. 0cos2缺点：缺点：非湿相是水银非湿相是水银,与油藏实际流体相差较大与油藏实际流体相差较大,并且并且水银有毒水

48、银有毒,岩样被污染而不能重复使用岩样被污染而不能重复使用,操作也不安全。操作也不安全。其中：mmN /480 0140 表表 3.3.1 3.3.1 压汞法毛管力曲线实测结果压汞法毛管力曲线实测结果进汞体积,10-3cm3体积修正值,10-3cm3汞饱和度(%)序号毛管压力Pc(MPa)V进V退V进V退SHg 进SHg 退区间饱和度SHg 进(%)毛管半径r(m)1230.0120.0190.03961311837247457719610911821522222601.54.535.536.538.01.53.061.2538.6824.504560.0470.0750.12254350449

49、8148749581391491622332362418.014.020.040.544.5503.56.06.015.649.806.137890.190.300.4758575087410361105115816917618624725225529.040.048.05559.5639.011.08.03.872.451.561011120.751.21.910241106116712131253129019220322125926427258.063.066.066.569.071.00.980.610.391314153.04.77.51240129713421316

50、1330134225127230228429330269.071.572.572.072.372.51.050.160.103、离心法离心法优点优点：兼有半渗隔板法和压汞法两者的优点：兼有半渗隔板法和压汞法两者的优点,测定速度测定速度快快,所采用的流体又接近油藏实际所采用的流体又接近油藏实际,所测得的毛管力曲线所测得的毛管力曲线与半渗隔板法测的曲线吻合较好。与半渗隔板法测的曲线吻合较好。原理原理：利用离心机产生的离心力代替外加的排驱压力：利用离心机产生的离心力代替外加的排驱压力实现非湿相驱替湿相过程的一种测量毛管力的方法。实现非湿相驱替湿相过程的一种测量毛管力的方法。缺点缺点

51、：测试压力范围较小：测试压力范围较小(一般排驱压力只能达到几个一般排驱压力只能达到几个兆帕兆帕)；设备较复杂；设备较复杂,数据处理量大。数据处理量大。进行毛管力资料换算的原因：进行毛管力资料换算的原因：(1)(1)不同测定方法不同测定方法, ,使用不同流体使用不同流体, ,由于界面张力由于界面张力及润湿性的差异及润湿性的差异, ,测得的毛管力不同；测得的毛管力不同；(2)(2)相同的流体在室内和油藏条件下的界面张力相同的流体在室内和油藏条件下的界面张力及其对岩样润湿性不同及其对岩样润湿性不同, ,其毛管力也不同。其毛管力也不同。111222coscosccPP50cos72140cos480c

52、oscosoowwHgHgcwcHgPP 压汞法压汞法半渗隔板法半渗隔板法五、岩石毛管力曲线的基本特征五、岩石毛管力曲线的基本特征1 1、毛管力曲线的、毛管力曲线的基本特征基本特征初始段初始段中间平缓段中间平缓段末端上翘段末端上翘段随压力的增加随压力的增加,非湿相饱和度缓慢增加。非湿相饱和度缓慢增加。表面孔或较大的缝隙表面孔或较大的缝隙非湿相饱和度麻皮效应非湿相饱和度麻皮效应中间平缓段越长中间平缓段越长,说明岩石喉道的分布说明岩石喉道的分布越集中越集中,分选越好。平缓段位置越靠下分选越好。平缓段位置越靠下,说明岩石主要喉道半径越大。说明岩石主要喉道半径越大。主要的进液段主要的进液段随着压力的升

53、高随着压力的升高,非湿相将进入越来越细的孔隙喉道非湿相将进入越来越细的孔隙喉道,但进入速度越来越但进入速度越来越小小,最后曲线与纵坐标轴几乎平行最后曲线与纵坐标轴几乎平行,即压力再增加即压力再增加,非湿相不再进入岩样。非湿相不再进入岩样。通过非湿相流体排驱湿相流体过程通过非湿相流体排驱湿相流体过程测得的毛管力曲线称为测得的毛管力曲线称为驱替曲线驱替曲线；通过湿相流体排驱非湿相流体过程通过湿相流体排驱非湿相流体过程测得毛管力曲线称为测得毛管力曲线称为吸吮吸吮(入入)曲线曲线。 吸入曲线始终位于驱替曲线的下方。2 2、毛管力曲线的、毛管力曲线的特征参数特征参数非湿相流体开始进入岩心中最非湿相流体开

54、始进入岩心中最大喉道的压力或非湿相开始进大喉道的压力或非湿相开始进入岩心的最小压力入岩心的最小压力PT称为阈压称为阈压,或或“入口压力入口压力”或或“门坎压门坎压力力”。(1)(1)阈压阈压P PT T最大喉道半径最大喉道半径rmax渗透性好的岩石渗透性好的岩石,阈压均比较低；反之阈压均比较低；反之,阈压比较大。阈压比较大。(2)饱和度中值压力饱和度中值压力Pc50指驱替毛管力曲线上非湿相饱指驱替毛管力曲线上非湿相饱和度为和度为50%时对应的毛管压力时对应的毛管压力,简称简称中值压力中值压力。中值半径中值半径r50因为岩石的孔隙分布接近正态分布因为岩石的孔隙分布接近正态分布, ,所以所以r r

55、5050可可定性地视为岩石的平均喉道半径的大小。定性地视为岩石的平均喉道半径的大小。岩石物性越好岩石物性越好,P,Pc50c50越低越低,r,r5050越大；物性差的岩越大；物性差的岩石石,P,Pc50c50很高很高, ,甚至在毛管力曲线上读不出来甚至在毛管力曲线上读不出来( (曲线上非湿相饱和度小于曲线上非湿相饱和度小于50%)50%)。当驱替压力达到一定值后当驱替压力达到一定值后,压力压力再升高再升高,湿相饱和度也不再减小，湿相饱和度也不再减小，毛管力曲线与纵轴几乎平行毛管力曲线与纵轴几乎平行,此此时岩心中的湿相饱和度称为时岩心中的湿相饱和度称为最最小湿相饱和度小湿相饱和度Smin。(3)

56、(3)最小湿相饱和度最小湿相饱和度S Sminmin对于亲水岩石对于亲水岩石,Smin相当于岩石的束缚水饱和度。湿相当于岩石的束缚水饱和度。湿相饱和度相饱和度Smin越小，表明岩石含油饱和度越大。越小，表明岩石含油饱和度越大。退汞曲线退汞曲线：压力接近零时岩心中的含汞：压力接近零时岩心中的含汞饱和度称为饱和度称为最小含汞饱和度最小含汞饱和度S SKpminKpmin( (相当于相当于亲水油藏水驱后的残余油饱和度亲水油藏水驱后的残余油饱和度) )。退汞效率退汞效率WE相当于强亲水油藏的水驱采收率。相当于强亲水油藏的水驱采收率。(4)(4)退汞效率退汞效率W WE E进汞曲线进汞曲线：最高压力点对

57、应的岩心中的含：最高压力点对应的岩心中的含汞饱和度称为汞饱和度称为最大含汞饱和度最大含汞饱和度S Skpmaxkpmax(相当相当于强亲水油藏的原始含油饱和度于强亲水油藏的原始含油饱和度)退汞效率退汞效率W WE E：maxminmaxHgHgHgESSSW3 3、裂缝油藏裂缝油藏毛管力曲线特征毛管力曲线特征六、毛管力曲线的应用六、毛管力曲线的应用描述储层特征的主要参数描述储层特征的主要参数：束缚水饱和度、残余：束缚水饱和度、残余油饱和度、孔隙度、绝对渗透率、相对渗透率、油饱和度、孔隙度、绝对渗透率、相对渗透率、岩石润湿性、岩石比面及孔隙喉道大小分布岩石润湿性、岩石比面及孔隙喉道大小分布1 1

58、、岩石储集性能评价岩石储集性能评价毛管力曲线的形态主要受毛管力曲线的形态主要受孔隙喉道的分选性孔隙喉道的分选性及及喉道大小喉道大小控制。控制。分选性分选性是指岩石孔隙喉道的几何尺寸大小的分散是指岩石孔隙喉道的几何尺寸大小的分散(或集中或集中)程程度。岩石孔隙喉道的几何尺寸越集中度。岩石孔隙喉道的几何尺寸越集中,则分选性越好，对应则分选性越好，对应的毛管力曲线的中间平缓段越长；的毛管力曲线的中间平缓段越长；喉道喉道半径越大半径越大,对应的毛对应的毛管力曲线的中间平缓段位置越低。管力曲线的中间平缓段位置越低。2 2 、研究岩石的孔隙结构研究岩石的孔隙结构(1)确定岩石的最大孔喉半径及主要孔喉大小确

59、定岩石的最大孔喉半径及主要孔喉大小。TPrcos2max(2)定量评价孔隙喉道的分布定量评价孔隙喉道的分布3 3、判断岩石的润湿性判断岩石的润湿性具体做法具体做法：将饱和水的岩样放到离心机上依次做油驱水、：将饱和水的岩样放到离心机上依次做油驱水、水驱油及二次油驱水实验水驱油及二次油驱水实验,测出相应的毛管力曲线，比较测出相应的毛管力曲线，比较水驱油和二次油驱水曲线的下包面积，面积小的为润湿水驱油和二次油驱水曲线的下包面积，面积小的为润湿相驱替非润湿相。相驱替非润湿相。A1A2 亲水亲水A1A2 亲油亲油唐纳森方法润湿指数W和视润湿角实验方法实验方法：将一块岩心一分为二：将一块岩心一分为二,一块

60、饱和油后测定一块饱和油后测定空气驱油的毛管力空气驱油的毛管力,另一块饱和水后测定油驱水毛管另一块饱和水后测定油驱水毛管力。得到两条毛管力曲线力。得到两条毛管力曲线,分别求出两条毛管力曲线分别求出两条毛管力曲线的阈压的阈压PTog和和PTwo，按以下指标判断岩石的润湿性。，按以下指标判断岩石的润湿性。 (1)润湿指数润湿指数W woTogogTwoogwoPPcoscosW式中式中 wo和和og分别为岩样与油分别为岩样与油-水、油水、油-气系统中水和油的润湿角；气系统中水和油的润湿角；PTog和和PTwo分别为气进入已饱和油的岩样和油进入已饱和水的岩样的阈压；分别为气进入已饱和油的岩样和油进入已