渗流力学课件

第一章

渗流的根本概念和根本规律油气层渗流力学2023/12/9HX-CHENG2

§1.1油气储集层及其简化§1.2渗流过程中的力学分析及驱动类型§1.3渗流的根本规律和渗流方式§1.4非线性渗流规律§1.5流体低速下的渗流规律§1.6两相渗流规律主要内容2023/12/9HX-CHENG3§1.1油气储集层及其简化一、油气储集层

油气层是油气储集的场所和空间。储集层限制流体运动的范围，也影响着流体运动的形态，同时还决定流动边界形状。所以，油气储集层是流体渗流的重要外部条件。2023/12/9HX-CHENG4§1.1油气储集层及其简化气顶边水底水油气分界面含气边缘油水分界面含油外、内缘计算含油边缘开敞式油藏供给边界定压边界封闭式油藏封闭边界油层外部形状及简化示意图气油水联络测线380地震剖面CCFY〔Parm〕反演技术CCFY波阻抗反演剖面高精度三维反演—HARI波阻抗栅状图陕北中生界低孔渗储层预测波阻抗剖面

泥岩变薄mud.becomesthinner.砂岩及其不均质性sandstoneanditsheterogeneous灰岩及其不均质性limestoneanditsheterogeneous2023/12/9HX-CHENG9§1.1油气储集层及其简化二、油气储集层的简化油气储集层分类层状油气藏块状油气藏层状油气藏：地层物性在纵向上的变化比在平面上的变化大得多的油藏。简化成〞平面等厚模型〞，即把油气藏看成等厚度的薄板。块状油气藏：油层厚度相当大的油藏。简化成“厚度模型〞，有时也将这种模型看成“半球状模型〞。AB条带状薄板圆形薄板A>3BA<3B平面等厚模型(x，y)厚度模型(x，y，z)半球状模型2023/12/9HX-CHENG11§1.1油气储集层及其简化三、油气层的孔隙结构模型和参数模型1.油气层的孔隙结构模型单纯介质双重介质三重介质粒间孔隙结构溶洞孔隙结构纯裂缝结构裂缝孔隙结构三重混合结构微层理结构非层理结构三种介质六种结构假想结构模型理想结构模型粒间孔隙结构简化简化纯裂缝结构纯裂缝结构模型简化裂缝孔隙结构裂缝孔隙结构模型溶洞孔隙结构溶洞孔隙结构模型2023/12/9HX-CHENG15§1.1油气储集层及其简化2.油气层的参数模型油气藏中岩石和流体的物性参数是随机变化的难以用连续函数来描述其分布。如地层的渗透率具有均质和非均质性、向同各性和各向异性。均质非均质各向同性各向异性2023/12/9HX-CHENG16§1.1油气储集层及其简化

等值参数模型：即平均值参数模型。用算术平均或加权平均的方法来确定油藏的平均渗透率。现在多用概率统计的方法确定。等价参数模型：就是利用实物与模型等价的方法来确定地层渗透率。如粒间孔隙结构采用等直径毛管束的理想结构模型求得渗透率值。2023/12/9HX-CHENG17§1.2渗流过程中的力学分析及驱动类型一、渗流过程中的力学分析

1.流体的重力和重力势能液源水头压力ABMN动力阻力重力作用示意图表示重力势能的压力：重率：2023/12/9HX-CHENG18§1.2渗流过程中的力学分析及驱动类型2.流体的质量和惯性力表现为阻力。

3.流体的粘度和粘滞力y阻力2023/12/9HX-CHENG19§1.2渗流过程中的力学分析及驱动类型4.岩石及流体的压缩性和弹性力岩石和流体压缩性的大小用压缩系数表示。岩石压缩系数：流体压缩系数：对气体：开采前开采后2023/12/9HX-CHENG20§1.2渗流过程中的力学分析及驱动类型5.毛管力水油油水阻力动力2r油水接触面为形状简单的弯曲面：单根毛管，油水接触面为球面：单根毛管，油水接触面为柱面：2023/12/9HX-CHENG21§1.2渗流过程中的力学分析及驱动类型二、与油藏有关的压力概念1.原始地层压力2.边界压力3.地层静压〔目前地层压力〕4.井底压力及井底流压2023/12/9HX-CHENG22§1.2渗流过程中的力学分析及驱动类型5.折算压力xzAmz投产前，而油藏中流体不流动?M点液体总水头：总水头用压力的形式表示为：称为折算压力，表示油层中各点液体具有的总能量。2023/12/9HX-CHENG23§1.2渗流过程中的力学分析及驱动类型

基准面选取：通常取原始油水界面为基准面。优点：在渗流规律研究中，直接使用折算压力，就不必考虑油层深度的影响，简化了理论推导和计算公式。特性：在静止流体内部各点的折算压力相等。2023/12/9HX-CHENG24§1.2渗流过程中的力学分析及驱动类型

例1-1

油藏中两点A、B，高差10米，压力分别为=9.35Mpa，=9.55Mpa，地层原油密度0.85，试判断地层中流体的流向？ABh=10m解：以B点所在平面为基准面，那么：故，流向为由B点向A点。2023/12/9HX-CHENG25§1.2渗流过程中的力学分析及驱动类型6.压力梯度曲线在直角坐标中，根据最初的探井所实测到的油藏埋藏深度H和实测压力P所得的关系曲线，称为压力梯度曲线。

P=a+bHHP推算开发井原始地层压力。2023/12/9HX-CHENG26§1.2渗流过程中的力学分析及驱动类型三、驱动类型〔驱动方式〕驱动方式是指在石油开采过程中油藏依靠哪一种能量为主来驱油。1.重力水压驱动可分为：刚性水压驱动和弹性水压驱动。2.弹性驱动3.气压驱动4.溶解气驱5.重力驱驱动方式不是一成不变的，随驱油能量来源的变化而变化。2023/12/9HX-CHENG27§1.2渗流过程中的力学分析及驱动类型ABC

重力水压驱动弹性驱动气压驱动溶解气驱2023/12/9HX-CHENG28§1.3渗流的根本规律和渗流方式一、达西定律

1.达西实验及其结果1122abcdL达西实验装置图●实验目的●实验装置●实验过程●实验结果实验装置水平放置岩层水平达西定律达西线性渗流定律达西公式2023/12/9HX-CHENG30§1.3渗流的根本规律和渗流方式2.达西定律的讨论

(1)渗流速度与真实速度★渗流速度为假想速度，引入渗流速度给渗流规律的研究带来了很大的方便，可利用连续函数理论研究渗流问题。★真实速度实际上是平均真实速度，常用于研究流体质点的运动规律，计算流体质点的排出时间。或2023/12/9HX-CHENG31§1.3渗流的根本规律和渗流方式(2)渗流阻力(3)达西定律的微分形式一维：三维：2023/12/9HX-CHENG32§1.3渗流的根本规律和渗流方式(4)达西定律的力学分析

作用圆柱体液体上的压力为：

流体沿L方向以渗流时的摩擦力为：

流体本身重力在流动方向上的分力为：单元体受力图2023/12/9HX-CHENG33§1.3渗流的根本规律和渗流方式由受力平衡，且忽略惯性力的作用，那么有：

整理，并令得：或：

对水平地层，有：2023/12/9HX-CHENG34§1.3渗流的根本规律和渗流方式◆达西定律是不考虑惯性阻力时的渗流定律；◆渗透率K是与岩石孔隙结构形式及大小有关的参数，是岩石本身的特性，而与通过的流体无关。其量纲为。达西定律的适用条件：﹡流体为牛顿流体；﹡流速在适当范围内，可不考虑惯性阻力；﹡不考虑其它物理化学作用。摩擦力的推导：L单根毛管流速分布任一截面上微元体一、推导泊谡叶公式同心液筒圆柱面积作用于同一液筒上的驱动力：积分二、由泊谡叶公式推导总摩擦力公式流过该毛管的流量为：积分对于任一半径的毛管毛管中平均真实速度毛管截面积毛管不是等直径，也非圆形，引入修正系数单根毛管粘滞阻力对于岩芯〔毛管束〕，截面积为A，孔隙截面积为，那么毛管根数为：，总的粘滞力令：2023/12/9HX-CHENG37§1.3渗流的根本规律和渗流方式二、渗流力学中常用物理量的单位〔单位制〕油气层渗流力学中常用的单位制有：国际标准单位制〔SI制)和达西混合单位制。如表所示。达西单位的物理意义：当液体粘度为1厘泊，压降为1大气压下，流体流过截面积为1平方厘米，长度为1厘米的岩样，其流量为1立方厘米每秒，那么，这个岩样的渗透率就定为1达西。单位制表参数名称产量符号SI制SI制实用单位DC混合单位制面积渗透率长度压缩系数时间厚度半径粘度压力密度，，，，，2023/12/9HX-CHENG39§1.3渗流的根本规律和渗流方式本课程涉及大局部关系式中，各物理量的单位既可直接采用SI制下的根本单位，也可直接采用DC混合单位制下的根本单位，而无须对关系式进行变换；

当采用某一单位制时，计算关系式中各物理量就必须使用符合该单位制规定的单位。〔达西混合单位制〕〔SI制〕2023/12/9HX-CHENG40§1.3渗流的根本规律和渗流方式三、根本渗流方式〔渗流形态〕流线：在某一时刻t，经过流动空间的许多点连接起来的一条光滑曲线，该曲线上各点的流速矢量与曲线相切。渗流方式单向流平面径向流球面径向流2023/12/9HX-CHENG41§1.3渗流的根本规律和渗流方式1.单向流

●流线是彼此平行的直线；

●渗流截面上，各点的流速相等；

●在液流方向上，渗流速度和压力是一维坐标x的函数。岩芯平面等厚薄板模型2023/12/9HX-CHENG42§1.3渗流的根本规律和渗流方式2.平面径向流●各个平面上的渗流状况相同；●假设是稳定渗流，压力和流速是极坐标r的函数。聚集发散

●流线是一组向一点聚集，或由一点向四周发散的直线；圆形等厚地层中间一口井渗流截面或2023/12/9HX-CHENG43§1.3渗流的根本规律和渗流方式3.球面径向流●流体质点沿径向向一点汇集，或由一点沿径向向四周发散，流线为球的径向线；●假设是稳定渗流，压力和流速是坐标x、y、z的函数或空间极坐标的函数。或2023/12/9HX-CHENG44§1.4非线性渗流规律一、产生非线性渗流的原因

非线性渗流：实验发现，当渗流速度增加到一定程度后，渗流速度和压力梯度之间不呈线性关系，达西定律被破坏，称为非线性渗流。

孔道弯弯曲曲，渗流速度较高，产生的惯性力大到与粘滞阻力相比不可忽略的程度。原因气井；裂缝性油井；砂岩油藏井底附近。2023/12/9HX-CHENG45§1.4非线性渗流规律二、判断方法

采用管道水力学中判别层流和紊流的无量纲量——雷诺数来进行判别。

前苏联的卡佳霍夫提出的表达式是目前公认较为合理的雷诺数表达式：2023/12/9HX-CHENG46§1.4非线性渗流规律渗流规律由线性转化为非线性的雷诺数值称为临界雷诺数。粒间孔隙介质：=0.2～0.3纯裂缝介质：=300～500大的洞穴〔接近管流〕：=2000～3000小数临界雷诺数2023/12/9HX-CHENG47§1.4非线性渗流规律三、高速下非线性渗流规律

1.指数式

式中：——取决于流体和岩石性质的系数；

——渗流指数，实验证明：线性区；线性关系破坏，为过渡区；渗流平方区。

2.两项式

第一项反映的是粘滞阻力损耗；第二项反映的是惯性阻力损耗。

例1-2设有一下套管射孔完成井，液体仅能从直径为0.5厘米的100个小孔流入井中，油层厚度为10米，折算自地下日产量为100立方米，井半径=10厘米，地层渗透率K=1平方微米，孔隙度=0.2,原油粘度=3毫帕秒，原油密度0.80,试问：此时井底附近地层内渗流是否服从达西定律。小孔直径D，孔数n

解：流入小孔的渗流速度为：那么由雷诺数公式得井底附近地层内渗流的雷诺数为：

故，井底附近的渗流不服从达西定律。2023/12/9HX-CHENG49§1.5流体低速下的渗流规律一、液体低速下的渗流规律存在不可忽略的固液相界面上的外表分子力作用，这种作用随着流体质点与固液界面距离的加大而减弱，从而形成随渗流速度〔亦即压力梯度〕的改变而变化的流动孔隙度和流动渗透率，产生非线性渗流。●石油中的外表活性物质，如环烷酸、沥青、胶质等，会吸附在岩石外表。●水在粘土中时，水分子会进入粘土晶片，并在其外表形成水化膜。一般渗透率地层渗流曲线特征2023/12/9HX-CHENG50§1.5流体低速下的渗流规律对于低渗透油气层，与一般渗透率地层比较，在相同压力梯度下，低渗透层中的渗流速度会大大减小。微细孔道固液界面分子力以及电荷作用的增强和渗流速度的减小会导致低渗油层中渗流附加阻力的相对增强。低渗岩芯中液体渗流曲线特征拟初始压力梯度下临界压力梯度2023/12/9HX-CHENG51§1.5流体低速下的渗流规律▲低速非线性渗流的运动方程：有各种形式的非线性渗流运动方程附加阻力的产生相当于降低