1、提高原油采收率提高原油采收率Enhanced Oil Recovery绪绪 论论Introduction东部已开发的老油田大多进入高含水阶段，未开发的油田多为低渗东部已开发的老油田大多进入高含水阶段，未开发的油田多为低渗透、特稠油、超稠油，开采环境日趋恶劣，开采成本越来越高。透、特稠油、超稠油，开采环境日趋恶劣，开采成本越来越高。老油田经过长期注水开发（大庆老油田经过长期注水开发（大庆19591959年，胜利年，胜利19641964年），现在已经年），现在已经进入高含水期，目前胜利综合含水达到进入高含水期，目前胜利综合含水达到89.8%89.8%。老油田注水开发的效。老油田注水开发的效率越来越
2、低，如胜利油田年产量为率越来越低，如胜利油田年产量为26252625万吨（万吨（7.197.19万吨万吨/日），日日），日注水注水61.0761.07万立方米，采万立方米，采1 1吨原油需注水吨原油需注水8.498.49立方米。立方米。中国提高采收率技术的必要性中国提高采收率技术的必要性石油工业的对策石油工业的对策l发展西部发展西部l稳定东部稳定东部 寻找新区块，找到接替储量寻找新区块，找到接替储量 油田挖潜改造（调剖、堵水）油田挖潜改造（调剖、堵水）综合措施提高采收率综合措施提高采收率EOR分类分类化学驱化学驱 包括：聚合物驱，表面活性剂驱，碱水驱，及其二包括：聚合物驱，表面活性剂驱，碱水驱
3、，及其二元、三元复合驱。元、三元复合驱。气体混相驱气体混相驱 包括：干气驱，富气驱，包括：干气驱，富气驱，COCO2 2驱，烟道气驱。驱，烟道气驱。热力采油热力采油 包括：蒸汽吞吐，蒸汽驱，火烧油层，包括：蒸汽吞吐，蒸汽驱，火烧油层，SAGDSAGD法。法。油田稳油控水技术油田稳油控水技术 包括调剖堵水、深部调驱技术。包括调剖堵水、深部调驱技术。中国各中国各EOR方法所占的比例方法所占的比例1231231热采方法（热采方法（60%）2化学驱（化学驱（37%）3混相气驱（混相气驱（3%）第一部分第一部分 水驱油采收率分析水驱油采收率分析1 1 水驱油机理水驱油机理l 油藏排驱过程中的力油藏排驱过
4、程中的力 l 微观水驱油机理微观水驱油机理l 宏观水驱油机理宏观水驱油机理l 毛管数及其意义毛管数及其意义l 粘性指进与舌进粘性指进与舌进l 影响水驱采收率的因素影响水驱采收率的因素概述概述目目的：向地层补充能量的驱替方法。的：向地层补充能量的驱替方法。水驱采收率（水驱采收率（E）概念：指宏观扫油效率与微观驱油效率）概念：指宏观扫油效率与微观驱油效率 的的乘积，即：乘积，即：E=EVEDEV-水波及体积占油藏总体积的百分数，等于面积扫油效水波及体积占油藏总体积的百分数，等于面积扫油效 率乘体积扫油效率，约率乘体积扫油效率，约50-70%；ED-水波及区内排驱的油量百分数，约水波及区内排驱的油量
5、百分数，约30-40%。故，水驱采收率约为故，水驱采收率约为15-30%OOIP。OOIP-Original Oil in Place，原始石油地质储量。，原始石油地质储量。n剩余油：水驱后，因水未波及到的区域而剩余油：水驱后，因水未波及到的区域而留在地下的原油。留在地下的原油。n残余油：水驱后，水波及区域所滞留在地残余油：水驱后，水波及区域所滞留在地下的原油。下的原油。n剩留油：水驱结束后，水波及和未波及区剩留油：水驱结束后，水波及和未波及区域的残余油和剩余油的总合。域的残余油和剩余油的总合。1.1 油藏排驱过程中的力油藏排驱过程中的力 1.1.11.1.1毛管力（毛管力（Capillary
6、 forces）表面张力和界面张力表面张力和界面张力 油藏中的油和水是非混相流体油藏中的油和水是非混相流体,它们共存于多孔它们共存于多孔介质中，与油水相有关的界面张力将影响相的分布、介质中，与油水相有关的界面张力将影响相的分布、相的饱和度和相的排驱。相的饱和度和相的排驱。表面力即表面抗张力。用表面张力表面力即表面抗张力。用表面张力来确定表面力的来确定表面力的大小，表面力指表平面的单位表面长度上的作用力。表大小，表面力指表平面的单位表面长度上的作用力。表面张力可如图面张力可如图1.2那样形象化。那样形象化。F是对长度为是对长度为L的液体表面的液体表面作用的法向力，单位长度上的法向力（作用的法向力
7、，单位长度上的法向力（F/L）就是表面张）就是表面张力，通常用力，通常用dynes/cm表示。表示。表面张力与产生新的表面所要作的功有表面张力与产生新的表面所要作的功有关。假定，图关。假定，图1.2中的力中的力F移动了移动了dx距离，产距离，产生的新的表面是生的新的表面是Ldx，所作的功可表示为：，所作的功可表示为：W=Fdx (1.1)或者，或者，W=dA (1.2）式中，式中，F为施加于表面的力；为施加于表面的力；L是表面是表面受力长度；受力长度；即即IFT，界面张力；，界面张力；dA=Ldx是是新的表面。产生附加表面所需要作的功与界新的表面。产生附加表面所需要作的功与界面张力成正比，面张
8、力成正比，dA 也就是表面能。也就是表面能。L液体液体F 图图1.2 定义表面张力的力和长度定义表面张力的力和长度 cos2)(grhaw h水水空空气气 r 图图1.3 毛细管测表面张力示意图毛细管测表面张力示意图 用毛细管测定某一液体界面张力的方法很简便。如图用毛细管测定某一液体界面张力的方法很简便。如图1.3，将半径，将半径为为r的毛管插入一盛水的烧杯中，毛管中水将升到某一高度，并且因为的毛管插入一盛水的烧杯中，毛管中水将升到某一高度，并且因为力的差异会产生一弯液面。静态条件下力的差异会产生一弯液面。静态条件下,力是通过作用在液柱上的重力所平衡：表面张力向上的垂直分力力是通过作用在液柱上
9、的重力所平衡：表面张力向上的垂直分力润润湿周长湿周长=作用在液柱上向下的重力。即：作用在液柱上向下的重力。即：cos2r=r2h（w-a）g (1-3）式中，式中，r：毛细管半径，：毛细管半径，cm；h：毛细管中水的上升高度，：毛细管中水的上升高度，cm；w、a：分别为水和空气的密度，：分别为水和空气的密度，g/Cm3；g：重力加速度，：重力加速度，980cm/s2；：水和毛管之间的接触角。：水和毛管之间的接触角。为了计算界面张力，方程为了计算界面张力，方程(1.3）可写为：）可写为：岩石润湿性岩石润湿性 润湿性是在另一种流体存在时，某一种流体在固体表面润湿性是在另一种流体存在时，某一种流体在
10、固体表面的铺展或粘附的倾向性。当两种非混相流体与固体表面接触的铺展或粘附的倾向性。当两种非混相流体与固体表面接触时，某一相通常比另一相更强烈地吸引到固体表面，更强烈时，某一相通常比另一相更强烈地吸引到固体表面，更强烈的这一相称润湿相。当两种非混相流体与固体表面接触时，的这一相称润湿相。当两种非混相流体与固体表面接触时，通过确定界面张力，可以定量分析润湿性。通过确定界面张力，可以定量分析润湿性。os ws=ow cos (1.5）os、ws、ow分别是油固、水固和油水之间的界面张力，分别是油固、水固和油水之间的界面张力，为接触角。为接触角。owws水水油油 图图1.5 油、水、固界面间的界面力油
11、、水、固界面间的界面力 os1.1.2 毛管压力毛管压力 毛管中因为两种不互溶流体中的界面存在张力，在分界面毛管中因为两种不互溶流体中的界面存在张力，在分界面上存在压力差，这个压力差称为毛管压力上存在压力差，这个压力差称为毛管压力Capillary Capillary PressurePressure，两种流体中有一种流体比另一种流体更优先地润湿，两种流体中有一种流体比另一种流体更优先地润湿固体表面。毛管压力可以表现为毛管中液体上升或下降行为，固体表面。毛管压力可以表现为毛管中液体上升或下降行为，如图如图1.61.6玻璃毛管中上升的水，水上面的液体是油，因为水完全玻璃毛管中上升的水，水上面的液
12、体是油，因为水完全润湿玻璃毛管，所以表现为毛管中液体上升。润湿玻璃毛管，所以表现为毛管中液体上升。hh1popw水水油油Patm图图1。6 界面力导致的毛管压力图界面力导致的毛管压力图 Po是油水界面上一点的油相压力，是油水界面上一点的油相压力，Pw是界面下水是界面下水相的压力，产生的力平衡如下：相的压力，产生的力平衡如下：Po=Pa+ogh1 (1.6)和和 Pw=Pa+og（h1+h）-wgh (1.7)式中，式中，Pa：为大气压，：为大气压，dynes/cm2；h1、h：为图中液体的高度，：为图中液体的高度，cm；o、w：分别为油水密度，：分别为油水密度，g/cm3；g：是重力加速度，：
13、是重力加速度，980cm/s2。水的压力可以通过穿过油的总压头减去水头计算得到。容器中油水水的压力可以通过穿过油的总压头减去水头计算得到。容器中油水界面处的压力，采用与毛管中相同高度水的压力值，用方程界面处的压力，采用与毛管中相同高度水的压力值，用方程(1.6）-(1.7），则：，则：Po-Pw=h（w-o）g=Pc (1.8）毛细管压力可能是正值，也可能是负值，主要依优先润湿性而定，毛细管压力可能是正值，也可能是负值，主要依优先润湿性而定，非润湿相中的压力较大。在前面已了解油水的界面张力，通过换算毛管非润湿相中的压力较大。在前面已了解油水的界面张力，通过换算毛管压力为：压力为：(1.11）毛
14、管压力与液毛管压力与液/液界面张力、流体的润湿性、毛管大小有关。毛管压液界面张力、流体的润湿性、毛管大小有关。毛管压力可以是正值，也可以是负值；符号仅仅表示毛管中相压力较低力可以是正值，也可以是负值；符号仅仅表示毛管中相压力较低。具有具有较低压力的一相总是优先润湿毛管。作为毛管半径和润湿性的函数，当较低压力的一相总是优先润湿毛管。作为毛管半径和润湿性的函数，当毛管半径和岩石表面润湿相的亲合力增加时，毛管压力毛管半径和岩石表面润湿相的亲合力增加时，毛管压力Pc减小，这一点减小，这一点非常重要。非常重要。rPowccos2三三.粘滞力粘滞力 孔隙介质中的粘滞力是以流体流过介质时所出现的压降大小孔隙
15、介质中的粘滞力是以流体流过介质时所出现的压降大小反映出的。计算粘滞力大小的最简单近似方法是考虑把一束平行反映出的。计算粘滞力大小的最简单近似方法是考虑把一束平行毛管作为多孔介质，则以层流的方式通过单根毛管的压降可由毛管作为多孔介质，则以层流的方式通过单根毛管的压降可由Poiseuille定律给出：定律给出：(1.12)孔隙介质中的粘滞力可根据达西定律表示为：孔隙介质中的粘滞力可根据达西定律表示为：(1.12)CgrvLP28KLvp1.2 微观水驱油机理微观水驱油机理 油水是两种不互溶液体，其界面张力高达油水是两种不互溶液体，其界面张力高达30-50mN/m。油层是高度分散体系，界面性质对油水
16、流动。油层是高度分散体系，界面性质对油水流动有着关键影响，特别是毛管力对油的滞留和排驱有着有着关键影响，特别是毛管力对油的滞留和排驱有着主导作用。油层岩石是由几何形状和大小极不一致的主导作用。油层岩石是由几何形状和大小极不一致的矿物颗粒构成的，形成一个复杂的空间网络，且矿物矿物颗粒构成的，形成一个复杂的空间网络，且矿物颗粒的组成也不完全相同，这些因素决定了孔隙介质颗粒的组成也不完全相同，这些因素决定了孔隙介质的微观几何结构和表面性质都是极不均一的。油层性的微观几何结构和表面性质都是极不均一的。油层性质的非均质性，增加了水驱油的复杂性，直接影响微质的非均质性，增加了水驱油的复杂性，直接影响微观水
17、驱油效率观水驱油效率ED。通过分析微观水驱油机理，了解水驱残余油的形成、通过分析微观水驱油机理，了解水驱残余油的形成、滞留和排驱，本节在单孔隙模型和双孔隙模型的基础上，滞留和排驱，本节在单孔隙模型和双孔隙模型的基础上，说明残余油的形成和捕集。说明残余油的形成和捕集。1.2.1 驱油效率（驱油效率（ED）(Displacement Efficiency)定义：油藏被水波及的体积内，水驱替的油量与波及体积内原油定义：油藏被水波及的体积内，水驱替的油量与波及体积内原油地质储量的比值，又称为洗油效率。驱油效率总是小于地质储量的比值，又称为洗油效率。驱油效率总是小于1 1。GrainsWaterOilS
18、weptArea oiorDSSE 11.1.1 孔隙介质中原油的捕集孔隙介质中原油的捕集 孔隙介质中原油或其它流体的捕集作用不是非常清楚，孔隙介质中原油或其它流体的捕集作用不是非常清楚，同时也不能以数学的方法给以精确的描述，但已知捕获机理同时也不能以数学的方法给以精确的描述，但已知捕获机理依赖于：依赖于：1）孔隙介质的孔隙结构；）孔隙介质的孔隙结构；2）与润湿性有关的流体）与润湿性有关的流体-岩石间的相互作用；岩石间的相互作用；3）界面张力反映的液）界面张力反映的液-液间的相互作用和流动不稳定性。液间的相互作用和流动不稳定性。1.1 微观水驱油机理微观水驱油机理1.1.1 单毛管中的水驱油单
19、毛管中的水驱油 油水是两种不互溶液体，其界面张力高达油水是两种不互溶液体，其界面张力高达30-50mN/m。油层是高度分散体系，界面性质对油水流动有着关键影响，油层是高度分散体系，界面性质对油水流动有着关键影响，特别是毛管力对油的滞留和排驱有着不可忽视的作用。油特别是毛管力对油的滞留和排驱有着不可忽视的作用。油层岩石是由几何形状和大小多极不一致的矿物颗粒构成的，层岩石是由几何形状和大小多极不一致的矿物颗粒构成的，形成一个复杂的空间网络，矿物颗粒的组成不完全相同。形成一个复杂的空间网络，矿物颗粒的组成不完全相同。这些因素决定了孔隙介质的微观几何结构和表面性质都是这些因素决定了孔隙介质的微观几何结
20、构和表面性质都是极不均一的。油层性质的非均质性，增加了水驱油的复杂极不均一的。油层性质的非均质性，增加了水驱油的复杂性，直接影响微观水驱油效率性，直接影响微观水驱油效率ED。1.单孔隙模型单孔隙模型 尽管单孔隙模型与实际的油藏相比，可能相差甚远。尽管单孔隙模型与实际的油藏相比，可能相差甚远。但是它仍然是一种有用的概念。如图但是它仍然是一种有用的概念。如图1.7所示，我们先研究所示，我们先研究一根等径毛细管。设毛细管的半径为一根等径毛细管。设毛细管的半径为r，油水界面的表面张，油水界面的表面张力为力为，油，油水界面弯液面的曲率半径为水界面弯液面的曲率半径为R，则弯液面两侧，则弯液面两侧的压差（即
21、毛细管压力）的压差（即毛细管压力）Pc应为：应为：（1.19）式中，式中，Po，Pw分别为油相和水相的压力，分别为油相和水相的压力，为接触角。为接触角。cos22Rpppcwo 图图1.7所示的油水界面，在柱形毛细管中系处于平衡状所示的油水界面，在柱形毛细管中系处于平衡状态。亦即，油、水两相处于静态平衡。如果，态。亦即，油、水两相处于静态平衡。如果，r=1m，=5mN/m，=0（表示毛细管表面完全为水所润湿），则：（表示毛细管表面完全为水所润湿），则：Pc=25mN/m10-6m =104N/m2 显然，如欲改变油显然，如欲改变油水相的静态平衡，而使油水两相水相的静态平衡，而使油水两相在毛细管
22、中流动，则所施加的压力必须大于在毛细管中流动，则所施加的压力必须大于Pc。这就是通。这就是通常所说的克服毛细管阻力。常所说的克服毛细管阻力。ososp p0wsws x x接触线接触线p pw 图图1.7 毛管中弯液面上的力平衡毛管中弯液面上的力平衡 毛细管是非等径时，如图毛细管是非等径时，如图1.8所示。设油滴两侧的曲率半径所示。设油滴两侧的曲率半径为为r1和和r2，界面均为轴对称，接触角也相同，则在，界面均为轴对称，接触角也相同，则在1点和点和2点位点位置，油滴处于静力平衡状态，则：置，油滴处于静力平衡状态，则：（1.20）如果要使油滴移动，由于如果要使油滴移动，由于r1r2，所以在，所以
23、在1点需要有一正压力点需要有一正压力方能把油滴推过喉道方能把油滴推过喉道2的窄口。如的窄口。如r1r2则上式近似为则上式近似为:图图1.8 变直径毛细管内油、水的界面示意图变直径毛细管内油、水的界面示意图)11(cos22121rrPP221/cos2rPP(1.21)显然，欲使油滴移动的压力，与孔隙喉道半径显然，欲使油滴移动的压力，与孔隙喉道半径r2相关。相关。例如，例如，r2=1m，=5mN/m，油和水性质同前，则要将此，油和水性质同前，则要将此油滴推过孔喉的压力必将大于油滴推过孔喉的压力必将大于104Pa。现在假定这些形态相同的非等径孔隙的平均长度现在假定这些形态相同的非等径孔隙的平均长
24、度L为为50 m，每个孔隙中都有一个，每个孔隙中都有一个 油滴，欲使每个油滴能够移动油滴，欲使每个油滴能够移动，则所需的压力梯度为：，则所需的压力梯度为：十分明显，这样大的压力梯度，对任何一个油藏的储十分明显，这样大的压力梯度，对任何一个油藏的储层都是无法建立的（除非通过增产措施，比如，压裂）。层都是无法建立的（除非通过增产措施，比如，压裂）。也就是说，要使油滴移动必须降低所需的压力梯度。然而也就是说，要使油滴移动必须降低所需的压力梯度。然而通常油藏能达到的压力梯度水平是通常油藏能达到的压力梯度水平是104Pa/m，即需要把界，即需要把界面张力减小面张力减小2104倍。倍。mMPamPaLPP
25、/2001050/10/)(6421 在水润湿岩心中被俘留的剩余油呈多种形态（如珠状在水润湿岩心中被俘留的剩余油呈多种形态（如珠状或滴状），并被封闭在单孔隙或多个孔隙中。当流动水施或滴状），并被封闭在单孔隙或多个孔隙中。当流动水施加在油上的力不能克服水优先润湿产生的毛细管力时，原加在油上的力不能克服水优先润湿产生的毛细管力时，原油就会被捕留住。油就会被捕留住。2.双孔隙模型双孔隙模型qopAq1q2q2p2p1r2r1pBl 图图1.9 并联毛管中的水驱油并联毛管中的水驱油（a）（b）（c）用图用图1.9中的并联孔隙模型可形象地说明水驱油时过程的中的并联孔隙模型可形象地说明水驱油时过程的基本特
26、征。在图基本特征。在图1.9中，水在半径分别为中，水在半径分别为r1和和r2的两个孔隙中的两个孔隙中驱油。在驱油。在A点和点和B点处，两孔隙相连形成并联孔隙。对此例点处，两孔隙相连形成并联孔隙。对此例来说，油水两相的粘度和密度是相等的。假设孔隙来说，油水两相的粘度和密度是相等的。假设孔隙1比孔隙比孔隙2小。如果一个孔隙中的驱替速度比另一个快，而且小。如果一个孔隙中的驱替速度比另一个快，而且AB两点两点间的压力不足以将孤立油滴从驱替速度较低的孔隙中驱替出间的压力不足以将孤立油滴从驱替速度较低的孔隙中驱替出来的话，油相就会俘留。来的话，油相就会俘留。并联孔隙模型中的捕获作用，可依据渗流的微元体模型
27、，估算每一并联孔隙模型中的捕获作用，可依据渗流的微元体模型，估算每一个孔隙中的水的流速和毛细管力来模拟。如果两相的密度都不变，各相个孔隙中的水的流速和毛细管力来模拟。如果两相的密度都不变，各相的渗流都是稳定的，而且可依据表达圆管中层流的的渗流都是稳定的，而且可依据表达圆管中层流的Poiseuille方程式计算方程式计算流速。若流速。若v1为孔隙为孔隙1中的流速，那么，由渗流流体和孔隙壁之间的粘滞中的流速，那么，由渗流流体和孔隙壁之间的粘滞力引起的压力降就可由以下方程式求出：力引起的压力降就可由以下方程式求出：(1.22)式中式中L1为被某一特定相充填的孔隙长度。由于孔隙被水优先润湿，为被某一特
28、定相充填的孔隙长度。由于孔隙被水优先润湿，就会在油水界面两边的水和油之间形成压差。方程式（就会在油水界面两边的水和油之间形成压差。方程式（1.23）表明油相）表明油相压力大于水相的力：压力大于水相的力：(1.23)211118rvLprppPwoccos2 如果我们考虑水进入孔隙如果我们考虑水进入孔隙1后后A、B两点间的压力分布，即：两点间的压力分布，即：式中，式中，pA-pw 水相中由粘滞力引起的压力降；水相中由粘滞力引起的压力降；pw-po由毛细管力引起的界面两边的压力变化；由毛细管力引起的界面两边的压力变化；po-pB 由粘滞力引起的油相中的压力降。由粘滞力引起的油相中的压力降。对于孔隙
29、对于孔隙1将方程式（将方程式（1.22）和）和(1.23)代入方程式（代入方程式（1.24）中，即可）中，即可得到方程式得到方程式(1.25)：（1.25）因为：因为：则：则：（1.26）21112118cos28rvLrrvLppoowwBAwo和和BoowwABAppppppppowLLL12118cABPrLvP 方程式方程式(1.26)右边的两项的数值是有用的。设想在半右边的两项的数值是有用的。设想在半径为径为r的单一孔隙中水驱油速度为的单一孔隙中水驱油速度为3.53 m s、孔隙的长、孔隙的长度为度为500 m，粘度为，粘度为1mP.s、界面张力为、界面张力为30mNm），），接触角
30、接触角为零。表为零。表1.1给出不同孔隙半径的给出不同孔隙半径的pA-pB数值。数值。12118cABPrLvP(1.26)表表1.1 水润湿孔隙中，孔隙速度为水润湿孔隙中，孔隙速度为3.35 m s 时，时，粘滞压力降同毛细管压力降的对比粘滞压力降同毛细管压力降的对比2/8rLv孔隙半孔隙半r（m）粘滞压力降粘滞压力降（Pa）毛细管压力毛细管压力pc(Pa)总压降总压降pA-pB(Pa)2.52.2624000-2399850.5612000-12000100.1416000-6000250.0232400-2400500.00561200-12001000.0014600-600 表表1.
31、2给出了相应于各个孔隙的流速为零、正值和负值给出了相应于各个孔隙的流速为零、正值和负值的压力降。两孔隙中同时驱替时，速度的压力降。两孔隙中同时驱替时，速度v1t和和v2必然为正值。必然为正值。这只有在这只有在PABPc1和和PABPc2时，才可能发生。由时，才可能发生。由于于r2r1,Pc2Pc1。只有当。只有当PABPc2时，才发生同时驱时，才发生同时驱替。替。孔隙孔隙1孔隙孔隙2V1=0 pAB=-pc1V10 pAB-pc1V10 pAB0 pAB-pc2V20 pABpw2。在半径为。在半径为r2的圆柱形孔隙中，接触角为的圆柱形孔隙中，接触角为的界面的的界面的曲率半径由方程式曲率半径由
32、方程式(1.30)求导。求导。（1.30）cos2rr图图1.11 孔隙孔隙2在驱替时的前进在驱替时的前进 与后退接触角与后退接触角 如果油珠处于静态平衡，但临近于开始运动的话，如果油珠处于静态平衡，但临近于开始运动的话，图图1.11中油珠两边的压力降就由方程式中油珠两边的压力降就由方程式(1.31)表示：表示：)cos(cos2221ARwwrpp（1.31）因为因为RA，所以，所以cosAcosR。方程式。方程式(1.31)表示表示当存在接触角滞后现象时，使油珠流动所需的最小压力。当存在接触角滞后现象时，使油珠流动所需的最小压力。3.岩石孔隙体系岩石孔隙体系岩石岩石油油水水 图图1.12
33、多孔隙网络体系多孔隙网络体系 油藏岩心对油的俘捕，并不只限于单孔或孔隙对子。实油藏岩心对油的俘捕，并不只限于单孔或孔隙对子。实际上，大量的俘留是在多孔隙的网络体系内，如图际上，大量的俘留是在多孔隙的网络体系内，如图1.12所所示。示。显然，在实际的多孔隙体系中，如所施加的压降能显然，在实际的多孔隙体系中，如所施加的压降能够克服毛细管阻力，从而引起流体流动。此时，粘滞力够克服毛细管阻力，从而引起流体流动。此时，粘滞力和毛细管力则将控制流体的状态。如果连续的油丝或油和毛细管力则将控制流体的状态。如果连续的油丝或油块渗过多孔介质，由于毛细管力和粘滞力的综合作用，块渗过多孔介质，由于毛细管力和粘滞力的
34、综合作用，可能在经过孔喉或隘口时液流断裂或被隔断，出现孤立可能在经过孔喉或隘口时液流断裂或被隔断，出现孤立的毛细管式油滴，如图的毛细管式油滴，如图1.13所示。所示。顺便指出，在多孔隙网络体系中，由于影响因数甚顺便指出，在多孔隙网络体系中，由于影响因数甚多，微观排驱机理复杂，尚有待于进一步研究。多，微观排驱机理复杂，尚有待于进一步研究。水相 pw+pw po 油相 po pw水相 水的渗流方向 L 图图 1.13 被俘留的油滴形态被俘留的油滴形态 润湿性对圈闭的影响润湿性对圈闭的影响 早期描述的模型和实验数据基于非湿相的圈闭，在一定早期描述的模型和实验数据基于非湿相的圈闭，在一定程度上相的润湿
35、性会影响捕集的性质和大小。润湿性作用的程度上相的润湿性会影响捕集的性质和大小。润湿性作用的一个重要例子，是不对称相对渗透率曲线，图一个重要例子，是不对称相对渗透率曲线，图1.14显示了强显示了强水湿和强油湿体系的典型曲线。水湿和强油湿体系的典型曲线。水饱和度,%PV(a)强水湿岩石 水饱和度,%PV(b)强油湿岩石 油 油 水 水 相对渗透率,分数 相对渗透率,分数 图图1.14 润湿性对相对渗透率曲线的影响润湿性对相对渗透率曲线的影响 当湿相被圈闭时，它被固相周围的薄液层束缚在相当湿相被圈闭时，它被固相周围的薄液层束缚在相互连接的小裂隙或缝隙中，润湿性和圈闭相的物理位置互连接的小裂隙或缝隙中
36、，润湿性和圈闭相的物理位置决定了孔隙介质中产生圈闭的长度或距离。决定了孔隙介质中产生圈闭的长度或距离。排驱非湿相时，非湿相以孤立油滴或油丝的形式被排驱非湿相时，非湿相以孤立油滴或油丝的形式被圈闭，且占据在大孔隙中，粘滞力和毛管力的竞争，导圈闭，且占据在大孔隙中，粘滞力和毛管力的竞争，导致在致在 短的距离内发生圈闭。短的距离内发生圈闭。当非湿相驱替介质捕集了湿相时，将在较长的距离当非湿相驱替介质捕集了湿相时，将在较长的距离产生圈闭，出现较早的水突破现象。产生圈闭，出现较早的水突破现象。1.4毛细管数的相关性毛细管数的相关性1.4.1毛细管数的意义毛细管数的意义 油滴能否流动不仅取决于油滴两瑞人工
37、建立的压力油滴能否流动不仅取决于油滴两瑞人工建立的压力降，而且，取决于弯液面上附加毛管阻力，即取决于施降，而且，取决于弯液面上附加毛管阻力，即取决于施加在油滴上的动力和阻力。用压力梯度加在油滴上的动力和阻力。用压力梯度PL表示油滴表示油滴受到的动力受到的动力(L为油滴长度，为油滴长度，P为施加在油滴上的压差为施加在油滴上的压差)。关于阻力，按照式。关于阻力，按照式(1.27)，它与，它与、毛管半径和动力滞、毛管半径和动力滞后有关。除后有关。除外，其它都是难于确定的量，所以，定量外，其它都是难于确定的量，所以，定量描述阻力往往只涉及描述阻力往往只涉及。对于一定性质的孔隙介质，毛管数定义为对于一定
38、性质的孔隙介质，毛管数定义为 ，用用Nc表示，即表示，即 v Nc是一无因次数，它表示在一定润湿性和一定渗透是一无因次数，它表示在一定润湿性和一定渗透率的孔隙介质中两相流动时，排驱油滴的动力，即粘滞率的孔隙介质中两相流动时，排驱油滴的动力，即粘滞力力v，与阻力，与阻力之比。之比。vNc(1.32)残余油饱和度同毛细管力和粘滞力的相关关系残余油饱和度同毛细管力和粘滞力的相关关系 残余油饱和度对拘留作用存在的毛细管力和粘滞力残余油饱和度对拘留作用存在的毛细管力和粘滞力的依赖性已论证过。而且，的依赖性已论证过。而且，Abrsms依据水湿多孔介质依据水湿多孔介质的广泛试验加以确认。的广泛试验加以确认。
39、Moore和和Slobed运用量纲分析和运用量纲分析和标配原则，提议将残余油饱和度视为代表粘滞力同毛细标配原则，提议将残余油饱和度视为代表粘滞力同毛细管力之比的无量纲数组的函数，方程（管力之比的无量纲数组的函数，方程（1.33）给出了数）给出了数组的定义，即：组的定义，即：cosoWw毛细管力粘滞力1.34 贝雷露头砂岩贝雷露头砂岩 Nca/cos 图图1.15 岩心中水突破时含油饱和度岩心中水突破时含油饱和度 与与Nca/cos 的相关关系的相关关系 油饱和度油饱和度(突破时突破时)Abrams证明了这种相关关系的普遍性。他研究过证明了这种相关关系的普遍性。他研究过6种种不同的砂岩和灰岩的不
40、同的砂岩和灰岩的IFT，流体粘度和渗流速度对，流体粘度和渗流速度对Sor的的影响。对所有的岩样都做了处理以使其变成强水湿。影响。对所有的岩样都做了处理以使其变成强水湿。Abrams用一种修正的毛细管数与剩余油饱和度互相关联。用一种修正的毛细管数与剩余油饱和度互相关联。方程式（方程式（1.34）中的速度）中的速度，在恒定速度注水时，变为，在恒定速度注水时，变为v/(soi-sor)。加入一个代表粘度的影响项可以减少数据的分。加入一个代表粘度的影响项可以减少数据的分散性。经修正过的毛细管数，在注水速度恒定时，用方散性。经修正过的毛细管数，在注水速度恒定时，用方程式（程式（1.35）来逼近：）来逼近
41、：4.0)(cos)(owoworoiwSSNcam1.35 cos1 样品号样品号 样品来源样品来源 Sor，%PV 无因次无因次,)(cos4.0owwOw 图图 1.16 流体粘度、流体粘度、IFT 和渗流速度对和渗流速度对 各种各种 岩样的岩样的 Sor的影响的影响 由图由图1.16看出，所有砂岩相关关系都有一个特征看出，所有砂岩相关关系都有一个特征动向动向:在在Ncam小于小于l0-6时，曲线较平缓，残余油饱和度变时，曲线较平缓，残余油饱和度变化不大，这是普通水驱油的毛管数范围，是毛管力对排化不大，这是普通水驱油的毛管数范围，是毛管力对排驱起支配作用驱起支配作用;每种砂岩的拐点都不一
42、样，随每种砂岩的拐点都不一样，随Ncam增加，残余油饱增加，残余油饱和度下降，在和度下降，在l0-5Ncam1的粘性指进的粘性指进(混相驱混相驱)0.152）粘性指进出现的评判标准）粘性指进出现的评判标准 虽然已经提出了几种描述多孔介质中非混相驱替过程中粘虽然已经提出了几种描述多孔介质中非混相驱替过程中粘性指进的模型，但性指进的模型，但Collins描述的确定出现粘性不稳定性模型更描述的确定出现粘性不稳定性模型更为简单。考虑一线性的、溶剂混相驱油体系，如图为简单。考虑一线性的、溶剂混相驱油体系，如图1.28，流动，流动是单相的，并且重力对流动没有影响。在当前时间下，溶剂前是单相的，并且重力对流
43、动没有影响。在当前时间下，溶剂前缘沿流动路径位于缘沿流动路径位于Xf位置。位置。流动边界区域由虚线所示，在前缘位于流动边界区域由虚线所示，在前缘位于Xf+的位置，溶剂前缘出现的位置，溶剂前缘出现了一个小的紊乱或突起部。了一个小的紊乱或突起部。长度参数长度参数表示相对于表示相对于xf较小的一个长度。紊乱形态或小排驱形态清较小的一个长度。紊乱形态或小排驱形态清楚地表明，在曲曲弯弯流道的多孔介质中的排驱过程，将发生粘性指进。楚地表明，在曲曲弯弯流道的多孔介质中的排驱过程，将发生粘性指进。分析的焦点是确定分析的焦点是确定随时间增加的条件，因为，随时间增加的条件，因为，随时间增加，那么随时间增加，那么前
44、缘将不稳定；例如，沿前缘会形成粘性指进。在前缘将不稳定；例如，沿前缘会形成粘性指进。在不增加或缩减的条件不增加或缩减的条件下，前缘稳定或可维持平坦的前缘。下，前缘稳定或可维持平坦的前缘。溶剂溶剂油油 Lx=0图图1.28 粘性指进定量确定的流动模型粘性指进定量确定的流动模型 分析过程是通过检测不同区域的流动阻力来完成的。如分析过程是通过检测不同区域的流动阻力来完成的。如果假设油和溶剂的阻力是连续的，在未伸出的区域应用达果假设油和溶剂的阻力是连续的，在未伸出的区域应用达西方程，则有：西方程，则有：kxLukxuPPfofsxfLxf)()()(式中：式中：（p）L.xf 从从xf 位置到位置到
45、L位置的压力降；位置的压力降；(p)xf 从入口到从入口到 xf 位置的压力降；位置的压力降；u表观表观(Darcy)前缘速度；前缘速度；k孔隙介质的渗透率；孔隙介质的渗透率；o油的粘度；油的粘度；s溶剂的粘度。溶剂的粘度。已知：已知：u=(dxf/dt)（1.92）(1.93)P为穿过体系的总压降，定义为为穿过体系的总压降，定义为(PL.Po)，设，设 M=o/s，前缘速，前缘速度为：度为：(1.94)在伸出的流动区域，同样应用达西方程，则：在伸出的流动区域，同样应用达西方程，则：(1.95)假设假设xf（这是最初的假定），方程（这是最初的假定），方程1.95是是作为因变量的普通作为因变量的
46、普通差分方程（给差分方程（给xf是常数的附加假定），是常数的附加假定），的解是：的解是：(1.96)其中，其中，)(fofsfxLxPkdtdxfsfxMMLPkdtdx)1()(1()(fsfxMMLPkdtxdCte0fsxMMLMPkC)1()1(0指进的初始长度，例如，时间为零的长度。方程指进的初始长度，例如，时间为零的长度。方程1.96和和1.97的检测表明，当的检测表明，当M 1时，时，呈指数形式增长（呈指数形式增长（P是一负是一负值）；值）；若若M l 称为不利流度比，称为不利流度比，M l 称为有利流度比称为有利流度比。油油 油油 水水 水水 图图 1.30 水驱油的重力模型水
47、驱油的重力模型(b)(a)在均质的单一地层中，排驱流体与被排驱流体之间的重力在均质的单一地层中，排驱流体与被排驱流体之间的重力分离也将引起舌进。如水驱油，水将沿油层下部凸入油区；若分离也将引起舌进。如水驱油，水将沿油层下部凸入油区；若在水平地层中进行气驱，气体将沿油层上部凸大油区。在水平地层中进行气驱，气体将沿油层上部凸大油区。图图1.30是水驱油重力分离的舌进模型，其中（是水驱油重力分离的舌进模型，其中（a）图是低速）图是低速排驱，图排驱，图1.30b是高速排驱，它们表示速度对重力舌进的影响。是高速排驱，它们表示速度对重力舌进的影响。重力舌进在厚油层中更为明显。重力舌进在厚油层中更为明显。前
48、缘提前突破对波及系数的影响前缘提前突破对波及系数的影响 粘性指进和舌进都引起前缘提前突破，它们是影响波及系数的主要因数。粘性指进和舌进都引起前缘提前突破，它们是影响波及系数的主要因数。前缘突破后，在生产井和注水井之间构成一条低阻抗的流道，水主要进入前缘突破后，在生产井和注水井之间构成一条低阻抗的流道，水主要进入这一流道。这一流道。注水速度一定，必将降低其它流道的注水量。这时，大部分水仅无效地穿过注水速度一定，必将降低其它流道的注水量。这时，大部分水仅无效地穿过油层，不能发挥排驱剂的作用。油层，不能发挥排驱剂的作用。若排驱为活塞式推进，可以利用式（若排驱为活塞式推进，可以利用式（1.98）计算突
49、破后注）计算突破后注入水在高低渗透层的分配比，即入水在高低渗透层的分配比，即:(1.98)式中：式中：水在油层中的活塞式推进的前缘速度；水在油层中的活塞式推进的前缘速度；参与流动的孔隙体积（参与流动的孔隙体积（PV）；）；完全排驱，完全排驱，不完全排驱。不完全排驱。L油层模型的长度；油层模型的长度；x油水前缘到达位置；油水前缘到达位置；水驱内水的相对阻抗；水驱内水的相对阻抗；油区内油的相对阻抗。油区内油的相对阻抗。)(xLkxkpkvroorwwDwwvD)1(wcDs)1(orwcDssrwwkrwok 式中：式中：、分别为高低渗透层流速；分别为高低渗透层流速；、分别为高低渗透层的渗透率。分
50、别为高低渗透层的渗透率。过大的分配比预示大部分水进入了高渗透层，影响突破过大的分配比预示大部分水进入了高渗透层，影响突破后波及系数继续提高，最终影响后波及系数继续提高，最终影响Eslim。LUkxLUxUkwlowhlhR)(h1hk1k(1.99)1.5 水驱采收率的影响因素水驱采收率的影响因素 影响原油采收率的因素相当复杂，根据其定义，采收率影响原油采收率的因素相当复杂，根据其定义，采收率主要由微观驱油效率和宏观驱油效率两个因素决定。实际上主要由微观驱油效率和宏观驱油效率两个因素决定。实际上，这两个因素包括了许多内容，即微观岩性组成、微观孔隙，这两个因素包括了许多内容，即微观岩性组成、微观
