1、第三章第三章 储层中多相流体的渗流特性储层中多相流体的渗流特性 由第一章和第二章所学内容可以知道，油藏岩石和油藏流体具有如下主要特性：1、油藏岩石具有比面大、孔隙结构复杂、高度分散等特性；2、油藏中的油、气组分和相态复杂，且随着温度和压力的变化，油气的物理性质及相态发生复杂的变化；油藏开采中，大多是油、水两相流体或是油、气、水三相流体在岩石孔隙中流动。岩石中多相流体存在时，流体的渗流特性将变得更加复杂：1、由于分子力作用等因素的变化，使油-水-岩石系统或油-气-岩石系统界面性质的复杂性；2、由于岩石表面的润湿性等因素的变化，使油、气、水在岩石孔隙中分布的复杂性；3、由于岩石的润湿性的不同以及严
2、重的毛管现象等，使油、气、水多相流体在岩石孔隙中流动的复杂性；?本章教学主要内容：本章教学主要内容：1、油藏流体的界面张力 界面自由能、界面张力、吸附现象及其对界面张力的影响 2、油藏岩石的润湿性 岩石的润湿性及其影响因素、岩石润湿性与水驱油的相互关系。3、油藏岩石的毛管压力曲线 毛细现象和毛管力、任意曲面的附加压力、毛管中液体的上升（或下降）岩 石毛管压力曲线的测定及换算、岩石毛管压力曲线的基本特征、毛管压力曲线 的应用。4、油藏岩石的相对渗透率曲线 有效渗透率和相对渗透率、相对渗透率曲线特征及影响因素、相对渗透率曲 线的应用。?本章教学重点、难点：本章教学重点、难点：1、岩石润湿性及润湿性
3、与水驱油的相互关系 2、岩石毛管压力曲线特征及其应用 第一节第一节 油藏流体的表面张力油藏流体的表面张力 一、两相界面层的自由表面能 界面：任何两相分界面通称为界面，如岩石油（水）界面、油水界面。表面：当接触的两相中有一相是气相时,则把界面习惯称为表面，如空 气水的分界面称为“水的表面”；岩石气体的分界面称为“岩石的 表面”。内聚力：同一相的内部分子之间的作用力。吸附力（附着力）：界面两种不同相的分子间的作用力。净吸力：净吸力=内聚力-吸附力 一、两相界面的自由表面能 1、自由表面能的概念 以水的表面为例，进行自由表面能的分析：b分子水相内部分子。受到周围同类水分子力的作用，其分子力场处于相对
4、平衡状态。a分子表面层水分子。水分子间的作用力大于空气分子对其的作用力，所受的合力的方向指向水相内部并与表面垂直。使分子a有向水相内部下沉的趋势（自动缩小）。a、b分子受力分析结果说明：表面层分子 a比水相内部分子 b具有更多的能量。自由表面能：由于分子力场的不平衡使得表面层分子储存了多余的能量，我们把这种能量称为自由能 即两相界面层的自由表面能。一、两相界面层的自由表面能 2、自由表面能性质 由上面分析结果知道：表明水分子 a 比水相内部水分子 b具有更多的“自由能”。因此有：A、假若把水分开使其产生新界面（界面积增大），就必须做功，做功的能量就转化为新生界面（界面积增大）的自由表面能。B、
5、假若把水的内部分子举升到水面，就必须做功。做功的能量就转化为自由表面能。自由表面能性质：（1）只有存在不互溶的两相时自由表面能才存在。以上是分析水空气表面。对于任意两相，不论是气和液、液和液，还是气和固、液和固的界面，都存在有上述的自由界（表）面能。而完全互溶的两相（例如酒精和水、煤油和原油），由于它们之间不存在界面，所以也就不存在自由界面能。（2）表（界）面越大，自由表（界）面能也越大 由热力学第二定律知，任何自由能都有趋于最小的趋势。由于等体积物体以球体表面积最小，表面能也最小，所以水银滴掉在桌面上变成球形，而不是其它形状，以使自由表面能居于最小。（3）自由表（界）面能不仅存在界面层分子，
6、而是存在具有一定厚）自由表（界）面能不仅存在界面层分子，而是存在具有一定厚 度的界面层度的界面层 表（界）层的结构和性质与每一相的性质都不同，是一个逐渐过渡的分子层。在该过渡层中的分子，都具有自由表面能，只是大小不同而已。（4）自由表（界）面能的大小与两相分子性质有关系。两相分子的极性差越大，表（界）面能越大。水是液体中极性最大的，而干净的空气极性很小，因此水 空气界面的表面能最大。原油和四氯化碳的极性差很小，乃至界面消失而互溶，正因为如此，油层物理实验中用四氯化碳来提取岩心中的石油。（5）自由表（界）面能还与两相的相态有关。液气相界面的自由表面能液液相界面的自由界面能。液固之间的自由界面能液
7、气之间的自由表面能。二、比表面能和表面张力 1、比表面能或表面张力（）的基本概念 比表面能：比表面能：界面界面单位面积具有的自由表面能称比表面能。单位：尔格/厘米2 因为：1尔格/厘米2=1达因1厘米/厘米2=1达因厘米（dyn/cm）。所以：比表面能也等于界面单位长度上的力，所以习惯上把比表面能称为表 面张力。面张力。用符号（）表示。国际通用单位：毫牛顿米（mN/m）。1mN/m=1 dyn/cm 在20时 水与空气接触时的表面张力=72.8 mN/m 水银与空气接触时的表面张力=484 mN/m 二、比表面能和表面张力 2、比表面能和表面张力的分析（1）比表面能和表面张力都是用来衡量两相界
8、面层表面自由能的大小，它们具有相同的本质。（2）在两相系统的界面，表面张力只是自由表面能的一种表示方法，两相系统的界面不存在真实的“张力”。（3）在三相系统的周界上，有界面的张力存在，它是各自两相界面层自由表面能在三相周界的接触点相互“争夺”的结果。?如图所示，一滴油滴在水面上则有三种界面，即油-气（2-3）、油-水（2-1）和水-气（1-3）界面，各自界面层的表面能在三相周界的争夺则呈现三种表面张力2-3、1-2 和1-3，当三者达到平衡时有：a、三相周界上有界面的张力存在；b、各该两相界面张力的大小等于各自的比表面能；c、界面张力的方向确定：界面为平面时，则在界面上；界面为曲面时，则在 界
9、面的切平面上；d、张力的作用点为三相周界的作用点。322131?三、油藏流体间的界面张力分析 油藏流体（油、气、水）间的界面张力取决 与流体的组成、油藏温度和压力。?=f（流体的组成、P、T）1、地面原油气体两相系统 1）T?、P?（见图8-6）原因：T?油相蒸发为气体?油相分子间作 用力下降、油气分子间 作用力增大?界面分子间 的力场不平衡减弱?。原因：P?气体溶于油相中?油相分子间作 用力下降?界面分子间的力场不平衡减弱?。2）气体溶解系数?（见图）2、地层原油气两相系统 因为地层油在油藏高温、高压下溶解 有大量的天然气，所以，有大量的天然气，所以，油藏中气顶附近的 油气界面张力小于地面脱
10、气原油的界面力。3、脱气原油水系统?与P、T无关（如图中曲线1）。因为油水都为液态，压缩性及界面分子热力学性质变化一致。4、地层油水系统 （如图中曲线2）1）PPb时，P?原因：PPb时，P?Rs?、?o?;2）PPb时，P?，当P在增大某一值时，?基本不变，此时具有脱气原油水系统的界面张力的性质。3）T?基本不变。曲线 1：脱气原油与水的系统，曲线2：饱和氮的原油与水的系统 四、吸附作用及其与表面张力的关系 1、表面活性剂及其分子结构特性 表面活性剂：溶入少量就能显著降低溶液表面张力的物质。表面活性剂分子特性：具有两性基团；亲水基团和亲油基团；通常用“O”代表。“”代表亲油基团，“O”代表亲
11、油基团。例如钠肥皂分子：化学分子式为：C16H33COONa。结构式为：“O”Na=OOCH HH HC CHHHHHHHHHHHHC CCCCCHHHHHHHHC C C CHHHHC CHHCHHHC2、吸附基本概念、吸附基本概念 1）吸附：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显 著减小该界面层的表面张力的过程称之为“吸附”。被吸附的物质 是表面活性物质。如肥皂溶于水的过程 吸附过程 2）吸附原则 极性A极性C 极性 B 其中C为吸附在A、B两相界面层的物质。3）吸附特征：发生在两相界面、溶液中浓度分布不均匀、降低界面张力 代表浓度增加3、比吸附、比吸附 比吸附（G）：界面
12、层单位面积上的多余吸附量（与相内相比）。气液表面的比吸附（G）通常用Gibbs 比吸附公式来描述：式中：G吉布斯比吸附量；C溶质浓度；()T表面活度，即在某一温度下，表面张力随溶液浓度 的变化率；T，R绝对温度和通用气体常数。TCCRTG)(1?C?3、比吸附 1）当 0 时，比吸附G为正值，称为正吸附，表明表面张力随溶质浓度的增加而减少，溶质C为表面活性物质；2）当 0时，比吸附G为负值，称负吸附，表明表面张力随溶质浓度的增加而增加，溶质C为表面非活性物质。3）当 =0时，比吸附G为0，表明没有吸附发生。C?C?C?4、比吸附与表面张力的关系 比吸附等温线：比吸附G与溶液中表 面活性物质浓度
13、之间的关系曲线。表面张力等温线：表面张力与溶液 中表面活性物质浓度之间的关系曲线.1）C 较小时，C?G迅速?，?迅速?。2）C增大到一定程度时（吸附饱和），C?G和?不变这时表面活性剂在水相内形成胶束。代表浓度增加第二节第二节 储层岩石的润湿性储层岩石的润湿性 及其对水驱油的影响及其对水驱油的影响 本节内容主要包括以下方面：1、润湿性概念 、岩石润湿性 、润湿滞后现象及其影响因素 、油藏岩石润湿性的测定 、岩石润湿性与水驱油的相互关系 一、储层岩石润湿性 、润湿的基本概念：（1）润湿：自然界现象：将水滴在玻璃板上，水在玻璃板上迅速铺开，而如果是水银滴在玻璃板上，水银液滴在玻璃板上呈现球滴。润
14、湿：是指液体在分子力的作用下沿固体表面流散的现象。空 气 空 气 水 水银 玻 璃 玻 璃 润湿研究对象：不混容的两相液体固体三相体系，或液体气体固体三相体系。（2）润湿相流体与非润湿相流体：能沿固体表面铺开的那一相称为润湿相流体，另一相称为非润湿相流体。（气相在大多数情况下是非润湿相）（水空气玻璃体系中，水为润湿相流体，空气为非润湿相流体）（水银空气玻璃体系中，水银为非润湿相流体，空气为润湿相流体）（3）选择性润湿：固体表面优先于哪一种流体润湿。（水空气玻璃体系中，玻璃表面对水选择性润湿）（水银空气玻璃体系中，玻璃表面对空气选择性润湿）、储层岩石润湿程度的确定接触角（）（润湿角）研究对象：水
15、油岩石三相体系。（气油岩石和气水岩石三相体系 中，气体为非润湿相流体）分别以代表水、代表油、代表岩石。表示岩石润湿性程度的参数接触角(也称润湿角)接触角的确定：通过水-油-岩石三相交点做水-油界面的切线，切线与水-岩石界面之间的夹角（经过水相）称为接触角（）。（0 0）（）当（）当90时，时，水对岩石表面选择性润湿；水为润湿相流体；岩石亲水或称水湿岩石；越小，岩石的亲水性越强；（）当（）当90时，时，油对岩石表面选择性润湿；油为润湿相流体；岩石亲油或称油湿岩石；越大，岩石的亲油性越强；（）当（）当=90时，时，油、水润湿岩石的能力相当，岩石既不亲水也不亲油，即岩石为中性润湿；中性润湿；、润湿的
16、实质 油水对岩石表面选择性润湿是作用于三相周界的两相界面张力相互作用的结果，当其达到平衡时，有：2,3=1,3+1,2 cos 2,3-1,3=1,2 cos=A（润湿张力）A的物理意义：水对岩石表面选择性润湿导致油岩石界面比表面能的减小。润湿的实质：固体表面自由能的减小。4、附着功W(也称粘附功)附着功W：指将单位面积的湿相流体(如水)从固体表面(亲水岩石表面)驱开所 作的功。（是润湿的反过程。）由上图知，拉开前的比表面能为1,3，拉开后的比表面能为2,3+1,2 因此：W=（2,3+1,2）-1,3 因为：2,3-1,3=1,2 cos 所以：W=1,2（1+cos）由上式看出，角越小，附
17、着功W越大，即湿相流体（水）对岩石的润湿程度越强；因此，研究附着功的意义是：用附着功判断岩石润湿性。5、润湿反转现象 润湿反转：在一定条件下，加入表面活性剂（或其它的特殊处理方法），使岩石表面的亲水性和亲油性相互转化的现象。表面活性物质自发地吸附在两相界面上并使界面张力减小，因此，表面 活性物质吸附于岩石表面，将可能导致：（1）亲水性的岩石表面的亲水性变弱甚至变成亲油性表面；（2）亲油性的岩石表面的亲油性变弱甚至变成亲水性表面。研究岩石润湿反转的意义：研究岩石润湿反转的意义：岩石润湿反转的特性，已被油田得到了广泛的合理应用。表面活性剂驱油是合理应用润湿反转特性的一个实例。从地面向油层注入一定量
18、的表面活性剂溶液，通过表面活性剂在油层岩石颗粒表面的吸附，使亲油岩石颗粒表面向亲水转换，有利于“剥落”岩石颗粒表面的“油膜”，从而达到提高原油采收率的目的。二、润湿滞后现象及其影响因素 润湿滞后是在流体流动过程中出现的一种润湿现象。如图下所示，将原来水平放润湿滞后是在流体流动过程中出现的一种润湿现象。如图下所示，将原来水平放置的亲水固体（岩石）表面倾斜一个角度，可以发现，油-水-固（岩石）三相周界不能立即向前移动，而是油-水两相界面发生变形，使得原始的接触角发生改变，然后，三相周界才向前移动。润湿滞后：指三相润湿周界沿固体表面移动的迟缓而产生润湿接触角改变的现象。润湿滞后的影响因素包括：倾斜一
19、个角度 1、润湿次序（三相周界的移动方向）的影响 润湿次序的含义：固体（岩石）表面一开始是和油接触，后来水把油驱赶走代之以水和固体（岩石）表面接触，或者是反之的情况。三相周界的移动方向的含义：A点移动方向是水驱油的方向，即水将占据油原来的部分空间；B点移动方向是油驱水的方向，即油将占据水原来的部分空间；前进角（1）：水驱油（润湿相流体驱赶非润湿相流体）时的接触角；后退角（2）：油驱水（非润湿相流体驱赶润湿相流体）时的接触角；由于润湿次序的不同产生了两个不等的接触角，且在一般情况下有：1 2（为原始接触角）静润湿滞后：由润湿次序不同 而引起的接触角的变化。2、三相周界移动速度的影响 如下图所示，
20、油水在岩石孔隙中静止时，接触角为30，岩石表面具有较强的水润湿；当水驱油在岩石孔隙中流动时，接触角发生了改变，接触角随水驱油速度的增大而变大，即滞后现象越严重，当水驱油速度的增大到某一值时，岩石表面变为亲油性，发生了润湿反转现象。动润湿滞后：由三相周界移动速度而引起的接触角的变化。静止时，=30，岩石亲水 1 2 水驱油速度为 V1时，=60，岩石亲水性减弱 水驱油速度为 V2 V1时，=75，岩石亲水性再减弱 水驱油速度为 V3 V2时，=115，岩石类似亲油性，发生润湿反转 3、固体表面粗糙度的影响 岩石颗粒表面粗糙程度增加，三相周界移动更加迟缓，润湿滞后现象更为显著。固体的棱角和尖锐凸起
21、对润湿滞后有很大的影响。尖锐对对三相周界的移动阻力很大，如下图所示，此时接触角应该加上“形角”，才能反映滞后现象，“形角”越大，滞后也越显著。4、表面活性物质吸附的影响、表面活性物质吸附的影响 石油中天然活性物质或人工注入油层的活性剂吸附在岩石的的表面，润湿滞后现象增强。下图表明：曲线1：在光滑干净的大理石表面，水滴趋于平衡的速度很快；曲线2：在油中预浸59天的大理石表面，水滴趋于平衡的速度较慢；曲线3：经过油酸（活性剂）预处理的大理石表面，水滴趋于平衡的速度更慢；三、储层岩石润湿性的测定三、储层岩石润湿性的测定 1、测定光滑岩石表面的接触角方法（直接法）如图837所示，其原理是把欲测岩石样品
22、（矿物）加工成平板、表面经过磨光处理，浸入液体（油或水）中，在平板光面上滴一滴直表面经过磨光处理，浸入液体（油或水）中，在平板光面上滴一滴直径约为12mm的液体（水或油）；通过光学系统或显微镜将液滴放的液体（水或油）；通过光学系统或显微镜将液滴放大并拍照，便可以直接在照片上测出接触角。hD岩片观测器观测器岩片注水针注油针水滴油滴油水2、测定附着功的方法、测定附着功的方法（间接法）附着功W：指将湿相流体(如水)中从固体表面(亲水岩石表面 驱开所作的功。W=1,2（1+cos）W越大，指将湿相流体(水)中从亲水岩石表面驱开所作的功越大，岩石的亲水性越强。3、自吸法（间接法）自吸法的步骤：如图839
23、所示。亲水岩石：将饱和油的岩样放入吸水仪（图b）中。因岩石亲水，在毛管力的作用下，水会自动渗入岩样的孔隙中并将岩石中的油驱替出来。被驱出的油上浮到吸水仪的顶部，其体积可从吸水仪上部刻度读出。岩样吸水，就表示岩石有一定的亲水能力。亲油岩石：把饱和水的岩样浸入吸油仪中(图a)中。因岩石亲油，在毛管力的作用下，油会自动渗入岩石中并将水驱替出来。驱出的水沉于仪器底部，其体积由管上刻度读出。岩样吸油，就表示岩石有一定的亲油能力。水 油油水（b）吸水排油（亲水岩石）（a）吸油排水（亲油岩石）4、自吸驱替法（、自吸驱替法（间接法）自吸驱替法步骤：(1)吸油实验：将饱和水的岩心放入吸油仪 中吸油排水，测出自吸
24、油排水量。(2)油驱水实验：接着在夹持器中用油驱，测出油驱排水量。(3)吸水实验。让饱和油（只含束缚水）的 岩心自吸水，测出自吸水排油量；(4)水驱油实验：再将岩心放入夹持器内用 水驱，测出水驱出油量。（见图8-40）。润湿性的判断润湿性的判断 计算水湿指数和油湿指数，根据水湿指数和油湿指数计算水湿指数和油湿指数，根据水湿指数和油湿指数确定岩石的润湿性。?油驱排水量自吸油排水量自吸油排水量油湿指数水驱排油量自吸水排油量自吸水排油量水湿指数 润湿指数 润 湿 性 亲 油 弱 亲 油 中 性 弱 亲 水 亲 水 油湿指数 约l0.8 约0.70.6 两指数相近 约0.40.3 约0.20 水湿指数
25、 约00.2 约0.30.4 约0.60.7 约0.81 四、油藏岩石的润湿性 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(a)水：环状，油：迂回状 (d)水：迂回状，油：环状，(b)水、油：迂回状 (e)水：油：迂回状(c)水：迂回状，油：孤滴状 (f)水：孤滴状，油：迂回状 注水初期注水后期砂粒湿相水非湿相油图831“渠道流态”示意图湿相驱非湿相 非润湿相驱出湿相的过程称之为驱替过程。湿相驱出非湿相的过程则称之为“吸吮过程”1、润湿性对油水微观分布的影响 水 水 油砂粒水 水 图833亲水岩石水驱油是吸吮过程 1、润湿性对油水微观分布的影响 驱替初期驱替中期驱替结束后水砂粒
26、油图834亲油岩石注水过程中的油水分布 水 油水 油水 油水 油砂粒图835亲油岩石水驱油是驱替过程 1、润湿性对油水微观分布的影响 注水初期注水后期砂粒湿相水非湿相油图831“渠道流态”示意图湿相驱非湿相 非润湿相驱出湿相的过程称之为驱替过程。湿相驱出非湿相的过程则称之为“吸吮过程”1、润湿性对油水微观分布的影响 水 水 油砂粒水 水 图833亲水岩石水驱油是吸吮过程 1、润湿性对油水微观分布的影响 驱替初期驱替中期驱替结束后水砂粒油图834亲油岩石注水过程中的油水分布 水 油水 油水 油水 油砂粒图835亲油岩石水驱油是驱替过程 1、润湿性对油水微观分布的影响 1、润湿性对油水微观分布的影
27、响 1、润湿性对油水微观分布的影响 2、润湿性决定着孔道中毛管压力的大小和方向 上述油水分布和流动规律，一方面取决于岩石表面润湿性，另一方面也取决于岩石孔道中的毛管压力。而毛管压力的大小和方向又取决于毛细管孔隙是亲水毛管还是亲油毛管。亲水毛管的毛管压力的方向与注水的驱动压差方向一致，此时毛管压力为驱油的动力；相反，亲油毛管的毛管压力与注水驱油方向相反，毛管压力为阻力。因此毛管压力的大小和方向，直接影响着流体在岩石中的流动，对于驱油有着重要的作用，为此将在下一章专门研究毛管压力。3、润湿性对采收率的影响 对一般均质润湿系统，水湿储层的采收率要比油湿储层高。这是因为，在水驱油过程中，亲水岩石由于注入水的自动吸入，可以减少粘滞引起的不同孔隙中液体流动速度的差异，克服粘性指进，使油水分布有利于水驱油，水所波及范围较大，水的润湿作用能充分发挥，因此采收率要高。从图836可以看出，油藏岩石润湿性不同，注入同样体积水时，原油的采收率不同。例如，当注入水体积是孔隙体积0.7倍时，强亲油岩石油藏采收率为37，而对于强亲水岩石，其采收率为57。3、润湿性对采收率的影响
