1、油气层渗流力学Mechanics of the Oil and Gas Flow in Porous Media第二章 油气渗流的基本规律 第一节 油气渗流的力学基础 第二节 油气渗流的达西定律 第三节 油气渗流的非达西定律 第四节 两相渗流规律关键词：受力、驱动方式、达西定律、毛管力、相渗曲线油气层渗流力学Mechanics of the Oil and Gas Flow in Porous Media第二章 油气渗流的基本规律 第一节 油气渗流的力学基础 第二节 油气渗流的达西定律 第三节 油气渗流的非达西定律 第四节 两相渗流规律关键词：受力、驱动方式、达西定律、毛管力、相渗曲线第一节
2、油气渗流的力学基础一、流体及多孔介质的力学分析流体及多孔介质的力学分析 流体受力（重力、惯性力、粘滞力、弹性力、毛细管力）流动1、重力n 定义：地球对流体的吸引力n 特性：动力或者阻力（厚油藏或倾斜油藏）n 举例：A-阻力；B-动力AAB 重力渗流方向B 重力渗流方向A-阻力；B-动力第一节 油气渗流的力学基础一、流体及多孔介质的力学分析流体及多孔介质的力学分析 流体受力（重力、惯性力、粘滞力、弹性力、毛细管力）流动2、惯性力n 定义：由物体的惯性所表现出来的力n 特性：当流体开始流动或流速发生改变（大小、方向），会产生惯性力；大小取决于质量（密度）和加速度，是流体渗流的阻力n 举例：起始流动
3、阻力（惯性力是重要因素）第一节 油气渗流的力学基础一、流体及多孔介质的力学分析流体及多孔介质的力学分析 流体受力（重力、惯性力、粘滞力、弹性力、毛细管力）流动3、粘滞力n 定义：流动时，流体分子之间产生的内摩擦力n 特性：与粘度有关，是渗流的阻力n 举例：稠油的驱替压差较大，天然气生产压差小第一节 油气渗流的力学基础一、流体及多孔介质的力学分析流体及多孔介质的力学分析 流体受力（重力、惯性力、粘滞力、弹性力、毛细管力）流动4、弹性力n 定义：岩石、流体处于压缩状态，衰竭式开采时，储层压力下降，弹性力表现为弹性能的释放，采用压缩系数表征n 特性：压力越大，弹性能聚集就越多，弹性力就越强，是渗流动
4、力n 举例：自喷井第一节 油气渗流的力学基础一、流体及多孔介质的力学分析流体及多孔介质的力学分析 流体受力（重力、惯性力、粘滞力、弹性力、毛细管力）流动5、毛细管力n 定义：毛管中两相流体在流动时，相界面弯曲液面产生的附加力n 特性：与流体-介质润湿性有关，流动的阻力或动力毛细管力表现为动力毛细管力表现为动力 毛细管力表现为阻力毛细管力表现为阻力水湿油湿第一节 油气渗流的力学基础二、驱动能量驱动能量流体流动的驱动力1、天然能量 （1）流体和岩石的弹性能 （2）溶解于原油中的天然气膨胀能 （3）边水和底水的压能和弹性能 （4）气顶气的膨胀能 （5）重力能2、人工能量补充或驱替 （1）注水 （2）
5、注气第一节 油气渗流的力学基础三、驱动方式驱动方式主要驱动力决定了油藏的驱动方式1、水压驱动方式（1）刚性水压驱动 开发过程中，水头压力或人工注水压力维持不变（2）弹性水压驱动开发过程中，水头压力或人工注水压力发生变化n 定义：以与外界连通的水头压力或人工注水压力作为主要驱动力的驱替方式第一节 油气渗流的力学基础三、驱动方式驱动方式主要驱动力决定了油藏的驱动方式2、弹性驱动方式以岩石及流体本身的弹性力作为主要驱动力的驱动方式水湿孔道，压力下降水湿孔道，压力下降 膨胀膨胀 出气出气 束缚水饱和度增加束缚水饱和度增加 出水出水第一节 油气渗流的力学基础三、驱动方式驱动方式主要驱动力决定了油藏的驱动
6、方式3、溶解气驱动以从石油中不断分离出的溶解气的弹性能作为主要驱动力的驱动方式第一节 油气渗流的力学基础三、驱动方式驱动方式主要驱动力决定了油藏的驱动方式4、气顶气压驱动存在气顶，且依靠气顶气的弹性力作为主要驱动力的驱油方式气顶气第一节 油气渗流的力学基础三、驱动方式驱动方式主要驱动力决定了油藏的驱动方式5、重力驱动以流体所受到的重力作为主要驱动力的驱油方式重力渗流方向重力渗流方向第一节 油气渗流的力学基础三、驱动方式驱动方式主要驱动力决定了油藏的驱动方式水压驱动弹性驱动溶解气驱动重力驱动气顶气压驱动油气藏的驱动方式是根据主要的驱动力命名，实际油气藏的开采过程中，同时存在多种驱动力；在油气藏的
7、整个开发过程中，驱动方式并非一成不变，若主要驱动力改变，其驱动方式也随之改变油气层渗流力学Mechanics of the Oil and Gas Flow in Porous Media第二章 油气渗流的基本规律 第一节 油气渗流的力学基础 第二节 油气渗流的达西定律 第三节 油气渗流的非达西定律 第四节 两相渗流规律关键词：受力、驱动方式、达西定律、毛管力、相渗曲线1856年法国水利工程师Darcy在研究城市供水问题时，进行了将水通过填满砂粒管子的实验，希望测得一定流量下所需要消耗的能量。实验得到了水流速度与管子截面积、入口与出口压头差之间的关系式，该关系式描述的规律称为达西定律达西定律广
8、泛应用于油气层渗流，是油气渗流的基本规律第二节 油气渗流的达西定律一、概述概述第二节 油气渗流的达西定律一、概述概述实验发现：流量q与管子截面积A、入口及出口压头H1-H2成正比，与填砂管长度L成反比LHHAKqi12Ki 渗滤系数 表征多孔介质中液体的渗滤能力第二节 油气渗流的达西定律二、导出（导出（管路水力学管路水力学）1、任意过水断面的总能量 =势能+压力能+动能 Bernoulli方程方程gvgPZH22位置水头压力水头速度水头总水头第二节 油气渗流的达西定律二、导出（导出（管路水力学）管路水力学）2、渗流具有流速小的特点，速度水头可以忽略，则总水头为：gpZH3、过水断面1、2的总水
9、头差)()(221121ZgpZgpHHH第二节 油气渗流的达西定律二、导出（导出（管路水力学管路水力学）4、单位长度上的压头损失（水力坡度）5、因此，渗流速度的表达式LHiLHHAKqi12实验观察得：iKAqvin 上式为达西定律的数学表达式n 渗流速度与水力坡度之间呈一次方关系n 达西定律又称为线性渗流定律 第二节 油气渗流的达西定律二、导出（导出（管路水力学管路水力学）6、渗滤系数Ki通过对不同流体的大量渗流实验发现，当保持H不变时，通过多孔介质的流量与流体的粘度成反比。渗滤系数Ki定义为：gKKi 7、达西（Darcy）方程LgPZgPZgKLHgKiKvi)()(2211水平放置，
10、Z1=Z2，则：LPKv第二节 油气渗流的达西定律二、导出（导出（管路水力学管路水力学）8、达西方程的微分形式由于速度方向与压力梯度方向相反，则达西方程表示为：dLdpKvvdP/dL 0式中（注意单位）：v-渗流速度，cm/s K-渗透率，D -流体粘度，cPdp/dL-压力梯度，atm/cm第二节 油气渗流的达西定律二、导出（导出（管路水力学管路水力学）9、达西方程的矢量（方向）属性（1）一维dLdpKv（2）三维xpKvxypKvy)(gzpKvz（3）通式pKv哈密尔顿算符第二节 油气渗流的达西定律三、DarcyDarcy定律的适用范围定律的适用范围vdp/dL 0线性渗流高速非线性渗
11、流线性渗流v vdpdp/dLdLP0线性渗流低速非线性渗流达西公式（线性渗流）dLdpKv1、渗流类型第二节 油气渗流的达西定律三、DarcyDarcy定律的适用范围定律的适用范围2、渗流类型的判断（达西定律的适用范围）简化简化实际储层各处管径不同、弯曲程度不同、连接方式不同（1）原理 由于实际储层的储集和渗流空间可以简化为一系列的变直径、弯曲程度不同、连接方式各异的毛细管，因此渗流的力学规律与管流类似，可以采用管流中区分层流、紊流的方法来区分渗流的线性与非线性第二节 油气渗流的达西定律三、DarcyDarcy定律的适用范围定律的适用范围2、渗流类型的判断（达西定律的适用范围）用雷诺数Re值
12、判别层流与紊流 ReRekp：紊流 ReRekp：层流通过实验确定临界雷诺数Rekp在lglgRe关系曲线上，由线性关系被破坏的点可得到Rekp。（2）管流中流态的判断Rekp第二节 油气渗流的达西定律三、DarcyDarcy定律的适用范围定律的适用范围2、渗流类型的判断（达西定律的适用范围）（3）管流与渗流的流态判别参数管流管流雷诺数水力阻力系数wdRe22Lwpd渗流渗流231750KvRe22LvpK油气层渗流力学Mechanics of the Oil and Gas Flow in Porous Media第二章 油气渗流的基本规律 第一节 油气渗流的力学基础 第二节 油气渗流的达西
13、定律 第三节 油气渗流的非达西定律 第四节 两相渗流规律关键词：受力、驱动方式、达西定律、毛管力、相渗曲线第三节 油气渗流的非达西定律一、低速非达西渗流低速非达西渗流1、启动压力石油中的氧化物（如环烷酸、沥青胶质、酚、酯等）会在岩石表面产生吸附层，从而降低岩石的渗透率。有的孔道必须有一个附加的压力梯度克服吸附层的阻力才能开始流动。吸附层与渗流速度有关，渗流速度越大，吸附层被破坏越多，因此岩石的渗透率会随渗流速度增大而恢复。dLdpKv第三节 油气渗流的非达西定律一、低速非达西渗流低速非达西渗流1、流体流动的启动压力dLdpKvdLdPdLdPdLdPKv/)/1(，dLdPv/0，描述方程)/
14、1()(*dLdPKPK（1）大于启动压力后，视渗透率将逐渐恢复（2）储层扰动时，压力梯度总是从无到有，从小达到，对动态监测数据的影响不容忽略，流体及岩石表面的物性分析非常关键第三节 油气渗流的非达西定律一、低速非达西渗流低速非达西渗流2、气体滑脱效应 气测渗透率实验发现：同一种气体通过同一块岩芯，所测得的渗透率将随岩芯中平均压力的下降而增大dLdpKv描述方程：dLdpPKv)(pbKpK1（1）气测视渗透率比绝对渗透率高，与液测低速渗流完全相反（2）气测渗透率实验，不仅要考虑压差，还要充分考虑平均压力液体层流近壁吸附薄膜不动气体流动无吸附层无不动层滑脱第三节 油气渗流的非达西定律二、高速非
15、达西渗流高速非达西渗流1、二项式方程 在驱替实验中不断增加压差，计算、Re，绘制双对数坐标曲线2qALpAqRe（1）实验数据高速非线性渗流线性渗流第三节 油气渗流的非达西定律二、高速非达西渗流高速非达西渗流1、二项式方程（2）曲线特点（三段）n 低速：斜率-1的直线n 高速：水平直线n 中间段：过渡曲线KvdLdp/2/vdLdp2vvKdLdp层流区粘滞力紊流区惯性力过渡带粘滞力+惯性力第三节 油气渗流的非达西定律二、高速非达西渗流高速非达西渗流1、二项式方程（3）物理意义n 全称：非线性运动方程二项式n 表征：渗流过程中有惯性阻力出现时的力学规律n 物理意义：渗流阻力由两部分组成2vvK
16、dLdp 粘滞阻力：与流速一次方成正比，低速时以粘滞阻力为主 惯性阻力：与流速平方成正比，破坏了流速与压力梯度的线性关系，高速时以惯性阻力为主第三节 油气渗流的非达西定律二、高速非达西渗流高速非达西渗流2、指数式方程ndLdpCv)(C 渗流系数，与流体及多孔介质有关 n 渗流指数，实验测试0.51（1）n=1：线性渗流区，只有粘滞阻力起作用（2）0.5n1：渗流过渡区，随着n减小，惯性阻力的比例逐渐增大，粘滞阻力所占比例逐渐减少（3）n1/2：渗流平方区，以惯性阻力为主第三节 油气渗流的非达西定律二、高速非达西渗流高速非达西渗流3、高速非达西流二项式与指数式的对比2vvKdLdpndLdpC
17、v)(n 具有明确的力学含义：渗流阻力由粘滞阻力和惯性阻力两部分组成n 需要的参数较多，计算过程较复杂，拟合精度较差n 不具有明确的力学含义，是由实验得出来的经验公式n 从数值特征上描述了渗流阻力随速度的变化全过程，计算简化，拟合精度高油气层渗流力学Mechanics of the Oil and Gas Flow in Porous Media第二章 油气渗流的基本规律 第一节 油气渗流的力学基础 第二节 油气渗流的达西定律 第三节 油气渗流的非达西定律 第四节 两相渗流规律关键词：受力、驱动方式、达西定律、毛管力、相渗曲线第四节 两相渗流规律一、渗流阻力分析1、相对于单相流，流通面积减小，流动阻力增加2、毛管力（阻力或动力）ccrpcos2第四节 两相渗流规律一、渗流阻力分析3、贾敏效应（阻力）两相流的其中一相呈孤立状（液滴或气泡）分散在另一相中，若遇到直径变化的毛管，由于变形而产生附加的毛管阻力：)11(21212rrppp第四节 两相渗流规律二、两相渗流规律dLdpSKviii)(两相流时，各种渗流阻力集中体现在两相相对渗透率的变化上，两相渗流的运动方程：dLdpKKvoroodLdpKKvwrww
