油層物理3-4第四節(jié)毛管力.pptVIP

1,第四節(jié) 儲層巖石的毛管力,一、毛細管中液面的上升或下降現(xiàn)象 如果將一根毛細管插入潤濕相液體中，則管內(nèi)氣液界面為凹形，液體受到一個附加向上的力，使?jié)裣嘁好嫔仙欢ǜ叨?；反之，如果把毛細管插入到非潤濕相中，則管內(nèi)液面呈凸形，液體受到一個向下的壓力，使非潤濕相液面下降一定高度。這種在毛管中產(chǎn)生的液面上升或下降的曲面附加壓力，稱為毛細管壓力，簡稱毛管力。,2,一、毛管中液體的上升,若在一個裝有油水兩相的容器中插入毛細管，則濕相的水會沿毛管上升，上升高度為h。 設(shè)油水界面張力為，潤濕接觸角為，油、水的密度分別為o、w； 且設(shè)毛管中，緊靠油水界面附近，油相中OB點的壓力為Pob，水相中WB點的壓力為Pwb；在大容器中，緊靠油水界面附近，油相中OA點和水相中WA點的壓力分別為Poa和Pwa，則有：,h,Pwa,油,水,Poa,Pob,Pwb,OA, WB, OB, WA,3,油相中，Pob=Poa-ogh （1）,水相中，Pwb=Pwa-wgh （2）,h,Pwa,油,水,Poa,Pob,Pwb,OA, WB, OB, WA,又， Poa = Pwa （3）,因為連通管中同一水平高度上的壓力相等，并且認為燒杯容器足夠大，OA點所處油水界面為水平的，即毛管力為零。,一、毛管中液體的上升,4,1.1 毛管力公式的推導,當液面上升到一定高度時，存在平衡關(guān)系式：,由此得到：,再由U形管原理得：,式中Pc為毛管力，定義為兩相界面上的壓力差，其數(shù)值等于界面兩側(cè)非濕相壓力減去濕相壓力。,一、毛管中液體的上升,5,1.1 毛管力公式的推導,人們將毛管壓力定義為兩相界面上的壓力差，其數(shù)值等于界面兩側(cè)非濕相壓力減去濕相壓力，由上述定義，得： Pc=Pob-Pwb=（w-o）gh=gh 這是油層中毛細管平衡理論的基本公式。 該式表明：液柱上升高度直接與毛管壓力值有關(guān)，毛管壓力越大，則液柱上升越高。,又,可得 ： gh =2cos/ r,則,該式可用于計算液體(如水)在儲層中上升高度。,6,1.1 毛管力公式的推導,氣-液系統(tǒng):,油-水系統(tǒng):,7,毛管力性質(zhì),毛管壓力： 毛管中彎液面兩側(cè)非濕相與濕相的壓力差，稱為毛管壓力。 方向朝向凹向，大小等于毛管中上升液柱的壓強。 1）毛管力存在于任何方向放置的毛細管中。上述討論是指垂直毛細管，在實際油層中毛管傾斜時，只要其它參數(shù)(如，r，cos，)不變，液柱上升的高度將不變化。當毛細管水平時，水槽中的水被吸出，在地層中水濕毛細管的毛管力是驅(qū)油的動力。,8,毛管力性質(zhì),2）毛管力Pc與cos成正比。對油水體系，巖石表面親水時，即90，cos0時，毛管力為正，水面就會上升，巖樣可以自然吸水。反之，巖石表面親油時，90，毛管力為負，巖樣不能自動吸水，毛管力成為阻力，如要使水進入巖心，則必須施加一個外力克服毛管力。 3）毛管力Pc與毛細管半徑r成反比。毛管孔道半徑越小，毛管力越大，親水毛管中液面上升越高。因此，油藏中毛細管直徑不同，毛細管中的液面參差不齊，油水界面或油氣界面成為一個具有相當厚度的油水或油氣過渡帶，而不是一個截然分開的平面。 4）對于實際油層來說，當巖石表面為親水性時，水能在毛管力作用下自動進入巖心，驅(qū)出了巖心中的油，這一過程就稱為吸吮過程或稱自吸過程。反之，當巖石表面親油（90）時，巖樣不能自動吸水，如要使水進入巖心使水驅(qū)油，則必須施加一個外力克服毛管力，這種過程即為驅(qū)替過程。,9,1.2 毛管力公式的應(yīng)用,1)油藏中流體界面是過渡帶 在實際油藏中毛管傾斜時，只要其它參數(shù)（如、r、cos、）相同時，上升的液柱高度將不變化。當毛管孔道半徑變化時，則濕相上升高度會高低不一致，孔道越小，上升越高。 因此可得出： 實際油藏中油水界面不是一個截然分開的平面，而是具有相當高度的油水過渡帶（或油氣過渡帶）。 一般而言，因為w- o o- g （或w- g），故油水過渡帶比油氣過渡帶厚度更大。,10,1.2 毛管力公式的應(yīng)用,2)巖石親水，毛管力是水驅(qū)油的動力； 巖石親油，毛管力是水驅(qū)油的阻力。 3)判斷巖石的潤濕性,11,二、 各種曲面附加壓力,曲面的附加壓力,如圖，任何簡單曲面必然存在附加壓力，該毛管壓力的方向與液面的凹向一致（即圖中箭頭所示），附加壓力的大小由拉普拉斯方程可得（忽略重力的作用）：,1、球面上的毛管壓力,12,二、 各種曲面附加壓力,毛管壓力與毛管半徑成反比；毛管半徑越小，毛管壓力越大。兩相界面張力越大，接觸角越小，毛管力也就越大。,13,二、 各種曲面附加壓力,2、柱面上的毛管壓力,親水毛管中的彎曲界面球面與柱面,在親水巖石孔道，除油水彎曲面外，還有壁面與水接觸的圓柱面。因為毛管表面為束縛水膜，毛管中心為油(或氣)，此油-水界面為圓柱面。,14,二、 各種曲面附加壓力,柱面的曲率及毛管力的方向,柱面的毛管力Pcz指向管軸心，毛管力的作用使毛管中的水膜厚度增加。角標Z代表曲面為柱面，本章中毛管力無角標Z時，則指曲面為球面。,15,二、 各種曲面附加壓力,3、錐形毛管中的毛管力,如圖，粗端曲面的曲率半徑為R1r1cos(+)，細端曲面的曲率半徑為R2r2cos()，那么曲面上的毛管壓力為：,16,二、 各種曲面附加壓力,4.兩相流體處于裂縫間（平行板間）的毛管力,裂縫寬度越小，則毛管壓力越大。,17,二、 各種曲面附加壓力,5、理想砂巖砂粒接觸處流體環(huán)狀分布的毛管力,砂粒間濕相流體環(huán)狀分布及彎曲面,圖為砂巖中兩個等直徑砂粒，濕相流體在砂粒點周圍呈環(huán)狀分布，非濕相則位于孔道中心部分，兩相間有一彎曲界面。,18,三、孔道中的毛管效應(yīng)附加阻力,1、當油柱(或氣泡)處于靜止狀態(tài)時（第一種阻力效應(yīng)）,圓柱形毛管孔道中的液珠或氣泡,19,三、孔道中的毛管效應(yīng)附加阻力,故油柱或液泡靜態(tài)的毛管力效應(yīng)P為:,球形曲面產(chǎn)生的毛管力,方向指向油相內(nèi),柱面產(chǎn)生的毛管力,方向也指向油相內(nèi),注意兩 者方向 的不同,方向垂直指向毛管壁,20,三、孔道中的毛管效應(yīng)附加阻力,2、在壓差作用下，當油柱欲運動時 （第二種阻力效應(yīng)）,外加壓差使彎液面變形,21,三、孔道中的毛管效應(yīng)附加阻力,兩式相減得:,結(jié)論:即要使珠泡運動除了要克服PI所產(chǎn)生的液體摩擦阻力 外,還必須克服PII所產(chǎn)生的附加阻力.,22,三、孔道中的毛管效應(yīng)附加阻力,3、賈敏(Jamin)效應(yīng) 當珠泡欲通過狹窄孔喉時，界面變形，前后端彎液面曲率不等，阻力增加，故第三種毛管效應(yīng)附加阻力PIII為：,珠泡通過窄口的最大壓差,23,賈敏(Jamin)效應(yīng),通常，人們把液滴通過孔道狹窄處時，液滴變形產(chǎn)生附加阻力的現(xiàn)象稱為“液阻效應(yīng)”。而將氣泡通過窄口時產(chǎn)生附加阻力的現(xiàn)象稱為氣阻效應(yīng)，或稱賈敏(Jamin)效應(yīng)。 當兩相流動時，特別是當一相連續(xù)，另一相可能不連續(xù)，成分散狀于另一相時，加之巖石中孔道大小不一，孔喉很多，使得各種阻力效應(yīng)十分明顯。這就是在生產(chǎn)中應(yīng)盡可能避免鉆井泥漿進入油層，酸化后應(yīng)盡力排出、排盡殘酸，以及使地層壓力不要低于飽和壓力而造成油層脫氣的理論根據(jù)。當然，事物總是一分為二的，近代發(fā)展的各種堵水技術(shù)，三次采油中的泡沫驅(qū)等，就是變不利為利的例子。,24,四、毛管滯后現(xiàn)象,把一根毛細管插入一盛有濕相流體（如水）的容器中，則濕相(水)排驅(qū)非濕相(空氣)，在毛管壓力的作用下，水將沿毛管上升一定高度(圖a)，這是吸入過程。再把另一根同樣的毛管先充滿水，再插入盛水容器，在重力作用下，水將沿毛細管下降到一定高度，這是空氣驅(qū)水的驅(qū)替過程(圖b)。 可以看出，盡管空氣中的壓力都為大氣壓，但由于飽和順序不同，吸入過程產(chǎn)生液柱的高度小于驅(qū)替過程產(chǎn)生的液柱高度。,25,四、毛管滯后現(xiàn)象,概念： 由于毛管中潤濕滯后的影響，驅(qū)替和吸入過程所 產(chǎn)生的液柱高度并不相同，吸入液柱高度小于驅(qū)替液柱高度。發(fā)生在毛管中的這種現(xiàn)象被稱為毛細管滯后現(xiàn)象。 毛細管滯后現(xiàn)象的產(chǎn)生主要由潤濕滯后及巖石孔道幾何形狀引起，常見毛細管滯后現(xiàn)象有以下幾種：,26,四、毛管滯后現(xiàn)象,1、接觸角滯后（即潤濕滯后）引起毛管滯后,接觸角滯后引起毛管滯后,27,四、毛管滯后現(xiàn)象,2、毛管半徑突變引起毛管滯后,毛管直徑突變引起毛管滯,28,四、毛管滯后現(xiàn)象,毛管直徑漸變引起毛管滯后,3、毛細管半徑漸變引起毛管滯后,4、實際巖石孔隙中的毛管滯后,實際巖石孔隙毛管滯后現(xiàn)象,29,五、毛管壓力曲線的測定,1、毛管壓力曲線的定義,巖心中濕相飽和度與毛管壓力之間存在著某種函數(shù)關(guān)系。但由于油藏巖石孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，直接推導數(shù)學模型有困難，但可以用實驗的方法測量出不同濕相流體飽和度下的毛管壓力用曲線的形式來描述，這種曲線就是毛管壓力曲線。,30,五、毛管壓力曲線的測定,但由于油藏巖石孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，直接推導數(shù)學模型有困難，但可以用實驗的方法測量出不同濕相流體飽和度下的毛管壓力，這種毛管壓力與濕相(或非濕相)飽和度的關(guān)系曲線稱為毛管壓力曲線，如圖所示。,31,五、毛管壓力曲線的測定,2、毛管壓力曲線的測定 半滲透隔板法（狀態(tài)恢復(fù)法） 離心機法 水銀注入法（或稱壓汞法） 動力毛細管壓力法 蒸汽壓力法,32,半滲透隔板法,33,半滲透隔板法,將所要求測定的巖樣抽提干凈之后，飽和潤濕液體（通常是地層水）。并將巖樣放在漏斗(1)內(nèi)的多孔隔板(2)的上面。玻璃漏斗的下部和刻度管(8)的一部分都充滿了這種潤濕液體。 用彈簧(5)把巖心(4)緊緊壓在隔板上之后，再將非潤濕流體（通常是油或氣）引入漏斗。用壓縮氮氣來提高漏斗中的壓力，以迫使非潤濕液體進入巖樣并在克服了毛細管壓力之后將飽和在巖樣中的潤濕液體排驅(qū)出來。 逐步提高壓力，并將巖樣中的潤濕液體進一步排出。每次提高壓力時，必需要等到刻度管（8)中的彎液面不再向前推進，亦即達到巖樣內(nèi)潤濕相與非潤濕相的壓力平衡時為止。這時讀出刻度管(8)中的數(shù)值。這個讀數(shù)就是在該壓力間隔下所排出的潤濕液體體積。不斷提高壓力，一直到潤濕液不再自巖心中被驅(qū)出時為止。,34,半滲透隔板法,半滲透隔板(2)是經(jīng)過處理的、親潤濕相（水）的隔板，因此當隔板中充滿水時，在一定的壓力范圍內(nèi)，非潤濕相液體不能侵入。所以，非潤濕相液體始終在隔板(2)上部而不會浸到隔板下部的漏斗中。 由于這種方法能夠使用近似于地層條件下的流體，能比較接近并摸擬油層實際的情況，因此，這種方法被公認為“經(jīng)典的毛管壓力測定方法”。,35,六、不同測定方法的毛管壓力的換算,1、壓汞法所測得的PHg與半滲透隔板法下的氣水毛管壓力Pwg的換算,已知汞表面張力Hg480mNm，Hg140，氣水界面張力wg72mNm，wg0，則,壓汞法所測得的毛管力的值約是半滲透隔板法所測得的毛管壓力值的5倍,36,六、不同測定方法的毛管壓力的換算,2、壓汞法測得的毛管壓力PHg與油層條