第一章滲流力學(xué)(油工)課件

第一章

滲流的基本概念和基本規(guī)律油氣層滲流力學(xué)

§1.1油氣儲(chǔ)集層及其簡化§1.2滲流過程中的力學(xué)分析及驅(qū)動(dòng)類型§1.3滲流的基本規(guī)律和滲流方式§1.4非線性滲流規(guī)律§1.5流體低速下的滲流規(guī)律§1.6兩相滲流規(guī)律主要內(nèi)容2023/7/262HX-CHENG§1.1油氣儲(chǔ)集層及其簡化一、油氣儲(chǔ)集層

油氣層是油氣儲(chǔ)集的場所和空間。儲(chǔ)集層限制流體運(yùn)動(dòng)的范圍，也影響著流體運(yùn)動(dòng)的形態(tài)，同時(shí)還決定流動(dòng)邊界形狀。所以，油氣儲(chǔ)集層是流體滲流的重要外部條件。2023/7/263HX-CHENG§1.1油氣儲(chǔ)集層及其簡化氣頂邊水底水油氣分界面含氣邊緣油水分界面含油外、內(nèi)緣計(jì)算含油邊緣開敞式油藏供給邊界定壓邊界封閉式油藏封閉邊界油層外部形狀及簡化示意圖氣油水2023/7/264HX-CHENG聯(lián)絡(luò)測(cè)線380地震剖面CCFY（Parm）反演技術(shù)CCFY波阻抗反演剖面高精度三維反演—HARI波阻抗柵狀圖陜北中生界低孔滲儲(chǔ)層預(yù)測(cè)波阻抗剖面

泥巖變薄mud.becomesthinner.砂巖及其不均質(zhì)性sandstoneanditsheterogeneous灰?guī)r及其不均質(zhì)性limestoneanditsheterogeneous§1.1油氣儲(chǔ)集層及其簡化二、油氣儲(chǔ)集層的簡化油氣儲(chǔ)集層分類層狀油氣藏塊狀油氣藏

層狀油氣藏：地層物性在縱向上的變化比在平面上的變化大得多的油藏。簡化成”平面等厚模型”，即把油氣藏看成等厚度的薄板。塊狀油氣藏：油層厚度相當(dāng)大的油藏。簡化成“厚度模型”，有時(shí)也將這種模型看成“半球狀模型”。2023/7/269HX-CHENGAB條帶狀薄板圓形薄板A>3BA<3B平面等厚模型(x，y)厚度模型(x，y，z)半球狀模型§1.1油氣儲(chǔ)集層及其簡化三、油氣層的孔隙結(jié)構(gòu)模型和參數(shù)模型1.油氣層的孔隙結(jié)構(gòu)模型單純介質(zhì)雙重介質(zhì)三重介質(zhì)粒間孔隙結(jié)構(gòu)溶洞孔隙結(jié)構(gòu)純裂縫結(jié)構(gòu)裂縫孔隙結(jié)構(gòu)三重混合結(jié)構(gòu)微層理結(jié)構(gòu)非層理結(jié)構(gòu)三種介質(zhì)六種結(jié)構(gòu)2023/7/2611HX-CHENG假想結(jié)構(gòu)模型理想結(jié)構(gòu)模型粒間孔隙結(jié)構(gòu)簡化簡化純裂縫結(jié)構(gòu)純裂縫結(jié)構(gòu)模型簡化裂縫孔隙結(jié)構(gòu)裂縫孔隙結(jié)構(gòu)模型溶洞孔隙結(jié)構(gòu)溶洞孔隙結(jié)構(gòu)模型§1.1油氣儲(chǔ)集層及其簡化2.油氣層的參數(shù)模型油氣藏中巖石和流體的物性參數(shù)是隨機(jī)變化的難以用連續(xù)函數(shù)來描述其分布。如地層的滲透率具有均質(zhì)和非均質(zhì)性、向同各性和各向異性。均質(zhì)非均質(zhì)各向同性各向異性2023/7/2615HX-CHENG§1.1油氣儲(chǔ)集層及其簡化

等值參數(shù)模型：即平均值參數(shù)模型。用算術(shù)平均或加權(quán)平均的方法來確定油藏的平均滲透率。現(xiàn)在多用概率統(tǒng)計(jì)的方法確定。等價(jià)參數(shù)模型：就是利用實(shí)物與模型等價(jià)的方法來確定地層滲透率。如粒間孔隙結(jié)構(gòu)采用等直徑毛管束的理想結(jié)構(gòu)模型求得滲透率值。2023/7/2616HX-CHENG§1.2滲流過程中的力學(xué)分析及驅(qū)動(dòng)類型一、滲流過程中的力學(xué)分析

1.流體的重力和重力勢(shì)能液源水頭壓力ABMN動(dòng)力阻力重力作用示意圖表示重力勢(shì)能的壓力：重率：2023/7/2617HX-CHENG§1.2滲流過程中的力學(xué)分析及驅(qū)動(dòng)類型2.流體的質(zhì)量和慣性力表現(xiàn)為阻力。

3.流體的粘度和粘滯力y阻力2023/7/2618HX-CHENG§1.2滲流過程中的力學(xué)分析及驅(qū)動(dòng)類型4.巖石及流體的壓縮性和彈性力巖石和流體壓縮性的大小用壓縮系數(shù)表示。巖石壓縮系數(shù)：流體壓縮系數(shù)：對(duì)氣體：開采前開采后2023/7/2619HX-CHENG§1.2滲流過程中的力學(xué)分析及驅(qū)動(dòng)類型5.毛管力水油油水阻力動(dòng)力2r油水接觸面為形狀簡單的彎曲面：單根毛管，油水接觸面為球面：單根毛管，油水接觸面為柱面：2023/7/2620HX-CHENG§1.2滲流過程中的力學(xué)分析及驅(qū)動(dòng)類型二、與油藏有關(guān)的壓力概念

1.原始地層壓力

2.邊界壓力

3.地層靜壓（目前地層壓力）

4.井底壓力及井底流壓2023/7/2621HX-CHENG§1.2滲流過程中的力學(xué)分析及驅(qū)動(dòng)類型5.折算壓力xzAmz投產(chǎn)前，而油藏中流體不流動(dòng)?M點(diǎn)液體總水頭：總水頭用壓力的形式表示為：稱為折算壓力，表示油層中各點(diǎn)液體具有的總能量。2023/7/2622HX-CHENG§1.2滲流過程中的力學(xué)分析及驅(qū)動(dòng)類型

基準(zhǔn)面選?。和ǔＨ≡加退缑鏋榛鶞?zhǔn)面。優(yōu)點(diǎn)：在滲流規(guī)律研究中，直接使用折算壓力，就不必考慮油層深度的影響，簡化了理論推導(dǎo)和計(jì)算公式。特性：在靜止流體內(nèi)部各點(diǎn)的折算壓力相等。2023/7/2623HX-CHENG§1.2滲流過程中的力學(xué)分析及驅(qū)動(dòng)類型

例1-1

油藏中兩點(diǎn)A、B，高差10米，壓力分別為=9.35Mpa，=9.55Mpa，地層原油密度0.85，試判斷地層中流體的流向？ABh=10m

解：以B點(diǎn)所在平面為基準(zhǔn)面，則：故，流向?yàn)橛葿點(diǎn)向A點(diǎn)。2023/7/2624HX-CHENG§1.2滲流過程中的力學(xué)分析及驅(qū)動(dòng)類型6.壓力梯度曲線在直角坐標(biāo)中，根據(jù)最初的探井所實(shí)測(cè)到的油藏埋藏深度H和實(shí)測(cè)壓力P所得的關(guān)系曲線，稱為壓力梯度曲線。

P=a+bHHP推算開發(fā)井原始地層壓力。2023/7/2625HX-CHENG§1.2滲流過程中的力學(xué)分析及驅(qū)動(dòng)類型三、驅(qū)動(dòng)類型（驅(qū)動(dòng)方式）驅(qū)動(dòng)方式是指在石油開采過程中油藏依靠哪一種能量為主來驅(qū)油。

1.重力水壓驅(qū)動(dòng)可分為：剛性水壓驅(qū)動(dòng)和彈性水壓驅(qū)動(dòng)。

2.彈性驅(qū)動(dòng)

3.氣壓驅(qū)動(dòng)

4.溶解氣驅(qū)

5.重力驅(qū)驅(qū)動(dòng)方式不是一成不變的，隨驅(qū)油能量來源的變化而變化。2023/7/2626HX-CHENG§1.2滲流過程中的力學(xué)分析及驅(qū)動(dòng)類型ABC

重力水壓驅(qū)動(dòng)彈性驅(qū)動(dòng)氣壓驅(qū)動(dòng)溶解氣驅(qū)2023/7/2627HX-CHENG§1.3滲流的基本規(guī)律和滲流方式一、達(dá)西定律

1.達(dá)西實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果1122abcdL達(dá)西實(shí)驗(yàn)裝置圖●實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹駥?shí)驗(yàn)裝置●實(shí)驗(yàn)過程●實(shí)驗(yàn)結(jié)果2023/7/2628HX-CHENG實(shí)驗(yàn)裝置水平放置巖層水平達(dá)西定律達(dá)西線性滲流定律達(dá)西公式§1.3滲流的基本規(guī)律和滲流方式2.達(dá)西定律的討論

(1)滲流速度與真實(shí)速度★滲流速度為假想速度，引入滲流速度給滲流規(guī)律的研究帶來了很大的方便，可利用連續(xù)函數(shù)理論研究滲流問題。★真實(shí)速度實(shí)際上是平均真實(shí)速度，常用于研究流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，計(jì)算流體質(zhì)點(diǎn)的排出時(shí)間。或2023/7/2630HX-CHENG§1.3滲流的基本規(guī)律和滲流方式(2)滲流阻力(3)達(dá)西定律的微分形式一維：三維：2023/7/2631HX-CHENG§1.3滲流的基本規(guī)律和滲流方式(4)達(dá)西定律的力學(xué)分析

作用圓柱體液體上的壓力為：

流體沿L方向以滲流時(shí)的摩擦力為：

流體本身重力在流動(dòng)方向上的分力為：單元體受力圖2023/7/2632HX-CHENG§1.3滲流的基本規(guī)律和滲流方式

由受力平衡，且忽略慣性力的作用，則有：

整理，并令得：或：

對(duì)水平地層，有：2023/7/2633HX-CHENG§1.3滲流的基本規(guī)律和滲流方式◆達(dá)西定律是不考慮慣性阻力時(shí)的滲流定律；◆滲透率K是與巖石孔隙結(jié)構(gòu)形式及大小有關(guān)的參數(shù)，是巖石本身的特性，而與通過的流體無關(guān)。其量綱為。達(dá)西定律的適用條件：﹡流體為牛頓流體；﹡流速在適當(dāng)范圍內(nèi)，可不考慮慣性阻力；﹡不考慮其它物理化學(xué)作用。2023/7/2634HX-CHENG摩擦力的推導(dǎo)：L單根毛管流速分布任一截面上微元體一、推導(dǎo)泊謖葉公式同心液筒圓柱面積作用于同一液筒上的驅(qū)動(dòng)力：積分二、由泊謖葉公式推導(dǎo)總摩擦力公式流過該毛管的流量為：積分對(duì)于任一半徑的毛管毛管中平均真實(shí)速度毛管截面積毛管不是等直徑，也非圓形，引入修正系數(shù)單根毛管粘滯阻力對(duì)于巖芯（毛管束），截面積為A，孔隙截面積為，則毛管根數(shù)為：，總的粘滯力令：§1.3滲流的基本規(guī)律和滲流方式二、滲流力學(xué)中常用物理量的單位（單位制）油氣層滲流力學(xué)中常用的單位制有：國際標(biāo)準(zhǔn)單位制（SI制)和達(dá)西混合單位制。如表所示。達(dá)西單位的物理意義：當(dāng)液體粘度為1厘泊，壓降為1大氣壓下，流體流過截面積為1平方厘米，長度為1厘米的巖樣，其流量為1立方厘米每秒，那么，這個(gè)巖樣的滲透率就定為1達(dá)西。2023/7/2637HX-CHENG單位制表參數(shù)名稱產(chǎn)量符號(hào)SI制SI制實(shí)用單位DC混合單位制面積滲透率長度壓縮系數(shù)時(shí)間厚度半徑粘度壓力密度，，，，，§1.3滲流的基本規(guī)律和滲流方式

本課程涉及大部分關(guān)系式中，各物理量的單位既可直接采用SI制下的基本單位，也可直接采用DC混合單位制下的基本單位，而無須對(duì)關(guān)系式進(jìn)行變換；

當(dāng)采用某一單位制時(shí)，計(jì)算關(guān)系式中各物理量就必須使用符合該單位制規(guī)定的單位。（達(dá)西混合單位制）（SI制）2023/7/2639HX-CHENG§1.3滲流的基本規(guī)律和滲流方式三、基本滲流方式（滲流形態(tài)）流線：在某一時(shí)刻t，經(jīng)過流動(dòng)空間的許多點(diǎn)連接起來的一條光滑曲線，該曲線上各點(diǎn)的流速矢量與曲線相切。滲流方式單向流平面徑向流球面徑向流2023/7/2640HX-CHENG§1.3滲流的基本規(guī)律和滲流方式1.單向流

●流線是彼此平行的直線；

●滲流截面上，各點(diǎn)的流速相等；

●在液流方向上，滲流速度和壓力是一維坐標(biāo)x的函數(shù)。巖芯平面等厚薄板模型2023/7/2641HX-CHENG§1.3滲流的基本規(guī)律和滲流方式2.平面徑向流

●各個(gè)平面上的滲流狀況相同；

●若是穩(wěn)定滲流，壓力和流速是極坐標(biāo)r的函數(shù)。聚集發(fā)散

●流線是一組向一點(diǎn)聚集，或由一點(diǎn)向四周發(fā)散的直線；圓形等厚地層中間一口井滲流截面或2023/7/2642HX-CHENG§1.3滲流的基本規(guī)律和滲流方式3.球面徑向流●流體質(zhì)點(diǎn)沿徑向向一點(diǎn)匯集，或由一點(diǎn)沿徑向向四周發(fā)散，流線為球的徑向線；●若是穩(wěn)定滲流，壓力和流速是坐標(biāo)x、y、z的函數(shù)或空間極坐標(biāo)的函數(shù)?；?023/7/2643HX-CHENG§1.4非線性滲流規(guī)律一、產(chǎn)生非線性滲流的原因

非線性滲流：實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)滲流速度增加到一定程度后，滲流速度和壓力梯度之間不呈線性關(guān)系，達(dá)西定律被破壞，稱為非線性滲流。

孔道彎彎曲曲，滲流速度較高，產(chǎn)生的慣性力大到與粘滯阻力相比不可忽略的程度。原因氣井；裂縫性油井；砂巖油藏井底附近。2023/7/2644HX-CHENG§1.4非線性滲流規(guī)律二、判斷方法

采用管道水力學(xué)中判別層流和紊流的無量綱量——雷諾數(shù)來進(jìn)行判別。

前蘇聯(lián)的卡佳霍夫提出的表達(dá)式是目前公認(rèn)較為合理的雷諾數(shù)表達(dá)式：2023/7/2645HX-CHENG§1.4非線性滲流規(guī)律

滲流規(guī)律由線性轉(zhuǎn)化為非線性的雷諾數(shù)值稱為臨界雷諾數(shù)。粒間孔隙介質(zhì)：=0.2～0.3

純裂縫介質(zhì)：=300～500

大的洞穴（接近管流）：=2000～3000小數(shù)臨界雷諾數(shù)2023/7/2646HX-CHENG§1.4非線性滲流規(guī)律三、高速下非線性滲流規(guī)律

1.指數(shù)式

式中：——取決于流體和巖石性質(zhì)的系數(shù)；

——滲流指數(shù)，實(shí)驗(yàn)證明：線性區(qū)；線性關(guān)系破壞，為過渡區(qū)；滲流平方區(qū)。

2.兩項(xiàng)式

第一項(xiàng)反映的是粘滯阻力損耗；第二項(xiàng)反映的是慣性阻力損耗。2023/7/2647HX-CHENG

例1-2設(shè)有一下套管射孔完成井，液體僅能從直徑為0.5厘米的100個(gè)小孔流入井中，油層厚度為10米，折算自地下日產(chǎn)量為100立方米，井半徑=10厘米，地層滲透率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,試問：此時(shí)井底附近地層內(nèi)滲流是否服從達(dá)西定律。小孔直徑D，孔數(shù)n

解：流入小孔的滲流速度為：

則由雷諾數(shù)公式得井底附近地層內(nèi)滲流的雷諾數(shù)為：

故，井底附近的滲流不服從達(dá)西定律?！?.5流體低速下的滲流規(guī)律一、液體低速下的滲流規(guī)律存在不可忽略的固液相界面上的表面分子力作用，這種作用隨著流體質(zhì)點(diǎn)與固液界面距離的加大而減弱，從而形成隨滲流速度（亦即壓力梯度）的改變而變化的流動(dòng)孔隙度和流動(dòng)滲透率，產(chǎn)生非線性滲流?！袷椭械谋砻婊钚晕镔|(zhì)，如環(huán)烷酸、瀝青、膠質(zhì)等，會(huì)吸附在巖石表面?！袼谡惩林袝r(shí)，水分子會(huì)進(jìn)入粘土晶片，并在其表面形成水化膜。一般滲透率地層滲流曲線特征2023/7/2649HX-CHENG§1.5流體低速下的滲流規(guī)律

對(duì)于低滲透油氣層，與一般滲透率地層比較，在相同壓力梯度下，低滲透層中的滲流速度會(huì)大大減小。微細(xì)孔道固液界面分子力以及電荷作用的增強(qiáng)和滲流速度的減小會(huì)導(dǎo)致低滲油層中滲流附加阻力的相對(duì)增強(qiáng)。低滲巖芯中液體滲流曲線特征擬初始?jí)毫μ荻认屡R界壓力梯度2023/7/2650HX-CHENG§1.5流體低速下的滲流規(guī)律▲低速非線性滲流的運(yùn)動(dòng)方程：有各種形式的非線性滲流運(yùn)動(dòng)方程