1、,郝永卯：,石油工程学院油藏工程系办公室： 工科楼B座630电 话： 18660277660E-mail: ,油气层渗流力学,石油工程学院油藏工程系,主 要 内 容,第一章 渗流的基本概念和基本规律（8学时）第二章 油气渗流的数学模型（8学时）第三章 单相液体稳定渗流理论（20学时）第四章 弹性微可压缩液体的不稳定渗流理论（10学时）第六章 两相渗流理论（10学时）第七章 其它渗流理论（4学时）,绪 论,几个概念渗流的分类 渗流力学的发展特点及要求在油气田开发专业体系中的位置参考书 课程成绩组成,一、几个基本概念,1、多孔介质（porous medium）：含有大量任意分布、彼此连通且形状各异
2、、大小不一的孔隙的固体介质。,2、渗流（permeability）：流体通过多孔介质的流动，也叫渗滤。,3、渗流力学：研究流体在多孔介质中的运动形态和规律的科学。,二、渗流的分类,1）地下渗流：存在于地层中，如油气水在地层中的流动；2）工程渗流：化工、冶金、环保中的渗流问题；3）生物渗流：动物和植物中的渗流问题。,三、渗流力学的发展（地下渗流）,1、古典渗流力学： 1920年以前 动因：开发利用地下水； 代表：法国水利工程师达西（Darcy）； 定律：达西定律（Darcys Law，1856）。,2、近代渗流力学： 1920-50年代 动因：开发油气； 主要理论：单相、两相、三相渗流；一维、二
3、维、三维渗流； 求解方法：常规解析法。,3、现代渗流力学 ： 60年代至今动因：计算机的广泛应用；求解方法：在求解椭圆形方程、抛物形方程、拟线性方程中广泛应用了积分变换、自模解、特征线等理论。数学模型：组分模型；考虑传质、传热、扩散等特殊方程的物理化学渗流和非牛顿流体渗流；热采模型；三次采油中的聚合物模型；三元复合驱(活性剂、碱、聚合物)；微生物采油的生物渗流。发展：深度宏观微观相结合 广度物理化学渗流、多重介质渗流、 非牛顿流体渗流、非等温渗流,渗流力学是研究油、气、水在油层中的运动形态和运动规律的科学。由于油层深埋在地下几千米处，看不见，摸不着，形式多样，结构复杂，故渗流力学的研究以实验为
4、基础，数学为手段。在分析研究实际渗流现象的基础上，建立数学模型，并用解析法或数值法求解，分析其规律和实际解的意义。因此渗流课概念多、公式多，要求在学习时深刻理解基本概念，掌握基本公式，熟练应用基本方法，在此基础上培养解决实际渗流问题的能力。学习时须善于思考，善于总结、分析、对比。独立完成作业，巩固所学知识。,四、渗流力学课的特点,五、本课在油气田开发专业体系中的位置,高等数学工程数学流体力学油层物理,渗流力学,油藏工程采油工程数值模拟试井分析提高采收率原理油藏保护,六、主要参考书,1、油气层渗流力学葛家理，石油工业出版社，1982年2、渗流力学基础刘尉宁，石油工业出版社，1985年 3、现代油
5、藏渗流力学原理葛家理，石油工业出版社，2001年4、油气地下渗流力学郎兆新，石油大学出版社，2001年,七、课程成绩组成,1、平时成绩30%3、最后考试70%。,油气储集层渗流过程中的力学分析及驱动类型 渗流的基本规律和渗流方式非线性渗流规律在低速下的渗流规律两相渗流规律,第一章 渗流的基本概念和基本规律,第一节 油气储集层（reservoir）,油气层的概念油藏类型多孔介质,一、油气层的概念油气层是油气储集的场所和流动空间，在其中油气水构成一个统一的水动力学系统，包括含油区、含水区、含气区及它们的过渡带。在一个地质构造中流体是相互制约、相互作用的，每一局部地区的变化都会影响到整体。,（一）层
6、状油藏 厚度较小，分布面积大、多油层、多旋回水动力特点：流动只在平面进行，忽略垂向上流体的运动和物质交换。,二、油藏类型,定压边界油藏 封闭式油藏 1-供给边缘;2-含油边缘；3-含气边缘 1-封闭边缘;2-含油边缘;3-含气边缘 特点：边界压力保持不变。 特点：无流体通过边界,（一）层状油藏 按边界类型可分为：定压边界油藏：层体延伸到地表，有边水供给区，在边界上保持一个恒定的压头。 封闭边界油藏：边界为断层或尖灭 没有边水供给,（二）块状油藏 主要为灰岩和白云岩类储集层特点：面积小、厚度大、三维流动。 纵向分区：纯油区(有滞留水)、过渡区及纯水区,三、多孔介质,多孔介质是渗流的基本条件之一，
7、多孔介质具有以下特点：,1、孔隙性,储层岩石具有孔隙性，并被流体所充满，孔隙性大小用孔隙度表示：,a绝对孔隙度；有效孔隙度；V岩石视体积；Vt岩石总孔隙体积；V0岩石有效孔隙体积。,2、渗透性,多孔介质让流体通过的性质，叫渗透性。渗透性的大小用渗透率表示。,1）绝对渗透率K：岩石孔隙中液体为一相时，岩石允许流体通过的能力。绝对渗透率只与岩石本身性质有关。2）有效渗透率Ko、Kw、Kg：岩石中同时有两种或以上的流体流动，则岩石对其中一相的通过能力。是饱和度的函数。3）相对渗透率Krw、Kro：多相同时流动时，相渗透率与绝对渗透率的比值。,3、大的比面,多孔介质比面很大，使得流体流动时粘滞阻力很大
8、。,多孔介质的分类：,1）单纯介质：由孔隙或纯裂缝组成，渗流形式简单。2）双重介质：由孔隙和裂缝或孔隙和溶洞构成。3）三重介质：由孔隙、裂缝和溶洞构成。,理想双重介质,力学分析与油藏有关的压力概念驱动类型,第二节 渗流中的力学分析及驱动类型,一、力学分析油、气、水在岩石中流动，必须要有力的作用1.流体的重力和重力势能 流体由地球吸引受重力，和其相对位置联系起来，则表现为重力势能，用压力表示：,Pz表示重力势能的压力，Pa；流体密度，g/cm3；z相对位置高差，m；g重力加速度，m/s2。,重力有时是动力，有时是阻力,2流体的质量和惯性力 流体由于具有质量，因此也具有惯性；当流体运动时，惯性使其
9、总要维持原状，因而惯性力在渗流过程中多表现为阻力。由于渗流时渗流速度通常很小，常忽略惯性力。,3流体的粘度及粘滞力流体:任何切应力存在都能引起连续变形的物质粘滞性:流体阻止任何变形的性质，表现为流体运动时受到粘滞阻力，克服粘滞阻力是渗流时主要的能量消耗，其大小用牛顿内摩擦定律表示：,A两流层的接触面积，m2；dv/dy沿流层法线方向的流速梯度，m/(sm)；F内摩擦力（粘滞力），N；粘滞系数（又称绝对粘度），Pas。,粘度单位通常用mPas表示： 1Pas103mPas 粘度单位以g(cmS)表示时称为“泊”： 1泊100厘泊（cP）cP与mPas的换算关系为： 1mPaslcP在渗流中，粘滞
10、力为阻力，且动力消耗主要用于渗流时克服流体粘滞阻力。,4岩石及流体的压缩性和弹性力物体在外力作用下要发生弹性变形，当外力去掉后，它又能恢复原来的形状和体积，这种性质叫压缩性，所具有能力的大小叫弹性能，它是石油开采的一种重要能量。,在油气开采前，油层内岩石和流体处于均衡受压状态，投产后，油气层压力下降，流体承受的上覆岩柱压力部分转嫁给油层岩石骨架，迫使岩石颗粒变形，排列更紧密，导致岩层孔隙体积减少，将压缩孔隙中的流体使之产生弹性力，驱使流体向压力较低的方向运动；同时压力降低流体体积膨胀，产生弹性力，推动流体流入井底。,岩石的压缩性常用压缩系数表示：液体的压缩系数,Vf孔隙体积的变化量； Vf岩石
11、的外表体积； Cf岩石的压缩系数，单位为（1/10-1MPa），它表示油层压力每降低10-1M Pa时，单位体积岩石中孔隙体积的缩小值。,VL液体的绝对体积；VL压力改变P时，流体体积相应的变化量；CL液体的弹性压缩系数，表示压力改变10-1MPa时，单位液体体积的改变量，单位为(1/10-1MPa)。式中负号表示液体体积变化方向与压力变化方向相反。,5毛管力 油气层由无数个微小的毛细管连接组成，在毛细管内两相液体界面间会产生压力跃变 ，这个压力的跳跃就称为毛管压力，它的大小取决于分界面的弯曲率(曲度)。毛管力与流体性质和曲率之间的关系，用拉普拉斯方程来表示：,r、r分界面曲率主半径；液液界面
12、的表面张力。 Pc毛管力,毛管力既可表现为渗流动力，也可表现为渗流阻力。在驱替压力不大时，若油藏岩石亲水，则水驱油时毛管力为动力；若油藏岩石亲油，则水驱油时毛管力为阻力。,二、与油气储集层有关的几个压力概念,外力所做的功将引起地层内液体能量的变化，这种变化将通过压力的变化来考虑。本质上压力是表征油藏能量的一个物理量。,1、原始地层压力P0 2、供给压力Pe 3、井底压力Pw4、折算压力Pr 油藏开发前各点的总能量相等,1原始地层压力P0油藏开发前流体所受的压力。实测的原始地层压力一般是在油田所钻的第一批探井中测得。油藏投入开发以后，可根据压力梯度曲线上推算其原始地层压力。,Pa十bH,2供给压
13、力Pe油藏中存在液源供给区时，在供给边缘上的压力。在人工注水条件下，水井井底压力即为供给压力。 3井底压力Pw / Pwf油井正常生产时，在生产井井底所测得的压力称为井底压力，也称为流动压力，简称流压。,4折算压力Pr油藏中M点单位质量液体所具有的能量用水头高度表示：液体在油层中渗流时，在孔隙中的流动速度很小，v2可忽略,zM点标高PM点的实测压力值油层条件下液体密度vM点液体的流速,并用压力形式表示,Pr称为折算压力，即油藏中某点折算到某一基准面时的压力，它表示油层中各点流体所具有的总能量。油藏在未开发前，处于静止状态，各点总能量相等。设Ml，M2，M3为油藏中不同的点，这时有只有在各点标高
14、相等时，即zl=z2=z3=时，这些点的实测压力才相等。习惯上把原始油水界面选为计算折算压力的基准面。,【例】某井油层中部海拔-940m，油水界面海拔-1200m，地层原油密度0.85g /cm3 ，实测油层中部压力为9.9MPa(表压)，求折算到原始油水界面的折算压力。解：标高z=1200-940=260m 油的密度=0.85g/cm3=850kg/m3 Pr9.9106+8509.826012.11106Pa 12.11MPa,三、驱动类型 当油井投入生产后，石油就会从油层中流到井底，天然条件下油藏内部潜在的能量来源:边底水压能；溶解气析出并发生膨胀产生弹性能；气顶中压缩气体的弹性能；流体
15、和岩石的弹性能；原油本身的重力势能。 驱动类型（方式）是指油藏开采过程中主要依靠哪种能量来驱油。,三、驱动类型 驱动类型不同油藏的开采特征就不同，故鉴别油藏的驱动类型对油气田开发有重要意义。几个重要的开发指标： 地层压力：油藏地层孔隙中流体的压力，也称油藏压力，记为Pe； 井底压力：油井正常生产时在生产井底测得的压力，也称流压，记为Pwf； 产液量：每天的油、水总产量，记为Ql； 产油量：每天的原油产量，记为Qo； 生产气油比：气产量与油产量的体积之比，记为Rp； 采收率。,1.2 渗流中的力学分析及驱动类型,三、油藏驱动类型（1）弹性驱动定义：依靠液体和岩石的弹性能为主要驱动力的驱动方式机理
16、：埋藏在地下深处的岩石和液体处于压缩状态，当油层压力降低时，a.液体发生膨胀体积增大，驱使液体流向压力低的部位；b.岩石骨架承压增加-压实，孔隙体积变小，对液体产生积压作用。 形成条件：无边底水、注入水（气）、气顶，或有但很不活跃； PiPb,三、油藏驱动类型（1）弹性驱动开采特征：,适用于：封闭油藏、断块油藏，一般油藏在地饱压差比较大的开发前期（应该注意油藏岩石物性的改变）。在海上油田和复杂地貌及注水条件差的地方采用。优点：成本低缺点：采收率低,1.2 渗流中的力学分析及驱动类型,三、油藏驱动类型（2）溶解气驱定义：对于低于饱和压力油藏依靠分离出的溶解气的膨胀作用为主要驱油动力的驱油方式机理
17、：溶解气分离膨胀驱油（本质属于弹性驱动）形成条件：无边底水、注入水、气顶，或有但很不活跃； Pi (0.20.3)时，渗流不服从达西定律，出现非线性渗流。,.,三、非达西渗流的表达形式：指数式：二项式：,C与岩石和流体性质有关的系数。n为渗流指数，其值在1-0.5之间，n=1时为达西渗流。,A、B是与岩石和渗流性质有关的系数,由粘滞力引起的压力损失，流速小时占优势,惯性力引起的压力损失，流速大时占优势 ，流速小可忽略为线性流,第五节 在低速下的渗流规律,液体在低速下的渗流气体在低速下的渗流,一、液体在低速下的渗流,1、液体低速非线性渗流现象,（1）吸附现象：石油中的环烷酸、沥青、胶质等为表面活
18、性剂，会吸附在岩石表面上，产生吸附层。吸附层会降低岩石渗透率，对渗流产生很大影响。只有当一个附加的压力梯度克服吸附层才开始流动。同时渗流速度也会破坏吸附层，渗流速度越大，吸附层破坏越大，渗透率恢复越大。,（2）水化膜：水在含粘土的油层中渗流时也会发生物理化学作用。薄的粘土晶片具有吸引水的极性分子的能力，并形成水化膜，虽膜的厚度很小，但岩石的比面很大，会把水束缚住，只有附加一压力梯度，使水化膜破坏后才开始流动。,（3）非牛顿流体：粘度随剪切速度增加而改变，不符合牛顿内摩擦定律。如：粘弹性、拟塑型、宾汉型流体。,2、物理化学作用对渗流影响时的运动方程,gradP,gradP,式中: 常数，有压力梯
19、度的因次，由实验确定。,与达西渗流定律比较知，在达西定律渗透率位置上被函数 取代，称视渗透率，视渗透率小于绝对渗透率， 说明液体的吸附作用或粘土对水极性分子的吸附作用，使渗透率降低了。,（17）,由图知，只有压力梯度大于起始压力梯度时，流体才开始流动，起始压力梯度就是破坏吸附层或水化膜必须附加的压力。,上式移项：,第一项为粘滞阻力，第二项为吸附层或水化膜阻力。,（18）,二、气体在低速下的渗流 气体在低速下渗流时，视渗透率会增加，即为“滑脱效应”。运动方程：,上式改写为：驱动力增加了一项附加的滑脱动力，而渗流阻力仍是粘滞阻力。,实验表明：同一种气体在同一块岩心中，在不同压力差下，测得的渗透率是
20、变化的，渗透率与平均压力的倒数成线性关系,原因1)液体层流时，由于润湿性，使孔隙处v=0具有粘滞阻力，而气体渗流时没有v=0的薄层，所有气体同一流速，形成“气体滑脱效应”，好象同一压差下，气体渗透率比液体高。2)由分子热运动,当压力低时，分子自由度大，分子扩散的范围较大，分子可以不受碰撞而自由运动，有更多的气体分子附加到通过多孔介质的气体总量中去，好象增加了气体的渗透率。,第六节 两相渗流规律,在油气田开发中，常为两相同时流动，两相渗流时，阻力明显增加。这是因为对其中一项来讲，另一相可以看成是地层骨架的增加，因此孔隙缩小，阻力增大，渗透率减小。但两相各自渗透率之和，并不等于单相流动时的绝对渗透率，即,表明两相渗流时，不能仅看成是粘滞摩檫阻力的增加，而且还有新的阻力产生。,一、毛管力,二、贾敏效应产生的阻力,一相以液滴或气泡在另一相中运动时，由于变形出现贾敏效应产生的附加毛管阻力：,三、其它附加的阻力,结论：两相渗流的基本特点是阻力规律中毛管力不可忽略。,毛管力的影响主要是通过渗透率与饱和度的关系来体现。,若渗流服从达西定律，两相渗流时，用相渗透率函数代替达西定律中的绝对渗透率：,
