《石油工程提高采收率第四章多相流体的渗流机理及残余油形成机理剖析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《石油工程提高采收率第四章多相流体的渗流机理及残余油形成机理剖析（134页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第四章 多相流体的渗流机理及残余油形成机理,一般说来，油藏中单相流体的情况极少，大多存在不互溶的油、水两相流体或是油、气、水三相流体，而油气是多组分的非均质不稳定体系。 油藏岩石是比面极大的多孔介质，油气储存在孔径高度分散的毛细管孔道中，孔隙形态各异，即使孔道中只含有一相流体时，它与岩石孔隙的接触面积已经相当大。而当油藏流体以油、气、水两相或三相同时存在于岩石孔隙中时，在各相流体之间、流体与岩石颗粒固体间就存在着多种界面 水和岩石、油和岩石、油和水、油和气、气和水等多种接触面，这些界面总面积极大。各相流体之间、流体与岩石表面之间将会产生一系列物理化学作用，两相界面分子的相互作用造成了有关界面性
2、质的很多问题，如水驱油问题、互溶混相驱油时油水界面消失的问题，以及,存在油水界面时的毛细管附加阻力问题等。因此，表面或界面性质（界面张力、吸附作用、油水对岩石孔隙表面的有选择性地润湿等现象）极为突出。加上油藏岩石的孔隙孔道很小，结构复杂，又会引起毛细管现象、各种附加阻力效应等等，从而对油藏流体的分布和流动有重大的影响，因此，多相流体在孔道中的分布和流动过程极为复杂。 由于界面现象与物质内部的分子力有关，我们必须从微观角度人手，研究多相流体在储层中的物理特性（岩石的润湿性、毛管力）、微观渗流机理（相对渗透率、各种毛管阻力），掌握油、水在岩石孔隙中的分布特点，掌握剩余油分布规律及其影响因素，探讨消
3、除和降低附加阻力的规律，为宏观掌握油井生产规律，合理开发油田，改善和提高开发效果以及提高采收率等工作打下基础。,第一节 储层岩石的各种界面现象,通常，我们把由相内分子力引起的一些性质称为“体积性质”；而把由两相界面层分子引起的性质则称做“界面性质”。一、两相界面的自由界面能 任何两相分界面统称为界面，而当两相中其中一相为气体时，则把界面称为表面。例如我们把固和气、液和气接触的界面分别称作固体或液体的表面；而把固和液、液和液相接触的界面仍称为界面。 我们从水的表面讨论起。物质界面层的分子与其内部分子所处的状态不同。在水相的内部，分子周围受到的同类分子的作用力在各个方向是对称相等的（如图 4 -
4、1 所示），分子 b 由于同时受到周围同类分子力的作用，所以其分子力场处于相对平衡状态。而在两相的界面层上，分子所受周围分子的作用力在各个方向并不是完全对称相等的，可以看出表面层分子a,的下方受到液体（水分子）的作用，而上方受到空气分子的作用。由于水分子力远远大于空气分子的引力，所以表面层分子 a 所受的合力的方向指向水相内部并与表面垂直，因而分子 a 有向水相内部运动的趋势，即水相表面有自动缩小的趋势。这种表面层分子力场的不平衡使得这些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”，这就是两相界面层的自由表面能。,图 4 -1 液体相内及表面层分子力场示意图,如果要想把水的内部分
5、子举升到水面，就必须作功。只有对其作功才能使液相内的水分子上升到水表面，这种能量（功）就转化为自由表面能。 综上所述，两相界面层界面能是由界面层分子力场的不平衡所致。自由界面能具有如下的性质：,( 1 ) 只有存在不互溶的两相时自由界面能才存在。以上是从水和空气界面讨论的。同理对于任意两相，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 ) 界面越大，自由界面能也越大。根据热力学第二定律知，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
6、，所以水银滴掉在桌面上变成球形，而不是其他形状，以使自由表面能居于最小。,( 3 ) 表面或界面是具有一定厚度的界面层（图 4-2 ）。界面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。在过渡层中，分子的热力学性质也是逐渐过渡并且是连续变化的，最终分子力场达到平衡的某一单相。例如，水与空气接触的表面层厚度至少有几个分子层厚。,图 4 - 2 两相界面的厚度、界面能分布、热力学性质；h、h1、h2分别为表面层的总厚度、各相厚度；u1 、u2 分别为各相在界面层的体积能,( 4 ) 两相界面层自由界面能的大小与两相分子的性质有关
7、系。两相分子的极性差越大，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 ) 自由界面能还与两相的相态有关。一般地讲，液相和气相界面的自由表面能比液相和液相界面的自由界面能要大，液和固之间的自由界面能大于液和气之间的自由表面能。,二、比界面能和界面张力 由于体系界面层上的分子力的不对称作用，使得其能量比相内分子能量高，故增加体系的新界面积，相当于把更多的分子从相内移到表层来，就必须克服相内分子的吸引力而作功，这种作功的能量就转化为新生界面的界面能
8、。图 4-3 所示是,用金属丝做成的框架，中间是肥皂膜，框架右端的金属丝是可移动的。如要增大肥皂膜的表面，则必须对可移动的金属丝施加外力，因此表面自由能的概念也暗示了形成新表面时需要作功，也等于说将分子自相内移至表面需要作的功。,图4 - 3 作功与气液表面形成示意图,在恒温、恒压和组成一定的条件下，以可逆过程增加体系表面面积为A，过程中外界作的表面功为 W ，则体系自由能的增加量U为：,( 4-1 ),增加单位界面积外界需要作的功为：,( 4-2 ),其微分形式为：,( 4-3 ),则比界面能定义为：,( 4-4 ),式中 A体系的界面自由能增量， N m ； U增加的界面面积，m2；,U
9、体系的界面自由能， N m ; T 、 p 、 n 分别表示体系的温度、压力和组成； 比表面能， N / m 。 比界面能是单位界面积具有的自由界面能，单位是焦耳米2 ( Jm2） , 1 焦耳米2 ( Jm2） = 1 牛顿米（ N / m ) ，工程上常用毫牛顿米（mNm）。 在 CGS 单位制中，比界面能的单位是尔格厘米2（erg / cm2）。 1尔格厘米2= 1 达因厘米（ dyn / cm ）。 1 毫牛顿米（ mN / rn ) = 1 达因厘米（ dyn / cm ）。从因次上看，比界面能等于单位长度上的力，所以习惯上把比表面能称为界面张力，用符号表示。,应当指出，比界面能和界
10、面张力是两个不同的概念。它们的意义不同（仅仅是数值相等），在热力学上多用界面能的概念，而界面张力则多用在力学和工程应用中。,严格地说，在两相系统的表面层上只存在比界面能而不存在界面张力。界面张力只是自由界面能的一种表示方法，并非存在什么真实的“张力”。只有在三相系统的周界上，这种界面能才有界面的张力存在，它是各自两相界面层自由界面能在三相周界的接触点相互“争夺”的结果。如图 4 - 4 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，各自界面层的界面能在三相周界的争夺则呈现三种界面张力2-3、1-2和1-3, 当三者达到平衡时，
11、则：,也只有在争夺的过程中最后达到平衡的情况下才有张力的表现。两相界面张力的大小等于各自的比界面能；界面张力的方向，界面为平面则在平面上，界面为曲线则在切线上；力的作用点则为三相周界的接触点。,图 4 - 4 三相周界界面张力示意图,凡是提到某物质的界面张力都应具体说明两相的确切物质是什么，不加说明者一般认为其中一相为空气。例如，通常说的水的表面张力等于 72 .75mN / m ，即指水和空气而言。表 4 - 1 是一些常见物质分别在与空气、水接触时界面张力的值。,表 4 - 1 某些物质与空气、水的界面张力值,三、界面张力的影响因素 1. 物质的组成 可以看出，水银与空气接触时的表面张力要
12、大于与水接触的界面张力，这是因为两相间分子的极性差越大，表面能也就越大。水的极性相对于其他各种液体来说是最大的，而空气的极性很小，所以水与空气的界面张力最大。作为有机溶剂的原油与甲苯，由于它们都是有机物，因而他们之间的极性差很小，界面张力也就很小，甚至可以达到互溶以至界面消失。 2. 相态 液液界面张力与两相化学组成密切相关。根据 Antonoff 法则，两个液相间的界面张力为两个液体的表面张力之差：121 - 2，即液液界面张力处于两个表面张力之间，比较大的那个小些。,3. 温度和压力 温度和压力直接影响到分子间的距离，因而分子间的作用力也随之变化，使得界面层上分子的力场受到影响，从而引起界
13、面张力变化。 对于任何液、气两相来说，都会有随着温度和压力增加，表面张力减小的现象。因为当温度升高时，一方面增大了液体分子间的距离，分子间的引力减小，另一方面液体的蒸发，使液体与蒸汽间分子的力场差异变小，从而降低了表面张力。而升高压力将增加气体在液体中的溶解度，液体的密度因而减少，气体受压密度增加，两相的密度差减少，从而导致了两相分子间的差异变小，分子力场不平衡减弱，最终表现为表面张力降低。,四、油藏流体间的界面张力 如前所述，在油气储层中，存在多种界面，但固体表面张力很难确定，为此，通常只限于讨论流体间的界面张力。 油藏流体组成复杂而且油藏中各处的温度、压力大小也不同，温度、压力条件又改变着
14、流体的组成，这些因素决定了油层中流体间的界面张力变化的复杂性，即使在同一个油气,层，界面张力也不是定值，不同油气层则差别会更大。下面根据上述界面张力的概念及其特点，解释油藏流体界面张力的大小及变化规律。 1. 油一气界面 图 4 - 5 是几种油汽系统界面张力与压力的关系，它表明了溶解气种类对油气体系界面张力的影响。随着压力的增加，原油空气系统的表面张力减小不大，这是由于氮气（它是空气的主要成分）在油中的溶解度极低，因此，系统的表面张力随压力变化较慢。对于原油CO2系统，由于CO2的饱和蒸汽,压很小，在原油中的溶解度大于甲烷在原油中的溶解度，因此原油CO2系统的界面张力随着压力增加而快速下降。
15、对于原油天然气系统而言，天然气中甲烷以及少量的乙烷、丙烷、丁烷等使得天然气在油中的溶解度要远大于氮气的溶解度，故界面张力随压力增加而急剧降低。,至于汽油和二氧化碳系统，界面张力要比原油CO2系统还要低，这是因为汽油是由轻质烃类组成的，它比原油能够溶解更多的二氧化碳。 因此，对于原油天然气系统，气相饱和蒸汽压越小，或气体溶解度越大，或原油的相对密度越小，或天然气中重烃气越多，或压力和温度越高，则原油天然气系统的表面张力就越小。 总之，油气界面张力随气相在液相中溶解度的增大而降低。天然气中含重烃气体越多，原油中的溶解气量就越大，那么，当压力增加时，表面张力减小幅度也越大。,图 4 - 5 典型油一
16、气系统界面张力（据吉玛都金诺失， 1956 ) 原油与空气； 原油与天然气； 原油与CO2气； 汽油与以CO2气,图 4 - 6 是温度、压力对界面张力的影响。油藏系油处于高温、高压的条件下，并且溶有大量的天然气，油藏中油气系统的界面张力就要比地面脱气原油和空气系统的界面张力小得多。同理，油藏内部不同地点的原油界面张力也有变化，例如气顶附近原油的界面张力要小于远离气顶处原油的界面张力。,图 4 - 6 温度、压力对油气界面张力的影响 1t=20 ；2t 60 ； 3t = 80 ,2油水界面 人们对油水界面张力研究后，得出如下认识： ( 1 ) 对于无溶解气的油一水体系，俄国学者认为，温度和压力的改变对油水间的界面张力基本上无影响（图4 - 7 ）。这是因为温度增加，使油、水同时膨胀；而增大压力，又使油、水同时受压缩，油、水各自的分子热力学性质变化趋势基本一致，使得油、水间的分子力场仍可能保持不变，从而表面张力仍保持不变。也有些研究者认为，
