渗流力学 第一章 渗流基本概念和定律

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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： 18660277660 E-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

2、）：含有大量任意分布、彼此连通且形状各异、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

3、油气； 主要理论：单相、两相、三相渗流；一维、二维、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

4、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

5、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

6、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

7、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，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

8、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。,.,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

9、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；

10、 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

11、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

12、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

13、给压力Pe 3、井底压力Pw 4、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

14、,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

15、=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

16、：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：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