西南油层物理教材-第二章 储层流体的物理特性

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1、第二章第二章 储层流体的物储层流体的物理特性理特性储层流体是指储存于油（气）藏中的石油、天然气和地层水。由于其处于几千米深的 地下，原始状态储层流体处于高压、高温状态。高压下原油溶解有大量的天然气，从而使 处于地下的油气藏流体的物理性质与其在地面的性质有着很大的差别。在储层流体从储层 中渗流至井底、再从井底流至地面的过程中，流体的压力、温度、体积不断发生变化（温 度、压力降低） ，并伴随着原油脱气、体积收缩、原油析蜡、气体体积膨胀等变化；这些变 化对石油天然气生产均有一定的影响，研究生产过程中的物性变化是正确确定和优化生产 工艺参数的必然要求。 在勘探或开发设计阶段，必须根据流体物性进行油气田

2、科学预测，例如判断油藏类型、 油藏有无气顶、气藏气体是否会在地层中凝析等，这些都需要对油气的物理化学特性及相 态变化规律有深刻的认识，才能做出正确判断和设计。 油田开发过程中，必须掌握有关地下流体的动、静态物理参数，如石油和天然气的体 积系数、溶解系数、压缩系数、粘度等，才能进行油藏工程研究和生产管理。 因此，了解和掌握石油、天然气和地层水的性质及其变化规律，掌握它们的高压物性 参数，是科学、高效地进行油气藏开发的必然要求。第一节第一节 油气藏流体的化学组成与性质油气藏流体的化学组成与性质石油与天然气从化学组成上讲为同一类物质。现已确定石油中烃类主要是由烷烃、环 烷烃和芳香烃这三种饱和烃类构成

3、。原油中一般未发现非饱和烃类，如烯烃、炔烃。烷烃 又称石蜡族烃，其化学通式为 CnH2n+2。烷烃由于其分子量大小不同，存在的形态也不同。 在常温常压下，C1C4为气态，它们是构成天然气的主要成分；C5C15是液态，它们是石 油的主要成份；而 C16以上的烷烃为固态，即所谓石蜡。石油中固态烃能以溶解或结晶状 态存在于石油中。因此，石油与天然气在化学结构上说均为烃类，只是分子量不同而已。11 石油的化学组成石油的化学组成1.1 石油的元素组成石油的元素组成对于石油的化学组成的研究，首先从分析其元素组成入手。石油中主要含碳、氢元素， 也含有硫、氮、氧元素以及一些微量元素。 表 l1 是国内外一些原

4、油的碳、氢元素含量。可以看出，虽然原油产地不同，物性差 别也很大，但石油的碳、氢元素组成变化确在很窄的范围内。其中碳的含量（质量百分比） 为 8387，氢含量（质量百分比）为 1114，两者合计一般为 9599。由表中氢、碳 原子个数比表明，我国一些重要原油的氢碳原子个数比较高。 石油中非碳、氢元素（硫、氮、氧）总含量不过 15（有的石油，例如委内瑞拉石 油含硫高达 5.5%） 。虽然非碳、氢元素在石油中含量只有 15，但是这些元素都是以碳 氢化合物的衍生物形态存在于石油中，因而含有这些元素的化合物所占的比例就要大得多， 这些元素的存在，对于石油的性质有很大影响，必须充分予以重视。 我国大部分

5、原油的硫含量都比较低，例如，大庆和大港原油含硫量仅为 0.12%，即使 是我国含硫较高的原油(孤岛和江汉原油)其含硫量与世界各地的高含硫原油相比较也不算 很高（表 12） 。 我国原油的含氮量偏高。曾统计过国外 210 个原油油样的含氮量数据，其中含氮量高 于 0.3%的原油油样只有 31 个，而我国原油大部分的氮含量在 0.3以上。 石油中还含有一些微量稀有金属元素如钒、镍、铁、钴、镁、钙、铝等，含量极微， 一般在 0.003%以下。1.2 石油中烃类化合物石油中烃类化合物从化学组成来看，石油可分为两大类，即烃类和非烃类。烃类和非烃类的相对含量， 因石油的产地不同，差别也很大。有的石油(轻质

6、石油)，烃类含量可达 90以上，但有的 石油(重质石油)烃类含量甚至低到 50左右。 1、石油中的烷烃 在石油中带有直链或支链，但没有任何环结构的饱和烃，称之为烷烃（或链烃） 。烷 烃的化学性质很不活泼，在一般条件下不易发生反应。但在加热或催化剂以及光化学作用 下，烷烃能起各种反应，例如卤化、磺化、氧化以及裂化等反应。 石油中烷烃含量与石油的类型有关。它可高达 5070或低到 1015甚至更低。石 油中烷烃包括正构烷烃和异构烷烃。正构烷烃一般含量都很高，尤其是石蜡基原油其正构 烷烃含量往往大于同碳数的所有异构烷烃含量的总和。例如，我国大庆原油在 60140汽 油馏分中，正构烷烃含量为 38%，

7、而异构烷烃总量只有 15。但对于沥青基原油，其正构 烷含量较低。例如，国外某些原油(Borneo 原油)正构烷含量低于 1。 在异构烷烃中，以带有两个或三个甲基的衍生物含量最多，而带四个甲基及其它高分 枝的异构烷烃的含量较少。 2、石油中环烷烃环烷烃是环状的饱和烃，其性质也比较稳定，并且是石油主要的组成之一。有机化学 家曾经合成各种碳数的环烷烃。但是，在石油中大量存在的却只有含五碳环的环戊烷系和 六碳环的环己烷系。 石油中的环烷烃除了单环环烷烃外，还有双环及多环环烷烃。石油中的双环环烷烃两 个环可能都是五碳环或六碳环，也可能是一个为五碳环，另个环为六碳环。环的连接方 式以并连为主。石油中也存在

8、三环及多于三环的环烷烃。 3、石油中的芳香烃 苯系芳香烃在石油中普遍存在，根据资料介绍，曾从美国产石油中分离出带有不同碳 数烷基侧链的苯同系物 40 余种，侧链可以是烷基的，也可以是环烷基的。我国大庆、胜利、 任丘、新疆等地原油的汽油馏分中(1.75。 7、 高凝油：指凝固点40的轻质高含蜡原油。4.2 油气藏分类油气藏分类 油气藏分类及命名一般按下列方法：1）按油气藏的地质特征，2）按油气藏的流体特 性及分布，3）按油气藏的天然驱动能量和驱动类型。油层物理学中主要研究油气藏的流体 特性，因此重点介绍第二种分类方法。 国内外不同机构和学者根据不同的标准及划分界限对油气藏的分类不尽相同，下面介

9、绍几种常见的分类方法和标准。 1、分类方法一油气藏分类按图 12 所示的方法分类。（3）、挥发性油藏也称为临界油气藏：其特点是含有比 C8重的烃类，构造上部接近于气、下 部接近于油、但油气无明显分界面，原油具挥发性，相对密度为 0.70.8。这类油气藏在我 国吉林油区、中原油区、西部地区深层及英国北海、美国东部等均有发现。 （4）、油藏：油藏流体中以液相烃为主，油中都溶解一定量天然气，地面相对密度为 0.80.94，国外常将此类常规油藏中的原油称为黑油(B1ack oil)。 （5）、重质油藏又称稠油油藏：原油粘度高，相对密度大是该类油藏的特点。按 1983 年在伦 敦召开的第 11 届世界石

10、油会议所订标准，它是指地面脱气原油相对密度为 0.9341.0、地 层温度条件下脱气原油粘度为 10010000mPa.s 的油藏。 3、分类方法三表 110 也是一种有代表性的分类。表 110 按地层流体性质划分的界限对油气藏分类 (陈元千，1987)4、其它分类方法 根据油气层的埋藏深度，小于 1500m 称为浅层，15002800m 为中深层，28004000m 为深层，大于 4000m 为超深层52。 上面只是介绍了众多分类方法中的几种，为了便于应用分类方法有待进一步研究和统 一。合理的油气藏分类对于油气藏分类开发、原油储量计算和评价以及制订油气田开发技 术指标都是十分重要的。55 地

11、层水的化学组成与分类地层水的化学组成与分类5.1 地层水的化学组成地层水的化学组成1、化学组成 地层水在地层中长期与岩石和原油接触，通常含有相当多的金属盐类，如钾盐、钠盐、 钙盐、镁盐等，尤其以钾盐、钠盐最多，故称为盐水。地层水中含盐是它有别于地面水的 最大特点。地层水中含盐量的多少用矿化度来表示。 地层水溶液中常见的阳离子为 Na+、K+、Ca2+、Mg2+，偶尔含 Ba2+、Fe2+、Sr2+、Li+； 最常见的阴离子为 Cl、SO42、HCO3及 CO32、NO3、Br、I，也含有一些其它微 量离子。 地层水中还常存在不同种类的微生物，其中最常见的是非常顽固的厌氧硫酸还原菌， 它们助长了

12、油井套管的腐蚀，在注水过程中导致地层堵塞。这些微生物的来源尚不十分清 楚，它们可能存在于封闭油藏中，或由于钻井而带入地层。 地层水中还溶解有某些微量有机物质，如环烷酸、酯肪酸、胺酸、腐植酸和其它比较 复杂的有机化合物等。因为这些有机酸对注入水洗油能力有直接影响，所以，在油田注水的水质选择上要对它们予以重视。 2、矿化度与离子毫克当量浓度 矿化度代表水中矿物盐的总浓度，用 mgL 或 ppm（百万分之一）来表示。地层水的 总矿化度表示水中正、负离子含量之总和。不同油田的地层水矿化度差别很大，从几千、 几万到几十万 mgL。总矿化度高是地层水的特点，例如有的高达 300,000mgL。 原始地层条

13、件下，高矿化度的地层水处于饱和溶液状态，当由地层流至地面时，会因 为温度、压力降低，导致盐从地层水中析出，严重时还可在井筒中结盐，给生产带来困难。当讨论离子间的相互作用时，由于阴阳离子间是按等当量化合反应的。此时，常用离 子毫克当量浓度表示水中的含盐量。离子毫克当量浓度等于某离子的浓度除以该离子的当 量。地层中常见离子化合当量见表 112。例如，已知氯离子(Cl)的浓度为 7896mgL， 而氯离子的化合当量35.3，则氯离子的毫克当量浓度789635.3225.6 毫克当量升。(1)硫酸钠(Na2SO4)水型：代表大陆冲刷环境条件下形成的水，一般来说，此水型是环境封 闭性差的反映，该环境不利

14、于油气聚集和保存。地面水多半为该水型。(2)重碳酸钠(NaHCO3)水型：代表大陆环境条件下形成的水型，该水型水在油田中分布 很广，它的出现可作为含油良好的标志。(3)氯化镁(MgCl2)水型：代表海洋环境下形成的水。该水型一般多存在于油、气田内部。(4)氯化钙(CaCl2)水型：代表深层封闭构造环境下形成的水，环境封闭性好，有利于油、 气聚集和保存，是含油气良好的标志。 这种分类方法称为苏林分类，它将地下水的化学成分与其所处的自然环境条件联系起 来，用不同的水型来表示不同的地质环境。国内外油田地层水化学成分和水型见表 1 13。2、水型判断 阴、阳离子的结合顺序，是按离子亲合能力的大小而进行

15、的，如图 13 所示。水型 的判别也是根据该原则。 （1）当 Na+C11 时，说明水中 Na+离子当量数大于 Cl，多余的 Na+将与 SO42或 HCO3化合，形成 Na2SO4水型或 NaHCO3水型。究竟是哪一种水型还要进一步判断：(a)当12 4SOClNa时，表明 Na+除了与 Cl离子化合外，还有多余的 Na+与 SO42化 合，由于此值小于 l，故没有多余的 Na+与 HCO3化合了，所以 Na+与全部阴离子化合后， 最终形成 Na2SO4，则属 Na2SO4水型。解： (1)判断 1 价离子的当量比：114.110026.1001ClKNa ，初步判断可能是 MgCl2或 C

16、aCl2水型。（2）根据112448898 12442610011411002MgNaCl，说明 Cl除与 Mg2+离子化合物外，还有 剩余的 C1离子，将与 Ca2+化合生成 CaCl2，故该油田水型为 CaCl2水型。第二节第二节 天然气的高压物理性质天然气的高压物理性质众所周知，天然气具有可压缩性，处于地层压力、温度条件下的天然气，呈压缩状态， 在地层中渗流或井筒流动过程中，随压力逐渐降低、体积发生膨胀，各种物性参数均逐渐 变化。通常用气体状态方程来表示状态（压力 P、体积 V、温度 T）间的变化，并引入工程 中实用的高压物性参数天然气体积系数、等温压缩率、粘度比等来描述。这些参数是 油气田开发工程中常用和必需的参数，是本章讨论的重点。11 天然气的视分子量和密度天然气的视分子量和密度1.1 天然气的组成天然气的组成1、天然气及其分类 广义地说，天然气