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讲述.ppt

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 - 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，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