含水低渗透多孔介质气体低速非达西理论研究(修改稿).doc

PAGE PAGE 2 含水低渗透多孔介质气体低速非达西理论研究 摘要：从分析气体驱替过程气水界面上气水毛管力构成入手，通过假设液固界面作用产生的流体边界层的极限剪切应力的递减规律，在此基础上建立完全饱和水的毛细管气体驱替模型，并得到气水两相时气体临界流动压力的相关理论计算公式。进一步的由非混相渗流模型得出气体最渗流阻力与含水饱和度相关的结论。研究表明，低渗岩心高含水情况下，气体临界流动压力主要主要由边界层的极限剪应力与气水毛管力构成，其中毛管力是主要的驱替阻力，边界层的影响在渗透率很低的情况下才表现出来。临界流动压力反映了毛细管力与边界层作用对气体渗流的影响，并使气体表现出非达西渗流特征。由于毛细管力将会随含水饱和度发生变化，所以可动水饱和度的变化会引起渗流阻力发生改变，而渗流阻力的变化也是气体产生非达西渗流的原因。 关键词：低渗透；气水两相；毛管力；低速非达西 引 言 低渗透油气藏的渗流规律与常规油气藏不同，低渗条件下非牛顿流体的弹塑性得以体现，驱动压力需要超过极限剪切应力后流体才发生流动[1]，流体发生流动的最小压力称为启动压力。在一般情况下水是牛顿流体，但在低渗透多孔介质中，由于液固界面分子力作用与高温高压下的物理化学反应[2]，管壁表面形成液体边界层，壁面附近流体与体相流体具有了较大差异，受边界层影响的水甚至会表现出非牛顿流体特性[3]。这部分水若在一定压差下发生流动，会对气体渗流产生干扰，造成渗流阻力变化，使气体渗流出现非达西特征。将多孔介质完全饱和水时气体发生渗流的压力定为临界流动压力[4]，本文主要通过对临界流动压力研究，得出气体在气水两相低速情况下产生非达西渗流的原因。 1 低渗透储层气水界面受力分析 由于在毛管壁上始终有一层水膜，在渗流过程中，所有作用力都施加在这层膜上。黄延章[5]对毛管中油水界面的作用力进行分析，得到驱替过程中的毛管力性质与类别。这里对毛管中气水界面进行相似的受力分析，将复杂的气水界面作用力分为驱替力、束缚水的剥蚀力、界面收缩力等几种作用力，具体分析如下（图1）： F2 F2 F3 F2 F3 F1 水 气 图1毛细管中气体驱替气水界面受力示意图 气体的驱替力F1： （1） 式中：P2，P1分别为界面两边气相与水相压力，L为毛管长度。通常情况下，该力可以看成是外加的动力与流体重力分量之和。 束缚水的剥蚀力F2： （2） 式中：r 为孔道半径， 是气水比表面能，为润湿角。束缚水的剥蚀力实际上是由于液柱受指向管轴心的毛管力作用，使水膜厚度有增大的趋势。对于驱替过程而言，增大水膜厚度，即意味着增大驱替阻力。 界面收缩力F3： （3） 式中：r1为平均曲率半径。气水界面由平面变成曲面时的界面张力所形成的。由于各种力的变化，会瞬息形成各种气水界面，这些界面具有不同的曲率半径。 由于所有毛管力都是作用在两相界面上，作用范围小，考虑到液体传递压强的作用，通常用平均毛管力来表示毛管阻力的大小。 2 低渗透孔隙介质气体低速渗流规律研究 2.1 边界层极限剪应力假设 流体通过多孔介质时，固液界面存在固体分子和流体分子之间作用力。在其作用下，多孔介质孔隙的表面形成一个流体吸附滞留层，称为边界层[6]。层的厚度因流体性质不同而不同，约为0.1μ m。该层流体不易参与流动，只有当驱替压差达到一定程度时，才能克服表面分子作用力的影响参与流动。 边界层是影响低速非达西流动的因素之一，其厚度与微管半径的比值随压力梯度增加而降低[7]，而且液固界面分子力作用随多孔介质的渗透率或孔隙半径增大而单调递减[8]。认为在驱动压力大于某一边界层面的极限剪切应力时，该层发生流动，于是边界层厚度减小，假设半径r处圆筒层极限剪切应力为： (4) 式中：的大小是管壁处边界层的极限剪切应力，与液固界面分子力有关；为毛管半径；为液固界面作用力作用范围。在一定压力梯度下无流量通过（或是流量很小而忽略）时，即认为；如果恰好在管中心处流体极限剪切应力为0，则。显然当位于粘滞阻力区时，。 2r 2r0 P2L P2 L 2r P1 图2 100%饱和水的毛细管模型 由图2所示，假设一根100%含水毛细管，入口端压力P1，出口端压力P2，平均毛管阻力为 ，毛管长度为L ，半径为r0 ，液固的界面作用力不能忽略，并认为该条件下水的极限屈服应力为 ，在粘滞阻力区粘度为μ，渗流过程中温度