油氣層滲流力學教學大綱

1、油氣層滲流力學教學大綱一 課程基本信息1、課程英文名稱：The oil and Gas Flow through Porous Media2、課程類別：專業(yè)課程基礎3、課程學時：總學時40，實驗學時0。4、學 分：35、先修課程：大學數(shù)學、油氣田開發(fā)地質(zhì)、油層物理6、適用專業(yè)：石油工程(獨立本科段) 7、大綱執(zhí)筆：油氣儲運工程系（何俊波）8、制定（修訂）時間：2013.4二 課程的性質(zhì) 目的和任務本課程是流體力學的一個分支，是研究流體在多孔介質(zhì)中流動規(guī)律的一門學科。本課程講述的內(nèi)容主要是滲流力學中的地下滲流部分。專門研究地下油氣水及其混合物在地層中的流動規(guī)律。本課程是油氣田開發(fā)與開采的理論基礎

2、，是石油工程專業(yè)的專業(yè)基礎課，同時也是資源勘查工程和技術專業(yè)的選修課。學習本課程的目的是：通過各個教學環(huán)節(jié)使學生掌握油氣水在地下的流動規(guī)律，熟悉研究流體滲流規(guī)律的基本方法。明確這些理論是油氣田開發(fā)，提高油田采收率等的理論基礎，為學好石油工程專業(yè)課和解決有關地下油氣水的滲流問題打下堅實的基礎。本課程的任務是使學生掌握滲流力學基礎概念、基本理論及解決滲流問題的基本技能。具體說主要有1. 使學生掌握油氣水滲流的基本規(guī)律及建立方程的基本方法；2. 培養(yǎng)學生應用所學的滲流力學理論分析和解決滲流問題的能力；3. 通過實驗課培養(yǎng)學生嚴謹作風，提高學生的動手能力。二、課程的基本要求1. 正確理解滲流的基本概念

3、；2. 掌握流體滲流的基本規(guī)律；3. 能夠建立單相流體穩(wěn)定滲流、不穩(wěn)定滲流、油氣兩相滲流、油水兩相滲流的基本微分方程；4. 能夠應用基本微分方程的解來確定油層參數(shù)；5. 能夠正確運用疊加原理進行特殊邊界附近的井或井排壓力和產(chǎn)量計算；6. 通過課內(nèi)外習題加深對基本概念的理解，熟練地運用公式進行滲流力學相關的推導、計算和分析。三、課程內(nèi)容緒論(2學時)滲流力學的發(fā)展史和本課程的研究方向。第一章 滲流的基本知識和基本定律(8學時)(一) 學習目標1. 掌握油氣儲集層的內(nèi)部空間、外部形狀及幾個特點；2. 掌握滲流力學的一些基本概念：多孔介質(zhì)、雙重介質(zhì)、油水分界面、油水邊界、供給邊界、儲容性、滲流速度、

4、真實滲流面積、原始地層壓力、流動壓力、壓力梯度曲線、折算壓力、重力水壓驅動方式、彈性驅動、溶解氣驅動、線性滲流和非線性滲流；3. 理解并掌握油藏滲流所涉及的力學分析及相應的驅動方式；4. 重點理解并掌握線性滲流規(guī)律達西定律。包括其表達式、物理意義及適用條件；5. 了解高速和低速非線性滲流的一般規(guī)律。(二) 課程內(nèi)容第一節(jié) 油氣儲集層(滲流力學的研究對象)(2學時)1. 儲集層的內(nèi)部空間：主要有三種介質(zhì)七種結構。2. 儲集層的外部幾何形狀3. 油氣儲集層的四個特點：(1) 儲容性；(2) 滲透性；(3) 比表面性(比表面)；(4) 結構復雜。第二節(jié) 滲流的基本概念(2學時)1. 滲流的三種基本形

5、式：平面單向流(一維)、平面徑向流(二維)和球形徑向流(三維)；2. 滲流速度與真實滲流速度；3. 幾種壓力：原始地層壓力、壓力梯度曲線、目前地層壓力、井底壓力和折算壓力。重點掌握折算壓力的理解和計算。第三節(jié) 滲流的力學分析及油藏驅動方式(2學時)1. 油藏中油、氣、水受到的5種力：重力、慣性力、粘滯力、巖石和流體的彈性力及毛細管壓力。2. 油藏的5種驅動方式：重力水壓驅動、彈性驅動、溶解氣驅動、氣壓驅動和重力驅動。第四節(jié) 線性滲流定律-達西定律(*學時)1. 達西定律的表達式2. 以滲流速度形式表達的達西定律3. 達西定律的物理意義4. 達西定律的適用條件第五節(jié) 非線性滲流(2學時)1. 高

6、速非線性滲流：(1) 指數(shù)式與(2) 二項式2. 低速非線性滲流-附加阻力和粘滯力是滲流阻力。第二章 單相液體的穩(wěn)定滲流(12學時)(一) 學習目標1. 掌握滲流數(shù)學模型的建立方法和思路；2. 理解并掌握滲流的幾個重要數(shù)學模型：連續(xù)性方程、運動方程、狀態(tài)方程、特征方程及基本微分方程；3. 理解并掌握單相液體穩(wěn)定滲流的數(shù)學模型及其推導；4. 掌握平面單向流和徑向流條件下單相液體穩(wěn)定滲流的數(shù)學模型的解，包括壓力、流量及流場圖；5. 掌握油井的三種不完善性，不完善性的兩種評價方法(引入折算半徑或表皮因子)；6. 理解滲流力學中試井和穩(wěn)定試井的概念；7. 能夠應用指示曲線做穩(wěn)定試井分析：由指示曲線確定

7、油井的合理工作制度、生產(chǎn)能力、增產(chǎn)措施的效果及推算地層的有關參數(shù)，如采油指數(shù)、流動系數(shù)和平均滲透率。(二) 課程內(nèi)容第一節(jié) 滲流數(shù)學模型的建立 (4學時)1. 滲流數(shù)學模型包括基本微分方程式和定解條件。2. 基本微分方程由物質(zhì)守恒的連續(xù)性方程、流體的運動方程、流體和巖石的狀態(tài)方程和特殊物理化學現(xiàn)象的特征方程導出，而定解條件由具體的滲流物理模型確定。3. 單相液體穩(wěn)定滲流的數(shù)學模型第二節(jié) 單相液體穩(wěn)定滲流的數(shù)學模型的解(4學時)1. 平面單向流：(1)壓力分布；(2)流量；(3)流場圖：等壓線、流線與流場圖2. 平面徑向流(地層滲流的理想情況)：(1)壓力分布；(2)平均壓力；(3)流量；(4)

8、流場圖第三節(jié) 井的不完善性(2學時)1. 井的不完善性2. 井不完善的實質(zhì)3. 評價井不完善程度主要是引入折算半徑(又稱有效半徑)或表皮因子(又稱為附加阻力項)。學習的重點是理解二者的定義及其物理意義。第四節(jié) 穩(wěn)定試井(2學時)要掌握試井、穩(wěn)定試井及不穩(wěn)定試井(第四章內(nèi)容)的概念及其應用。1. 試井2. 穩(wěn)定試井3. 應用指示曲線做穩(wěn)定試井分析：(1) 采油指數(shù)；(2) 流動系數(shù)；(3) 平均滲透率。這里的“穩(wěn)定”是指只考察生產(chǎn)穩(wěn)定后，流量與壓力之間的關系-指示曲線，不考察壓力隨時間的變化情況。這是與不穩(wěn)定試井不同的。第三章 多井干擾理論(12學時)(一) 學習目標1. 掌握重點掌握勢的概念及

9、其疊加原則；2. 熟練地應用鏡像反映法及邊界效應和等值滲流阻力法的“水電相似原理”進行多井干擾分析；3. 應用勢的原理和鏡像反映法求解等產(chǎn)量一源一匯、兩匯、直線斷層、直線邊界及其它邊界條件下油井的產(chǎn)量和壓力公式；4. 掌握等值滲流阻力法的原理及其在多排井滲流分析中的應用：電路圖畫法、內(nèi)外阻求解及滲流支路方程的建立。(二) 課程內(nèi)容第一節(jié) 多井干擾現(xiàn)象的物理過程(2學時)1. 井間干擾2. 壓力疊加原則第二節(jié) 勢的疊加原則(2學時)1. 勢的基本概念(1)平面上一點的勢；(2)空間一點的勢2. 勢的疊加原則第三節(jié) 鏡像反映法及邊界效應(4學時)1. 等產(chǎn)量一源一匯2. 等產(chǎn)量兩匯3. 用鏡像反映

10、法研究邊界對滲流的影響：(1) 應用鏡像反映法的原則：(2) 鏡像反映法法的研究思路1)直線供給邊界附近一口生產(chǎn)井：采用匯源反映法；2)直線斷層附近一口生產(chǎn)井：采用匯點反映法；3)復雜斷層的匯點反映：按照鏡像反映法的對稱原則和鏡面必須保持為分流線的原則來解決。第四節(jié) 等值滲流阻力法(4學時)1. 等值滲流阻力法的原理等值滲流阻力法在多排井上的應用的重點是熟練繪出滲流電路圖；然后根據(jù)“水電相似原理”，確定滲流外阻和各滲流路線上的滲流內(nèi)阻；對各滲流支路列壓差與滲流內(nèi)阻、滲流外阻及相應流量的方程。(1) 直線供給邊界和平行的直線生產(chǎn)井排：產(chǎn)量、壓差、滲流外阻和滲流內(nèi)阻；(2) 圓形供給邊界地層中有一

11、環(huán)形井排：產(chǎn)量、壓差、滲流外阻和滲流內(nèi)阻。2. 等值滲流阻力法在多排井上的應用繪出滲流電路圖；然后根據(jù)“水電相似原理”，由公式，確定滲流外阻和各滲流路線上的滲流內(nèi)阻；對各滲流支路列方程壓差與滲流內(nèi)阻、滲流外阻及相應流量的方程。第四章 弱可壓縮液體的不穩(wěn)定滲流(12學時)(一) 學習目標1. 理解弱可壓縮液體在彈性多孔介質(zhì)中不穩(wěn)定滲流的物理過程；2. 理解并掌握對不穩(wěn)定滲流三個階段、實測壓力曲線變化規(guī)律；2. 掌握壓力恢復試井法的兩個重要公式：Horner公式和精簡法(MDH)公式，主要是公式的推導及應用；3. 熟悉壓力恢復試井和壓力降落試井分析的方法，重點是利用實測資料繪制曲線確定地層參數(shù)。(

12、二) 課程內(nèi)容第一節(jié) 弱可壓縮液體在彈性多孔介質(zhì)中不穩(wěn)定滲流的物理過程(1學時)第二節(jié) 不穩(wěn)定滲流的基本微分方程(3學時)1. 弱可壓縮液體的連續(xù)性方程：2. 運動方程3. 液體及巖石的狀態(tài)方程4. 基本微分方程：(為導壓系數(shù)，為巖石和液體的總壓縮系數(shù))。油井開采可分為不穩(wěn)定早期、不穩(wěn)定晚期和擬穩(wěn)定期三個開采階段。無界地層定產(chǎn)條件下壓力分布(不穩(wěn)定早期)及井底流壓。第三節(jié) 無界地層定產(chǎn)條件下微分方程的解(不穩(wěn)定早期) (1學時)1. 基本微分方程式；2. 定解條件：初始條件，邊界條件；3. 壓力解第四節(jié) 有界地層定產(chǎn)條件下微分方程的解(不穩(wěn)定晚期和擬穩(wěn)定期) (1學時)1. 擬穩(wěn)定期2. 定產(chǎn)

13、條件下不穩(wěn)定晚期壓力：基本微分方程式，定解條件與壓力解。第五節(jié) 不穩(wěn)定滲流下的多井干擾不穩(wěn)定滲流下的多井干擾仍遵循壓降疊加原則。第六節(jié) 常規(guī)不穩(wěn)定試井分析方法(6學時)不穩(wěn)定試井：壓力降落試井法與壓力恢復試井法。1. 壓力恢復試井法(1) 霍納(Horner)公式(2) 壓力恢復試井法精簡法公式(MDH方法) (3) 實測壓力恢復曲線的分析(4) 實測壓力曲線的應用：基于Horner公式和精簡法(MDH)公式，在半對數(shù)坐標下，由實測資料繪制曲線，由直線的斜率和截距或外推時間，可以求得流動系數(shù)、滲透率、折算半徑、表皮系數(shù)、地層原始壓力和目前地層壓力等。2. 壓力降落試井法第七節(jié) 典型曲線擬合的試

14、井分析方法重點是掌握井筒儲存效應和井筒儲存系數(shù)及表皮效應與表皮系數(shù)的概念，了解典型曲線擬合的系統(tǒng)試井分析方法的思路。第五章 油水兩相滲流的理論基礎(8學時)(一) 學習目標1. 理解非活塞式水驅油和含水率的概念；2. 注水開發(fā)油田水驅油活塞式驅油與非活塞式驅油的區(qū)別；3. 掌握含水率及分流方程式；4. 理解、掌握并應用單相、徑向滲流方式下油水前緣移動基本微分方程。(二) 課程內(nèi)容第一節(jié) 影響水驅油非活塞性的因素(2學時)水驅油為非活塞式驅替，主要受毛細管壓力、重率差和粘度差的影響。此時的滲流規(guī)律與單相液體有很大不同，主要在于地層中水飽和度面的變化，即油水滲流速度不同，這是由油水的性質(zhì)差別引起的

15、。第二節(jié) 等飽和度平面移動的基本微分方程(4學時)1. 油水兩相滲流的基本微分方程(1) 油水兩相滲流的連續(xù)性方程(2)運動方程(3)分流方程式(4) 平面單向流等飽和度平面移動的基本微分方程：Buckley- Leverett方程應用Buckley- Leverett方程可確定前緣含水飽和度、平均含水飽和度及排液道(生產(chǎn)井排)見水時間。第三節(jié) 平面單向流等飽和度平面移動的基本微分方程(2學時)第四節(jié)和第五節(jié)內(nèi)容可作為學生略讀內(nèi)容。第六章 油氣兩相滲流(溶解氣驅動) (6學時)(一) 學習目標1. 理解溶解氣驅過程中壓力和生產(chǎn)氣油比的變化過程；2. 理解并掌握在油氣兩相穩(wěn)定滲流條件下引入的擬壓

16、力函數(shù)赫氏函數(shù)；3. 掌握如何利用赫氏函數(shù)取代真實壓力來求解油氣兩相滲流的基本微分方程；4. 掌握穩(wěn)定滲流條件下的生產(chǎn)氣油比的推導及應用。(二) 課程內(nèi)容第一節(jié) 混氣液體滲流的物理過程(2學時)溶解氣驅過程中，壓力不斷下降，生產(chǎn)氣油比(指換算到大氣條件下的總產(chǎn)氣量和換算到大氣條件下的總產(chǎn)油量之比)的變化可分成三個階段：降-升-降。當?shù)貙訅毫Φ陀陲柡蛪毫r，就會發(fā)生溶解氣驅動。第二節(jié)混氣液體滲流的基本微分方程(2學時)1. 連續(xù)性方程：油和氣2. 運動方程：油和氣3. 狀態(tài)方程：自由氣、溶解氣和油4. 基本微分方程第三節(jié)混氣液體的穩(wěn)定滲流(2學時)掌握在油氣兩相穩(wěn)定滲流條件下引入的擬壓力函數(shù)赫氏

17、函數(shù)，利用赫氏函數(shù)取代真實壓力可以方便地求解油氣兩相滲流的基本微分方程夢軒閣；而生產(chǎn)氣油比及其計算公式，是進一步計算擬壓力函數(shù)的前提，需要重點掌握。1. 赫氏函數(shù)：赫氏函數(shù)的定義及其物理意義。2. 計算赫氏函數(shù)的方法(1) 生產(chǎn)氣油比讀者居：定義及其公式推導(2) 赫氏函數(shù)的計算步驟(3) 油氣兩相滲流的穩(wěn)定試井第四節(jié)混氣液體的不穩(wěn)定滲流本節(jié)只作一般了解即可。第七章 天然氣滲流 (6學時)(一) 學習目標1. 理解絕對無阻流量和壓縮因子的概念；2. 掌握天然氣滲流擬壓力函數(shù)的定義及其在求解中的應用。(二) 課程內(nèi)容第一節(jié) 天然氣滲流的基本微分方程(2學時)1. 連續(xù)性方程2. 運動方程3. 狀

18、態(tài)方程4. 基本微分方程：擬壓力函數(shù)。第二節(jié)天然氣的穩(wěn)定滲流(2學時)根據(jù)天然氣在儲層流態(tài)的不同，天然氣的穩(wěn)定滲流可能服從線性滲流規(guī)律，也可能服從非線性滲流規(guī)律。服從線性滲流時，可以用與單相液體穩(wěn)定滲流相似的處理方法進行求解；服從非線性滲流時，可采用二項式或指數(shù)式來求解。大多數(shù)情況下，天然氣的滲流均服從非線性滲流規(guī)律，所以常分別按二項式或指數(shù)式進行天然氣井的穩(wěn)定試井分析。第三節(jié)天然氣的穩(wěn)定試井(2學時)第四節(jié)天然氣的不穩(wěn)定試井天然氣的不穩(wěn)定滲流在引入擬壓力后，其微分方程式與液體不穩(wěn)定滲流形式一致?？刹捎孟嗨频那蠼夥椒?。相應地，可以采用開井壓力降落試井或關井壓力恢復試井兩種方法進行天然氣井的不穩(wěn)定試井分析。所采用的方法和結果在形式上與液體不穩(wěn)定滲流是一致的。第八章 流體在雙重孔隙介質(zhì)中滲流的理論基礎(6學時)(一) 學習目標1. 理解并掌握雙重孔隙介質(zhì)中滲流所涉及雙重介質(zhì)及其物理模型等基本概念；2. 掌握流體在雙重孔隙介質(zhì)中滲流的特征方程竄流方程。主要是理解竄流系數(shù)和彈性儲能比的表達式及其物理意義；3. 學會應用雙重孔隙介質(zhì)中的滲流理論進行不穩(wěn)定試井分析。重點是掌握雙重介質(zhì)壓力恢復曲線的特點。(二) 課程內(nèi)容第一節(jié) 基本概念(2學時)本章討論的雙重介質(zhì)主要是指裂縫-孔隙型兩種孔隙空間，其中（裂縫）為流油通道，（孔隙）為儲油空間