第三章(3-3)毛管壓力.ppt

1、第三節(jié) 儲層巖石的毛管壓力,本節(jié)內(nèi)容主要包括以下方面： 1、毛管壓力的概念 2、巖石毛管壓力曲線的測定與換算 3、巖石毛管壓力曲線的基本特征 4、毛管壓力曲線的應(yīng)用,一、毛管中液體的上升及毛（細(xì)）管壓力,、毛管中液體的上升： 將一干凈的玻璃毛細(xì)管插入大燒杯的水內(nèi)（如圖）（玻璃表面具有強(qiáng)水濕的性質(zhì)），毛細(xì)管中水面則沿毛細(xì)管上升一定高度h。這種上升高度是玻璃管壁和水之間的分子引力（附著力）以及毛管中液柱重度導(dǎo)致的結(jié)果。,空 氣,空 氣,水,水銀,玻 璃,玻 璃,拉液柱向上的作用力是潤濕張力A； A = 2,3 - 1,3 = 1,2 cos 毛細(xì)管中拉液柱的總潤濕張力為：2r w,g cos(向上

2、) 毛細(xì)管中液柱重量的增加為:r2h(w_g)g (向下) 式中g(shù)為重力加速度，g為空氣密度。 液面穩(wěn)定(平衡)時有: 2r w,g cos= r2h(w_g)g 有: h= 2 w,g cos/r (w_g)g 若空氣為油時, 有: h= 2 w,o cos/r (w_o)g,2、毛細(xì)管力（毛管力） 圖（a）中彎液面上側(cè)B1點的壓力為：Pb 彎液面下側(cè)B點的壓力：Pw 毛管中A的壓力為:Pa 它們之間的關(guān)系為: Pb+hgg= Pa Pw+ hwg= Pa 所以有：Pb- Pw=h(w_g)g,令：Pb- Pw=h(w_g)g =Pc Pc毛細(xì)管力（毛管力）：是毛細(xì)管中彎液面兩側(cè)非潤濕相與濕

3、相的壓力差。 Pc的方向，指向彎液面的凹方向； Pc的大?。?因為： Pc=h(w_g)g； h= 2 w,g cos/r (w_g)g 所以有：Pc= 2 w,g cos/r 油水-玻璃系統(tǒng)有： Pc= 2 w,o cos/r 毛管力的通式為： Pc= 2 cos/r 為兩流體之間的界面（表面）張力，為系統(tǒng)的接觸角；,毛管力的性質(zhì)： （1） Pc與毛管半徑r成反比，r越小， Pc越大； （2） Pc與兩相流體的界面自由能成正比，越大， Pc越大； （3） Pc與cos成正比， 90時，毛管孔道親水，毛管力Pc為正，水面自發(fā)上升； 90時，毛管孔道親油，毛管力Pc為負(fù)，水面自發(fā)下降； （4）傾

4、斜毛管的毛管力的特征（如圖）,3、油藏巖石毛管力的作用 油藏巖石，特別是砂巖巖石孔道極小，而將其視為一種理想的毛細(xì)管，因此，油藏巖石的毛管力就可以用上述的毛細(xì)管現(xiàn)象來描述。 （1）油藏形成中的作用 由于油藏中的孔隙大小不一，可看成是由大小不同的毛細(xì)管組成，使 得油藏在形成時，油水界面和油氣界面不是一個鏡面，而是一個油水過渡 帶和油氣過渡帶，且油藏中油水過渡帶的寬度比油氣過渡帶的寬度要寬。 因為：hog= 2 o,g cos/r (o_g)g how= 2 o,w cos/r (w_o)g 假定兩個過渡帶中的、r相同 因為： (o_g)(o_w) 又因為：油中溶解有大量的天然氣，且油氣間的極性差

5、遠(yuǎn)小 于油水間的極性差，使得o,w o,g 所以有： how hog,（2）驅(qū)油過程中的作用,二、任意曲面的附加壓力,圖93 任意曲面的附加壓力,如圖93，任何簡單曲面必然存在附加壓力，該毛管壓力的方向與液面的凹向一致（即圖中箭頭所示），附加壓力的大小由拉普拉斯方程可得（忽略重力的作用）：,R1、R2為曲面的兩主曲率半徑,二、任意曲面的附加壓力,1、球面上的毛管壓力 因為 R1=R2=R 所以 Pc=2/R,2、毛細(xì)管中的毛管力 Pc=2/R,毛細(xì)管中的彎液面是球面的一部分。毛管壓力與毛管半徑成反比；毛管半徑越小，毛管壓力越大。兩相界面張力越大，接觸角越小，毛管力也就越大。,圖95親水毛管中的

6、彎曲界面球面與柱面,3、柱面上的毛管壓力,在親水巖石孔道，除油水彎曲面外，還有壁面與水接觸的圓柱面（圖95）。因為毛管表面為束縛水膜，毛管中心為油(或氣)，此油-水界面為圓柱面。,圖96柱面的曲率及毛管力的方向,柱面的毛管力Pcz指向管軸心，毛管力的作用使毛管中的水膜厚度增加。角標(biāo)Z代表曲面為柱面，本章中毛管力無角標(biāo)Z時，則指曲面為球面。,4、錐形毛管中的毛管力,如圖97，粗端曲面的曲率半徑為R1r1cos(+)，細(xì)端曲面的曲率半徑為R2r2cos()，那么曲面上的毛管壓力為：,裂縫寬度越小，則毛管壓力越大。(R1=cosW/2 ，R2=),5.兩相流體處于裂縫間（平行板間）的毛管力（兩相流體

7、間的彎液面（界面）為柱面的一部分）,圖99砂粒間濕相流體環(huán)狀分布及彎曲面 （Rm=（1/R1+1/R2）/2） Rm平均半徑,6、理想砂巖砂粒接觸處流體環(huán)狀分布的毛管力,圖99為砂巖中兩個等直徑砂粒，濕相流體在砂粒點周圍呈環(huán)狀分布，非濕相則位于孔道中心部分，兩相間有一彎曲界面。,圖910 圓柱形毛管孔道中的液珠或氣泡,三、油藏巖石孔道中附加的毛管阻力效應(yīng),1、當(dāng)油柱(或氣泡)處于靜止?fàn)顟B(tài)時 （第一種阻力效應(yīng)P）,球形曲面產(chǎn)生的毛管力：（垂向指向毛管管壁，使管壁處流體粘度增大。） 柱面產(chǎn)生的毛管力：（垂向指向毛管中心，使管壁處流體粘度減小。） 故油柱（或珠泡）靜態(tài)的毛管力效應(yīng)PI為： 由上式可以

8、看出，油水界面張力越大，毛管半徑越小，管壁的親水性越強(qiáng)，則作用于管壁液膜的毛管力也就越大，液膜達(dá)到平衡之前其厚度減小也越快。,圖911 外加壓差使彎液面變形,2、在壓差作用下，當(dāng)油柱(或氣泡)欲運(yùn)動時 （第二種阻力效應(yīng)P）,對于前進(jìn)彎液面： 對于后退彎液面： 因 ，故 0，所以說是與驅(qū)動力相反的作用力，即阻力， 越大，毛管阻力越大。由于珠泡的運(yùn)動和潤濕滯后所產(chǎn)生的兩彎液面變 形會給驅(qū)動帶來阻力，由于這種曲面變形所產(chǎn)生的阻力為 那么要使珠泡運(yùn)動就必須多施加的力： 只有當(dāng)球泡兩端壓差克服了上述的PI、PII和液膜的反常粘滯阻力之后，珠泡才能流動，盡管這些阻力不太大，但這只是一個珠泡的情形，倘若孔道

9、（毛細(xì)管）中有一連串的珠泡存在，那么它們對水驅(qū)油所形成的阻力是相當(dāng)大的。所以說非濕相的流動條件就是驅(qū)替力要大過毛管力。,3、當(dāng)珠泡流到孔道窄口時（第三種阻力效應(yīng)P）,所以欲使珠泡通過孔隙則需要克服遇阻時由于珠泡變形所產(chǎn)生的新的阻力PIII 。PIII阻力效應(yīng)就是通常所說的賈敏效應(yīng)，賈敏效應(yīng)在油田開發(fā)中既有利也有害。在油水混相區(qū)，由于珠泡多而堵死油流，嚴(yán)重影響油流向井底，降低產(chǎn)量。另一方面，各種堵水措施以及二次采油、三次采油中的泡沫驅(qū)都是利用其效應(yīng)。,4、其它,把一根玻璃毛細(xì)管插入一盛有濕相流體（如水）的容器中，則濕相(水)排驅(qū)非濕相(空氣)，在毛管壓力的作用下，水將沿毛管上升一定高度(圖914

10、a)，這是吸入過程。再把另一根同樣的毛管先充滿水，再插入盛水容器，在重力作用下，水將沿毛細(xì)管下降到一定高度，這是空氣驅(qū)水的驅(qū)替過程(圖914b)。 可以看出，盡管空氣中的壓力都為大氣壓，但由于飽和順序不同，吸入過程產(chǎn)生液柱的高度小于驅(qū)替過程產(chǎn)生的液柱高度。 毛細(xì)管滯后現(xiàn)象的產(chǎn)生主要由潤濕滯后及巖石孔道幾何形狀引起，常見毛細(xì)管滯后現(xiàn)象有以下幾種：,四、毛管滯后現(xiàn)象,四、毛管滯后現(xiàn)象,圖914 接觸角滯后引起毛管滯后,圖915毛管直徑突變引起毛管滯,1、接觸角滯后（即潤濕滯后）引起毛管滯后 （圖9-14）,2、毛管半徑突變引起毛管滯后 （圖9-15）,四、毛管滯后現(xiàn)象,圖916毛管直徑漸變引起毛管

11、滯后,3、毛細(xì)管半徑漸變引起毛管滯后,4、實際巖石孔隙中的毛管滯后,圖917實際巖石孔隙毛管滯后現(xiàn)象,四、毛管滯后現(xiàn)象,潤濕研究對象： 不混容的兩相液體固體三相體系，或液體氣體固體三相體系。 （2）潤濕相流體與非潤濕相流體： 能沿固體表面鋪開的那一相稱為潤濕相流體，另一相稱為非潤濕相流體。（氣相在大多數(shù)情況下是非潤濕相） （水空氣玻璃體系中，水為潤濕相流體，空氣為非潤濕相流體） （水銀空氣玻璃體系中，水銀為非潤濕相流體，空氣為潤濕相流體） （3）選擇性潤濕： 固體表面優(yōu)先于哪一種流體潤濕。 （水空氣玻璃體系中，玻璃表面對水選擇性潤濕） （水銀空氣玻璃體系中，玻璃表面對空氣選擇性潤濕）,、儲層巖

12、石潤濕程度的確定接觸角（）（潤濕角） 研究對象：水油巖石三相體系。（氣油巖石和氣水巖石三相體系 中，氣體為非潤濕相流體） 分別以代表水、代表油、代表巖石。 表示巖石潤濕性程度的參數(shù)接觸角(也稱潤濕角) 接觸角的確定：通過水-油-巖石三相交點做水-油界面的切線，切線與水-巖石界面之間的夾角（經(jīng)過水相）稱為接觸角（）。 （ 0 0）,（）當(dāng)90時， 水對巖石表面選擇性潤濕；水為潤濕相流體；巖石親水或稱水濕巖石； 越小，巖石的親水性越強(qiáng)； （）當(dāng)90時， 油對巖石表面選擇性潤濕；油為潤濕相流體；巖石親油或稱油濕巖石； 越大，巖石的親油性越強(qiáng)； （）當(dāng)=90時， 油、水潤濕巖石的能力相當(dāng)，巖石既不親水

13、也不親油，即巖石為中性潤濕；,、潤濕的實質(zhì) 油水對巖石表面選擇性潤濕是作用于三相周界的兩相界面張力相互作用的結(jié)果，當(dāng)其達(dá)到平衡時，有： 2,3 = 1,3 + 1,2 cos 2,3 - 1,3 = 1,2 cos=A（潤濕張力） A的物理意義：水對巖石表面選擇性潤濕導(dǎo)致油巖石界面比表面能的減小。 潤濕的實質(zhì)：固體表面自由能的減小。,4、附著功W(也稱粘附功),附著功W：指將單位面積的濕相流體(如水)從固體表面 (親水巖石表面)驅(qū)開所 作的功。（是潤濕的反過程。） 由上圖知，拉開前的比表面能為1,3，拉開后的比表面能為2,3 + 1,2 因此：W= （2,3 + 1,2 ）- 1,3 因為：

14、2,3 - 1,3 = 1,2 cos 所以： W=1,2 （1+cos） 由上式看出，角越小，附著功W越大，即濕相流體（水）對巖石的潤濕程度越強(qiáng)； 因此，研究附著功的意義是：用附著功判斷巖石潤濕性。,5、潤濕反轉(zhuǎn)現(xiàn)象,潤濕反轉(zhuǎn)：在一定條件下，加入表面活性劑（或其它的特殊處理方法）， 使巖石表面的親水性和親油性相互轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象。 表面活性物質(zhì)自發(fā)地吸附在兩相界面上并使界面張力減小，因此，表面 活性物質(zhì)吸附于巖石表面，將可能導(dǎo)致： （1）親水性的巖石表面的親水性變?nèi)跎踔磷兂捎H油性表面； （2）親油性的巖石表面的親油性變?nèi)跎踔磷兂捎H水性表面。,研究巖石潤濕反轉(zhuǎn)的意義： 巖石潤濕反轉(zhuǎn)的特性，已被油田得

15、到了廣泛的合理應(yīng)用。表面活性劑驅(qū)油是合理應(yīng)用潤濕反轉(zhuǎn)特性的一個實例。從地面向油層注入一定量的表面活性劑溶液，通過表面活性劑在油層巖石顆粒表面的吸附，使親油巖石顆粒表面向親水轉(zhuǎn)換，有利于“剝落”巖石顆粒表面的“油膜”，從而達(dá)到提高原油采收率的目的。,二、 潤濕滯后現(xiàn)象及其影響因素,潤濕滯后是在流體流動過程中出現(xiàn)的一種潤濕現(xiàn)象。如圖下所示，將原來水平放置的親水固體（巖石）表面傾斜一個角度，可以發(fā)現(xiàn)，油-水-固（巖石）三相周界不能立即向前移動，而是油-水兩相界面發(fā)生變形，使得原始的接觸角發(fā)生改變，然后，三相周界才向前移動。 潤濕滯后：指三相潤濕周界沿固體表面移動的遲緩而產(chǎn)生潤濕接觸角改變的現(xiàn)象。 潤

16、濕滯后的影響因素包括：,傾斜一個角度,1、潤濕次序（三相周界的移動方向）的影響 潤濕次序的含義：固體（巖石）表面一開始是和油接觸，后來水把油驅(qū)趕走代之以水和固體（巖石）表面接觸，或者是反之的情況。 三相周界的移動方向的含義： A點移動方向是水驅(qū)油的方向，即水將占據(jù)油原來的部分空間； B點移動方向是油驅(qū)水的方向，即油將占據(jù)水原來的部分空間； 前進(jìn)角（1）：水驅(qū)油（潤濕相流體驅(qū)趕非潤濕相流體）時的接觸角； 后退角（2）：油驅(qū)水（非潤濕相流體驅(qū)趕潤濕相流體）時的接觸角； 由于潤濕次序的不同產(chǎn)生了兩個不等的接觸角，且在一般情況下有： 1 2 （為原始接觸角） 靜潤濕滯后：由潤濕次序不同 而引起的接觸角

17、的變化。,2、三相周界移動速度的影響 如下圖所示，油水在巖石孔隙中靜止時，接觸角為30，巖石表面具有較強(qiáng)的水潤濕；當(dāng)水驅(qū)油在巖石孔隙中流動時，接觸角發(fā)生了改變，接觸角隨水驅(qū)油速度的增大而變大，即滯后現(xiàn)象越嚴(yán)重，當(dāng)水驅(qū)油速度的增大到某一值時，巖石表面變?yōu)橛H油性，發(fā)生了潤濕反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。 動潤濕滯后：由三相周界移動速度而引起的接觸角的變化。,靜止時，= 30，巖石親水,1,2,水驅(qū)油速度為V1時，= 60，巖石親水性減弱,水驅(qū)油速度為V2 V1時，= 75，巖石親水性再減弱,水驅(qū)油速度為V3 V2時，= 115，巖石類似親油性，發(fā)生潤濕反轉(zhuǎn),研究動潤濕滯后的意義： 親水油藏水驅(qū)油時，當(dāng)水驅(qū)油的速度過大

18、時，將導(dǎo)致油藏巖石具有“親油”的性質(zhì)。實踐證明，親油油藏水驅(qū)油的殘余油飽和度比親水油藏水驅(qū)油的殘余油飽和度大；因此，從提高原油采收率的目的出發(fā)，注水開發(fā)的油藏，并非注水速度越大就越好。,3、固體表面粗糙度的影響 巖石顆粒表面粗糙程度增加，三相周界移動更加遲緩，潤濕滯后現(xiàn)象更為顯著。 固體的棱角和尖銳凸起對潤濕滯后有很大的影響。尖銳對對三相周界的移動阻力很大，如下圖所示，此時接觸角應(yīng)該加上“形角”，才能反映滯后現(xiàn)象， “形角” 越大，滯后也越顯著。,4、表面活性物質(zhì)吸附的影響 石油中天然活性物質(zhì)或人工注入油層的活性劑吸附在巖石的的表面，潤濕滯后現(xiàn)象增強(qiáng)。 下圖表明： 曲線1：在光滑干凈的大理石表面，水滴趨于平衡的速度很快； 曲線2：在油中預(yù)浸59天的大理石表面，水滴趨于平衡的速度較慢； 曲線3：經(jīng)過油酸（活性劑）預(yù)處理的大理石表面，水滴趨于平衡的速度更慢；,三、儲層巖石潤濕性的測定 1、測定光滑巖石表面的接觸角方法 （直接法） 如圖837所示，其原理是把欲測巖石樣品（礦物）加工成平板、表面經(jīng)過磨光處理，浸入液體（油或水）中，在平板光面上滴一滴直徑約為12mm的液體（水或