提高原油采收率原理(EOR)第二章

第二章油层中的界面现象InterfacialPhenomenainFormation预备知识1、界面曲界面两侧压力差(Pressuredifferencebetweentwosidesofcurvedinterface)毛细管现象(Capillaryphenomena)润湿现象(Wettingphenomena)吸附现象(Adsorptionphenomena)岩石表面的带电现象(Electrificationphenomenaonrocksurface)水驱油时的分散现象(Dispersionphenomenaofoil)2、界面现象(InterfacialPhenomena)1净吸引力2净吸引力指向液体内部3表面能3、表面张力(SurfaceTension)表面能自动趋于减少的规律•在净吸引力的作用下，表面有自动收缩的倾向。•曲界面压力差、吸附、润湿和毛细管现象都是该规律起作用的表现。第一节曲界面两侧的压力差PRESSUREDIFFERENCEBETWEENTWOSIDESofCURVEDINTERFACE1、球形曲界面压差的实验证明p1p2p1p2一、球形曲界面压力差2、球形曲界面两侧压差产生原因•表面能趋于减少，气泡表面倾向于收缩，必然会产生一种作用，去阻碍气泡表面增大，即表面能趋于减少的倾向会对鼓泡的方向施加压力，阻碍表面增大，称为表面收缩压。•表面收缩压与鼓泡的压力平衡•p=p1–p2对于液体下的一个气泡，半径为r，在p作用下试图增加其体积，半径增加dr，体积增加dV=4r2dr，表面积增加dA=8rdr按照热力学，此过程作功W=pdV=p4r2dr3、球形曲界面两侧压差公式推导按照表面能的概念，表面能增加dA=8rdr容积功=表面能增加p4r2dr=8rdrrp2说明：•球形曲界面，内部的压力总是大于外部的压力；•r为曲率半径；•p1/r；•只适用于球形界面；根据能量守恒原则即界面能增量与容积功相等导出图2-1任意曲面两侧的压力差一般的曲界面两侧压力差的公式，Laplace公式能量守恒Δp.xydz=σ(xdy+ydx）容积功=（xydz)Δp界面能增量=σ(xdy+ydx)xx+dxyy+dyzz+dzABCDΔpA,B,C,D,二、任意曲界面压力差式中，R1、R2是任意曲面的两个主曲率半径AOB与A，O，B相似1222RydzdyRxdzdxRxdzRdxx)R1R1(p)RxydzRxydz()ydxxdy(xydzp2121Laplace公式1、球面2、柱面L3、马鞍形面LLaplace公式有三种重要的形式当曲界面为球面时:R=R1=R2当曲界面为柱面时:R2=∞当曲界面为马鞍形面时:R1与R2一正一负R2)R1R1(p21121R)R1R1(p)R1R1(p21柱面马鞍形面第二节毛细管现象CAPILLARYPHENOMENA一、毛细管上升(Capillaryelevation)或下降(Capillarydepression)现象毛细管上升高度的计算rpp216243ppp65ppghppghppghppowow)(155412rghppppow2)(1615cos'rr对公式的理解rg)(cos2how岩石中的流动孔隙可看作毛细管，毛细现象的存在使油水气界面为过渡带油藏中存在油-水、油-气过渡带的原因goow油水过渡带比油气过渡带厚度更大。（1）亲水地层，毛细管力是水驱油动力亲油地层，毛细管力是水驱油阻力如将饱和油的亲水岩心浸泡在水中，可发现水在毛细管压力作用下自动进入岩心，驱出岩心中的非湿相油，这一过程被称之为自吸过程。岩心的亲水性越强，自吸性越强。反之，岩心亲水时，表现出岩心不能自动吸水。如果使水进入岩心，则必须施加一个外力克服毛管压力，才能使水驱油，这种过程即为驱替过程。（2）孔喉结构使毛细管力得不到充分发挥（3）毛细管缝上升高度计算公式r´—1/2缝宽2Jamin效应(Jamineffect)（1）计算公式Jamin效应是指液珠或气泡通过喉孔时由于界面变形而对液流产生的阻力效应。p2-p1——液珠或气泡前后的压力差；σ——界面张力；R1、R2——液珠或气泡通过喉孔时前后的曲率半径。p2p3p1R21131R2ppp2232R2ppp2'21121cos2)R1R1(2ppRrθ（2）贾敏效应始终为阻力效应亲油亲水亲水地层Jamin效应发生在油珠或气泡通过喉孔之前；亲油地层Jamin效应发生在油珠或气泡通过喉孔之后。θ贾敏效应越小，残余油滴越容易被驱动，驱油效率越高。影响贾敏效应的因素有：油水界面张力。油水界面张力越小，驱动孔喉油滴的阻力越小。油层岩石的润湿性。亲水油藏的润湿角越大，对残余油的驱动阻力越小，驱油效率越高。因此，对于亲水油藏，减弱其水湿性（增大润湿角），可以提高对孔喉处残余油的驱替效率；同理，亲油油藏中，减弱其亲油性，可以提高对孔喉处残余油的驱替效率；中性润湿，贾敏效应为零。油藏的孔隙结构。孔喉比越大，驱动孔喉油滴的阻力越大。慢快Hanes由于Jamin效应的存在，使一个液珠或气泡通过喉孔的全过程分成两个阶段：一个是有Jamin效应阶段；另一个是没有Jamin效应阶段。在前一个阶段，液珠或气泡通过的速度较慢；在后一个阶段，液珠或气泡通过的速度较快，因此产生一个跃动。这个跃动称为Haines跃动，它是液珠或气泡通过喉孔时由于Jamin效应的产生和消失引起的。液珠和气泡通过孔隙介质各个喉孔时就是这样一个跃动一个跃动的前进。Haines跃动，由于气泡或液滴通过喉孔时的Jamin效应引起的。Jamin具有叠加作用Jamin效应使驱油剂的流度得到控制－调剖作用(3)Jamin效应具有叠加作用，即总的Jamin效应是各个喉孔Jamin效应的加和。i13Jamin)PP(Pi=1，2，3……当泡沫通过不均质地层时，它将首先进入高渗透层。由于Jamin效应的叠加，所以它的流动阻力逐渐在提高，随着注入压力的增加，泡沫可以依次进入渗透性较小，流动阻力较大而原先不能进入的中低渗透层，向地层注泡沫或乳状液，就是通过叠加的Jamin效应使驱油剂的流度得到控制。第三节润湿现象WETTINGPHENOMENA一、润湿概念二、分类三、润湿程度的衡量标准四、润湿滞后一、润湿概念•润湿定义固体表面上一种流体被另一种流体取代引起表面能下降的过程。U=(固液-固气)A可理解为：固体表面的A流体能自发取代B流体，认为A在固体表面是润湿的。图2-6润湿的类型（G、L代表两种液体，S代表固体）润湿现象是指固体界面的一种流体被另一种流体取代的现象。沾湿润湿:改变液-气界面固-气界面为固-液界面的过程铺展润湿:固-液界面代替固-气界面的同时，液体表面也扩展浸湿润湿:固体浸入液体的过程三种润湿类型G—流体（气体）；S—固体；L—流体（液体）。表2-1不同润湿类型的特点图2-7液珠重新沾回岩石表面的过程按照润湿类型的概念，水驱油过程应属浸湿润湿，而一个分散的液珠重新沾回岩石表面应属沾湿润湿。三、润湿程度的衡量标准•1、接触角•2、粘附功1、接触角(Contactangle)1、接触角（润湿角）沿气液固三相交点对液滴表面所作切线与液固界面所夹的角。90°,润湿好90°,润湿不好=0°,完全润湿=180°,完全不润湿接触角画法玻璃表面石蜡表面空气空气练习•找出油滴在砂粒表面的润湿角砂粒油滴水•找出油滴在砂粒表面的润湿角砂粒油滴水砂粒根据力的平衡原则：图2-8固体表面液滴的三相交点（O）的受力-1GLSLSG1-GLSLSGGLSLSG-coscoscos润湿涉及三相，与三个界面张力有关。Young方程2、粘附功(Adhesionenergy)2、粘附功将单位面积（如1m2）固液界面在第三相中拉开所作之功。Us=气液1m2+气固1m2-液固1m2=（气液+气固-液固）1m2W粘=气液（1+cos）对驱油而言W粘=油水（1+cos）等温、等压条件下，将具有单位表面积的固体可逆地浸入液体中所作的最大功称为浸湿功。在浸湿过程中，消失了单位面积的气、固表面，产生了单位面积的液、固界面。液固气固气固固液浸）（2m1UW浸湿功等温、等压条件下，当液体滴到固体表面后，新生的液固界面取代气固界面的同时，气液界面也扩大了同样的面积，这一过程叫做铺展。这过程中所做的功称为铺展系数，用S表示。气液固液气固固气气液固液21)(mUS铺展系数粘附功(沾湿功）、浸湿功、铺展系数之间的关系沾湿θ≤180°浸湿θ≤90°铺展θ=0°）（（气液气液液固气固气液液固气固浸气液粘1coscos)cos1SWW因为任何液体在固体上的接触角总不大于180°，所以沾湿过程是任何液体与固体之间都可进行的过程。铺展润湿的标准是润湿的最高标准四润湿滞后(Wettinghysteresis)同一液体接触面积不变(高平不一）前进角(advancingagle)后退角(recedingagle)润湿滞后(wettinghysteresis)AR四润湿滞后润湿滞后：指三相润湿周界沿固体表面移动的迟缓而产生润湿接触角改变的现象。油-水-固（岩石）三相周界不能立即向前移动，而是油-水两相界面发生变形，使得原始的接触角发生改变，然后，三相周界才向前移动。润湿滞后产生附加阻力推导180-θA润湿滞后影响因素•界面粗糙度:岩石颗粒表面粗糙程度增加，三相周界移动更加迟缓，润湿滞后现象更为显著.•界面移动速度（速度越快，滞后越严重）•当运动速度超过某一临界值后，会发生润湿反转现象12静止时，θ=30°，岩石亲水水驱油速度为V1时，θ=60°，岩石亲水性减弱水驱油速度为V2＞V1时，θ=75°，岩石亲水性再减弱水驱油速度为V3＞V2时，θ=115°，岩石类似亲油性，发生润湿反转亲水油藏水驱油时，当水驱油的速度过大时，将导致油藏岩石具有“亲油”的性质。实践证明，亲油油藏水驱油的残余油饱和度比亲水油藏水驱油的残余油饱和度大；因此，从提高原油采收率的目的出发，注水开发的油藏，并非注水速度越大就越好。润湿滞后影响因素第四节吸附现象ADSORPTIONPHENOMENA•定义：物质在相表面和相内部浓度不同的现象，称为吸附。•分类：正吸附，负吸附1表面活性剂吸附2聚合物的吸附3离子吸附一、什么是表面活性剂1.定义少量存在就能大大降低表面张力的物质。2.结构特点两种基团：亲水基团、疏水（亲油）基团二、表面活性剂的稀溶液和浓溶液1、极稀溶液（1）分子分布有一个动平衡溶液中单个活性剂分子吸附层中活性剂分子Us↓扩散（2）活性剂分子平铺于界面，对表面张力影响大。三、表面活性剂的稀溶液和浓溶液2、稀溶液（1）分子分布有两个动平衡活性剂在溶液中结合体吸附层中活性剂分子Us↓扩散（2）活性剂分子倾斜于界面，对表面张力影响变小。溶液中单个活性剂分子热运动极性相近3、浓溶液（1）分子分布有两个动平衡活性剂在溶液中的缔合分子吸附层中活性剂分子Us↓扩散溶液中单个活性剂分子热运动极性相近（2）活性剂分子在界面达到饱和吸附层，对表面张力无影响。二、表面活性剂的稀溶液和浓溶液（3）胶束①什么叫胶束？表面活性剂超过了某一特定浓度就会在溶液内部缔合形成的分子集团。②什么情况下形成胶束？达到临界胶束浓度。临界胶束浓度cmc：表面活性剂在溶液中开始明显形成胶束的浓度。③如何判断胶束的形成？A.测表面张力：表面张力开始不变的浓度。B.测电导率：电导率突变的浓度。胶束表面活性剂的吸附(Surfactantadsorption)表面活性剂吸附气液界面液液界面固液界面表面张力界面张力润湿性表面活性剂损