水驱油机理

1水驱油机理油藏排驱过程中的力微观水驱油机理宏观水驱油机理毛管数及其意义粘性指进与舌进影响水驱采收率的因素概述目的：向地层补充能量的驱替方法。水驱采收率（E）概念：指宏观扫油效率与微观驱油效率的乘积，即：E=EV•EDEV--水波及体积占油藏总体积的百分数，等于面积扫油效率乘体积扫油效率，约50-70%；ED--水波及区内排驱的油量百分数，约30-40%。故，水驱采收率约为15-30%OOIP。OOIP-OriginalOilinPlace，原始石油地质储量。剩余油：水驱后，因水未波及到的区域而留在地下的原油。残余油：水驱后，水波及区域所滞留在地下的原油。剩留油：水驱结束后，水波及和未波及区域的残余油和剩留油的总合。1.1油藏排驱过程中的力1.1.1毛管力（Capillaryforces）表面张力和界面张力油藏中的油和水是非混相流体,它们共存于多孔介质中，与油水相有关的界面张力将影响相的分布、相的饱和度和相的排驱。表面力即表面抗张力。用表面张力σ来确定表面力的大小，表面力指表平面的单位表面长度上的作用力。表面张力可如图1.2那样形象化。F是对长度为L的液体表面作用的法向力，单位长度上的法向力（F/L）就是表面张力，通常用dynes/cm表示。表面张力与产生新的表面所要作的功有关。假定，图1.2中的力F移动了dx距离，产生的新的表面是Ldx，所作的功可表示为：W=Fdx(1.1)或者，W=σdA(1.2）式中，F为施加于表面的力；L是表面受力长度；σ即IFT，界面张力；dA=Ldx是新的表面。产生附加表面所需要作的功与界面张力成正比，σdA也就是表面能。L液体F图1.2定义表面张力的力和长度cos2)(grhawh水空气θr图1.3毛细管测表面张力示意图用毛细管测定某一液体界面张力的方法很简便。如图1.3，将半径为r的毛管插入一盛水的烧杯中，毛管中水将升到某一高度，并且因为力的差异会产生一弯液面。静态条件下,力是通过作用在液柱上的重力所平衡：表面张力向上的垂直分力×润湿周长=作用在液柱上向下的重力。即：σcosθ2πr=πr2h（ρw-ρa）g(1-3）式中，r：毛细管半径，cm；h：毛细管中水的上升高度，cm；ρw、ρa：分别为水和空气的密度，g/Cm3；g：重力加速度，980cm/s2；θ：水和毛管之间的接触角。为了计算界面张力，方程(1.3）可写为：岩石润湿性润湿性是在另一种流体存在时，某一种流体在固体表面的铺展或粘附的倾向性。当两种非混相流体与固体表面接触时，某一相通常比另一相更强烈地吸引到固体表面，更强烈的这一相称润湿相。当两种非混相流体与固体表面接触时，通过确定界面张力，可以定量分析润湿性。σos–σws=σowcosθ(1.5）σos、σws、σow分别是油固、水固和油水之间的界面张力，θ为接触角。σowθσws水油图1.5油、水、固界面间的界面力σos1.1.2毛管压力毛管中因为两种不互溶流体中的界面存在张力，在分界面上存在压力差，这个压力差称为毛管压力—CapillaryPressure，两种流体中有一种流体比另一种流体更优先地润湿固体表面。毛管压力可以表现为毛管中液体上升或下降行为，如图1.6玻璃毛管中上升的水，水上面的液体是油，因为水完全润湿玻璃毛管，所以表现为毛管中液体上升。hh1popw水油Patm图1。6界面力导致的毛管压力图Po是油水界面上一点的油相压力，Pw是界面下水相的压力，产生的力平衡如下：Po=Pa+ρogh1(1.6)和Pw=Pa+ρog（h1+h）-ρwgh(1.7)式中，Pa：为大气压，dynes/cm2；h1、h：为图中液体的高度，cm；ρo、ρw：分别为油水密度，g/cm3；g：是重力加速度，980cm/s2。水的压力可以通过穿过油的总压头减去水头计算得到。容器中油水界面处的压力，采用与毛管中相同高度水的压力值，用方程(1.6）-(1.7），则：Po-Pw=h（ρw-ρo）g=Pc(1.8）毛细管压力可能是正值，也可能是负值，主要依优先润湿性而定，非润湿相中的压力较大。在前面已了解油水的界面张力，通过换算毛管压力为：(1.11）毛管压力与液/液界面张力、流体的润湿性、毛管大小有关。毛管压力可以是正值，也可以是负值；符号仅仅表示毛管中相压力较低。具有较低压力的一相总是优先润湿毛管。作为毛管半径和润湿性的函数，当毛管半径和岩石表面润湿相的亲合力增加时，毛管压力Pc减小，这一点非常重要。rPowccos2三.粘滞力孔隙介质中的粘滞力是以流体流过介质时所出现的压降大小反映出的。计算粘滞力大小的最简单近似方法是考虑把一束平行毛管作为多孔介质，则以层流的方式通过单根毛管的压降可由Poiseuille定律给出：(1.12)孔隙介质中的粘滞力可根据达西定律表示为：(1.12)CgrvLP28KLvp1.2微观水驱油机理油水是两种不互溶液体，其界面张力高达30-50mN/m。油层是高度分散体系，界面性质对油水流动有着关键影响，特别是毛管力对油的滞留和排驱有着主导作用。油层岩石是由几何形状和大小极不一致的矿物颗粒构成的，形成一个复杂的空间网络，且矿物颗粒的组成也不完全相同，这些因素决定了孔隙介质的微观几何结构和表面性质都是极不均一的。油层性质的非均质性，增加了水驱油的复杂性，直接影响微观水驱油效率ED。通过分析微观水驱油机理，了解水驱残余油的形成、滞留和排驱，本节在单孔隙模型和双孔隙模型的基础上，说明残余油的形成和捕集。1.2.1驱油效率（ED）(DisplacementEfficiency)定义：油藏被水波及的体积内，水驱替的油量与波及体积内原油地质储量的比值，又称为洗油效率。驱油效率总是小于1。GrainsWaterOilSweptAreaoiorDSSE11.1.1孔隙介质中原油的捕集孔隙介质中原油或其它流体的捕集作用不是非常清楚，同时也不能以数学的方法给以精确的描述，但已知捕获机理依赖于：1）孔隙介质的孔隙结构；2）与润湿性有关的流体-岩石间的相互作用；3）界面张力反映的液-液间的相互作用和流动不稳定性。1.1微观水驱油机理1.1.1单毛管中的水驱油油水是两种不互溶液体，其界面张力高达30-50mN/m。油层是高度分散体系，界面性质对油水流动有着关键影响，特别是毛管力对油的滞留和排驱有着不可忽视的作用。油层岩石是由几何形状和大小多极不一致的矿物颗粒构成的，形成一个复杂的空间网络，矿物颗粒的组成不完全相同。这些因素决定了孔隙介质的微观几何结构和表面性质都是极不均一的。油层性质的非均质性，增加了水驱油的复杂性，直接影响微观水驱油效率ED。1.单孔隙模型尽管单孔隙模型与实际的油藏相比，可能相差甚远。但是它仍然是一种有用的概念。如图1.7所示，我们先研究一根等直的柱形毛细管。设毛细管的半径为r，油水界面的表面张力为σ，油—水界面弯液面的曲率半径为R，则弯液面两恻的压差（即毛细管压力）Pc应为：（1.19）式中，Po，Pw分别为油相和水相的压力，θ为接触角。cos22Rpppcwo图1.7所示的油水界面，在柱形毛细管中系处于平衡状态。亦即，油、水两相处于静态平衡。如果，r=1μm，σ=5mN/m，θ=0（表示毛细管表面完全为水所润湿），则：Pc=2×5mN/m×10-6m=104barN/m2=10-1bar显然，如欲改变油—水相的静态平衡，而使油水两相在毛细管中流动，则所施加的压力必须大于Pc。这就是通常所说的克服毛细阻力。σosσosp0σwsσwsx接触线pw图1.7毛管中弯液面上的力平衡毛细管是非等径时，如图1.8所示。设油滴两侧的曲率半径为r1和r2，界面均为轴对称，接触角也相同，则在1点和2点位置，油滴处于静力平衡状态，则：（1.20）如果要使油滴移动，由于r1r2，所以在1点需要有一正压力方能把油滴推过喉道2的笮口。如r1r2则上式近似为:图1.8变直径毛细管内油、水的界面示意图)11(cos22121rrPP221/cos2rPP(1.21)显然，欲使油滴移动的压力，大抵与孔隙喉道半径r2相关。例如，r2=1μm，σ=5mN/m，油和水性质同前，则要将此油滴推过孔喉的压力必将大于10-1bar。现在假定这些形态相同的非等径孔隙的平均长度L为50μm，每个孔隙中都有一个油滴，欲使每个油滴能够移动，则所需的压力梯度为：十分明显，这样大的压力梯度，对任何一个油藏的储层都是无法建立的（除非通过增产措施，比如，压裂）。也就是说，要使油滴移动必须降低所需的压力梯度。然而通常油藏能达到的压力梯度水平是0.1bar/m，亦即，要把界面张力减小2×104倍。mMPamPaLPP/2001050/10/)(6421在水润湿岩心中被俘留的剩余油呈多种形态（如珠状或滴状），并被封闭在单孔隙或多个孔隙中。当流动水施加在油上的力不能克服水优先润湿产生的毛细管力时，原油就会被捕留住。2.双孔隙模型qopAq1q2q2p2p1r2r1pBl图1.9并联毛管中的水驱油（a）（b）（c）用图1.9中的并联孔隙模型可形象地说明水驱油时过程的基本特征。在图1.9中，水在半径分别为r1t和r2的两个孔隙中驱油。在A点和B点处，两孔隙相连形成并联孔隙。对此例来说，油水两相的粘度和密度是相等的。假设孔隙1比孔隙2小。如果一个孔隙中的驱替速度比另一个快，而且AB两点间的压力不足以将孤立油滴从驱替速度较低的孔隙中驱替出来的话，油相就会俘留。并联孔隙模型中的捕获作用，可依据渗流的元体模型，估算每一个孔隙中的水的流速和毛细管力来模拟。如果两相的密度都不变，各相的渗流都是稳定的，而且可依据表达圆管中层流的Poiseuille方程式计算流速。若v1为孔隙1中的流速，那么，由渗流流体和孔隙壁之间的粘滞力引起的压力降就可由以下方程式求出：(1.22)式中L1为被某一特定相充填的孔隙长度。由于孔隙被水优先润湿，就会在油水界面两边的水和油之间形成压差。方程式（1.23）表明油相压力大于水相的力：(1.23)211118rvLprppPwoccos2如果我们考虑水进入孔隙1后A、B两点间的压力分布，即：式中，pA-pw—水相中由粘滞力引起的压力降；pw-po—由毛细管力引起的界面两边的压力变化；po-pB—由粘滞力引起的油相中的压力降。对于孔隙1将方程式（1.22）和(1.23)代入方程式（1.24）中，即可得到方程式(1.25)：（1.25）因为：则：（1.26）21112118cos28rvLrrvLppoowwBAwo和BoowwABAppppppppowLLL12118cABPrLvP方程式(1.26)右边的两项的数值是有用的。设想在半径为r的单一孔隙中水驱油速度为3.53μm／s、孔隙的长度为500μm，粘度为1mP.s、界面张力为30mN／m），接触角θ为零。表1.1给出不同孔隙半径的pA-pB数值。12118cABPrLvP(1.26)表1.1水润湿孔隙中，孔隙速度为3.35μm／s时，粘滞压力降同毛细管压力降的对比2/8rLv孔隙半r（μm）粘滞压力降（Pa）毛细管压力△pc(Pa)总压降pA-pB(Pa)2.52.2624000-2399850.5612000-12000100.1416000-6000250.0232400-2400500.00561200-12001000.0014600-600表1.2给出了相应于各个孔隙的流速为零、正值和负值的压力降。两孔隙中同时驱替时，速度v1t和v2必然为正值。这只有在△PAB＞－Pc1和△PAB＞－Pc2时，才可能发生。由于r2＞r1,Pc2＜Pc1。只有当△PAB＞－Pc2时，才发生同时驱替。孔隙1孔隙2V1=0△pAB=-pc1V10△pAB-pc1V10△pAB-pc1V2=0△pAB=-pc2V20△pAB-pc2V20△pAB-pc2表1.2并联毛管中速度和压降的关系