毛細管力講解

1毛細管壓力概念 這種使毛細管內(nèi)液面上升或下降的曲面附加壓力 叫毛細管壓力 將一根毛細管插入潤濕相中 則管內(nèi)液體呈凹形 那么它就受到一個附加向上的壓力 使?jié)櫇裣嘁好嫔仙欢ǖ母叨?將毛細管插入到非潤濕相中 則管內(nèi)液體呈凸形 液體受到一個附加向下的壓力 使非潤濕相液面下降一定的距離 毛細管壓力也可以用兩相界面上的壓力差來定義 毛細管壓力就是毛細管內(nèi)兩相界面上的壓力差 根據(jù)這個定義毛細管壓力僅存在于兩相分界面上 并形成壓力的突變 這個突變值就是毛細管壓力 第十章儲油 氣 巖石的毛細管壓力 毛細管壓力公式的推導(dǎo) 設(shè)在具有油水兩相的容器中插入毛細管后 潤濕相水的上升高度為h 設(shè)油水界面張力為 潤濕接觸角為 油水的密度分別為 O與 W 那么在油相中B 的壓力應(yīng)POB 為 連通管中同一水平面壓力相等 毛細管中油水界面張力為 那么整個垂直向上的力應(yīng)為 而毛細管上升高度為h時 液柱重量應(yīng)為 2 1 3 左圖為作用于三相周界上的各個界面張力的關(guān)系 當達到平衡時為 這就是圓柱形毛細管壓力公式 毛細管滯后現(xiàn)象 毛細管滯后現(xiàn)象 實質(zhì)上是潤濕滯后現(xiàn)象在毛細管中的反映 它是指由于潤濕滯后的影響 導(dǎo)致排驅(qū)過程和吸入過程中 毛細管內(nèi)液面上升高度不同的現(xiàn)象 毛細管滯后是由于以下四種情況引起的 1 流體的飽和順序引起的毛細管滯后 吸入 用潤濕相排驅(qū)非潤濕相 驅(qū)替 用非潤濕相排驅(qū)潤濕相 一根毛細管插入盛有潤濕相液體的容器 作吸入試驗 潤濕相沿毛細管上升一定高度 把一根同樣的毛細管先充滿潤濕相 插入非潤濕相容器里 用非潤濕相作驅(qū)替試驗 在毛細管壓力作用下 潤濕相將沿毛細管下降一定高度容器 這種由于飽和順序不同而引起的驅(qū)替和吸入潤濕相高度 即飽和度 不同的現(xiàn)象就叫做潤濕污染的毛細管滯后現(xiàn)象 這時由吸入過程形成的接觸角定義為前進接觸角 而把驅(qū)替形成的接觸角定義為后退接觸角 2 毛細管半徑突變在光滑的毛細管中間突然變粗 上部細段的半徑為r1 中部粗段半徑為r2 這就是巖石孔隙結(jié)構(gòu)研究中所謂的 墨水瓶 結(jié)構(gòu) 3 毛細管半徑漸變毛細管半徑的漸變同樣由于孔隙斷面變化面引起毛細管滯后現(xiàn)象 附加阻力增大 附加阻力減小 4 變斷面且管壁粗糙的毛細管實際儲層孔隙多半是既斷面變化 而管壁又粗糙并綜合作用而引起毛細管滯后現(xiàn)象 2油層毛細管壓力的測定 一 油層毛細管壓力測定原理 若是吸入過程 即用潤濕相驅(qū)替非潤濕相 則為吸入過程時的毛細管壓力高度應(yīng)為在毛管力作用下潤濕相自動上升高度 在毛細管中飽和度 如果是驅(qū)替過程 應(yīng)為驅(qū)替時的毛細管壓力 高度用克服毛管力進入的非潤濕相高度表示 對于某種流體 正比于 二 油層毛細管壓力測定方法 主要測定方法有1 半滲透隔板法 2 壓汞法 3 離心機法 4 動力驅(qū)替法5 蒸氣壓力法等 三油層毛細管壓力曲線及特征 驅(qū)替過程是指升壓時所測得非潤濕相飽和度曲線叫驅(qū)替曲線 非潤濕相注入 潤濕相被排驅(qū) 如用壓汞法則稱為壓汞 壓入 注入 曲線 吸入過程是指減壓所測得非潤濕相飽和度曲線叫吸入曲線 潤濕相吸入驅(qū)替非潤濕相過程 如壓汞法則稱為退汞 退出 噴出 曲線 1 驅(qū)替毛細管壓力曲線的定性定量特征 1 驅(qū)替毛細管壓力曲線的定性特征 一般毛細管壓力曲線為三段式椅型曲線 三段式為 下斜段平坦段上斜段 毛細管壓力曲線的形態(tài)主要受到孔隙分布的歪度及孔隙分選性二個因素控制 歪度 指孔隙大小分布偏于粗孔隙或細孔隙 偏于粗孔隙的稱為粗歪度 而偏于細孔隙的稱為細歪度 對于儲油性能來說 歪度越粗越好 分選性 指孔隙大小分布的均勻程度 孔隙大小分布愈集中 則其分選性愈好 歪度愈粗 分選性愈好 曲線就愈向左下方坐標靠攏 而且曲線是凹向右方 否則曲線就在坐標圖上的上角 而且曲線是凹向左方 2 驅(qū)替毛細管壓力曲線定量特征 毛細管壓力曲線定量特征通常用以下三個參數(shù)表示 排驅(qū)壓力 Pd 也稱驅(qū)替壓力 門檻注入壓力 入口壓力 進入壓力等 它是指驅(qū)替液 非潤濕相 開始進入巖心孔隙的最小壓力 也可以是孔隙系統(tǒng)中最大連通孔喉的毛管壓力 它是沿毛管壓力曲線的平坦部分作切線與縱軸的交點即Pd 與Pd值相對應(yīng)的是最大連通孔喉半徑rd 1 排驅(qū)壓力 Pd 排驅(qū)壓力相應(yīng)的曲線平坦部分所占飽和度的百分數(shù) 即SAB的大小和曲線的切線與縱軸的交角 SAB越長 角越小 則表示最大連通孔喉的集中程度越高 即巖石孔隙的分選性越好 巖石的孔隙結(jié)構(gòu)越均勻 反之 則巖石孔隙的分選性越差 巖石的孔隙結(jié)構(gòu)越不均勻 2 平坦段的長度和斜率 飽和度中值壓力是指在飽和度為50 時相應(yīng)的注入曲線的毛細管壓力 對應(yīng)的孔道半徑為飽和度中值孔道半徑 當缺乏油水相滲透率曲線時 可以用來衡量產(chǎn)純油的能力 顯然 Pc50越大 表明儲油巖石的孔滲差 石油生產(chǎn)能力低 如果Pc50小 則表明儲油巖孔滲性好 石油生產(chǎn)能力高 3 飽和度中值壓力 Pc50 最小非飽和的孔隙體積表示當注入水銀的壓力達到儀器最高壓力時 沒有被水銀侵入的孔隙體積百分數(shù) 這個值表示儀器最高壓力所相應(yīng)的孔喉半徑 包括比它更小的 占整個巖樣孔隙體積的百分數(shù) Smin越大表示小孔喉越多 Smin值還取決于所使用儀器的最高壓力 4 最小非飽和的孔隙體積 Smin 1 如果巖石是親水的 利用Smin值就能較好地確定儲油巖的束縛水飽和度 Swi Smin 2 假如巖石是油濕的 那么Smin就代表殘余油飽和度 這時束縛水飽和度不能從毛細管壓力曲線上確定 能否利用Smin值來確定儲油巖的束縛水飽和度還取決于毛細管壓力曲線的尾部是否平行于壓力軸 從國內(nèi)外所發(fā)表的壓汞法測定的毛細管壓力曲線來看 毛細管壓力曲線的尾部往往不能平行于壓力軸情況下 把它作為束縛水飽和度會引起錯誤 特別是對于低孔隙度的巖樣 其誤差將更大 右圖曲線1平行縱座標的距離所確定的Smin即為束縛水飽和度 1 捕集滯后 是在水銀注入并退出到最小的壓力時 非潤濕相 水銀并未全部退出 而殘留于巖樣中 稱為捕集滯后 與飽和順序不同引起的毛細管靜滯后有關(guān) 吸入時毛管壓力小 吸入的潤濕相高度有限 因而潤濕相飽和度低 無法將驅(qū)替時進入盲端的非潤濕相排出 使得一部分非潤濕相殘留于孔隙中 2 驅(qū)替和吸入毛細管壓力曲線特征 在重新注入和退出曲線上 在相同飽和度下排驅(qū)壓力明顯高于吸入壓力 這種現(xiàn)象稱為拖延滯后 3 滯后環(huán)重新注入曲線與退出曲線所構(gòu)成的閉合環(huán) 稱為滯后環(huán) 是由于退汞過程中水銀對巖石潤濕角的改變和水銀在巖樣中受到不同程度的污染而使其表面張力下降等造成的 即潤濕靜滯后產(chǎn)生捕集滯后 潤濕動滯后產(chǎn)生推延滯后 2 拖延滯后 2 退出效率當注入最大的壓力降低到最小壓力 一般儀器為O lat 時 從巖樣中退出水銀的總體積與注入巖樣的水銀總體積的比值 用百分數(shù)表示稱為退出效率 即 特征參數(shù) 1 殘余飽和度 SR 是在水銀注入與退出到最小的壓力時 非潤濕相 水銀并未全部退出 而殘留于巖樣中的水銀飽和度 退出效率實際上是非潤濕相在毛細管力作用下所被排出的數(shù)量 對于親水巖石用壓汞法所獲得的退出效率就代表石油的采收率 很明顯對毛細管現(xiàn)象的研究中增加測定吸入 即退汞 曲線 無論對于研究巖石孔隙結(jié)構(gòu) 潤濕性特征 還是研究石油采收率 均具有十分重要的意義 3 雙重孔隙介質(zhì)毛細管壓力曲線特征 裂縫 孔隙型雙重孔隙介質(zhì)巖石的毛管壓力曲線表現(xiàn)為隨外加壓力增加 汞首先進入幾何尺寸加大的裂縫 當壓力達到一定數(shù)值后 汞才逐漸進入較小的孔隙系統(tǒng) 因此曲線表現(xiàn)出階梯狀特征 據(jù)此可大體確定二種孔隙介質(zhì)的百分數(shù) 3油層毛細管網(wǎng)絡(luò)與毛細管壓力參數(shù) 毛細管壓力測定所獲得的孔隙半徑1 是巖石孔隙半徑還是喉道半徑 2 反映的是真實還是非真實的巖石孔隙 或喉道 半徑 一維變直徑的毛細管束模型 必須以增壓方式才能使汞逐級進入到不同大小喉道連通的孔隙中 壓力大小取決于喉道直徑而不是孔隙直徑 據(jù)此模型認識到壓汞法計算的半徑不是孔隙半徑 也不是真實的喉道半徑 汞 潤濕相 二個問題 Wardlaw 1976 的孔喉二維網(wǎng)絡(luò)透明模型 6種大小不同的喉道代表6級注入壓力 注入率 汞進入給定尺寸的喉道數(shù)與總可被侵入喉道總數(shù)的比值 隨壓力增加 注入率增加 結(jié)論 壓汞法計算的喉道直徑 是巖石連通 有效 的視 等效 喉道直徑 它隨著巖石孔隙結(jié)構(gòu)的均一性增加而趨向于真實的連通 有效 視 等效 喉道直徑 喉道的實際體積 喉道的視體積 6號壓力下僅18個單位注入 其余的276個單位的喉道未注入3號尺寸的喉道實際體積為177個單位 而視喉道體積卻有628個單位注入 原因是那些被小喉道遮蔽的大喉道在3號這一較高的壓力下被注入了 根據(jù)毛管壓力計算的半徑雖然不是真實的喉道半徑 從毛管壓力曲線所計算的孔隙喉道體積也不是真實的孔喉體積 但反映了它們的相對大小以及孔隙和喉道的連通配置情況 4油層毛細管壓力資料的應(yīng)用 一 研究油 氣 層的孔隙結(jié)構(gòu) 評價儲層 1 研究孔隙的分選性 2 計算巖石的連通 有效 視 等效 喉道半徑 縫隙寬度 利用毛細管壓力的注入曲線計算連通 有效 視 等效 喉道半徑 由于 則 如用壓汞法 由于 代入得 通過以上計算可以做出第二章中孔隙大小的分布曲線 定量研究孔喉分布 3 根據(jù)毛細管壓力注入曲線獲得的某些參數(shù) 1 根據(jù)毛細管壓力的注入曲線直接獲取五項參數(shù) 2 根據(jù)毛細管壓力的注入曲線計算出的連通孔喉半徑后 再采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計法計算孔隙分布的八項統(tǒng)計參數(shù) 中值 平均值 分選系數(shù) 歪度 峰態(tài) 峰值 3 由毛細管壓力退出曲線計算退出效率 4 結(jié)合鑄體片 巖石特征和試油資料對儲層進行分類 1 由巖石鑄體片提供的孔隙平均半徑 孔喉比 配位數(shù)等三項參數(shù) 2 巖石學(xué)的資料 如巖石名稱 組成 組構(gòu)以及膠結(jié)物質(zhì)成分 數(shù)量和類型 3 試油資料 試油所獲得的單井產(chǎn)油氣量及產(chǎn)能 4 常規(guī)分析中的孔隙度和滲透率兩項參數(shù) 根據(jù)以上各項參數(shù)就可以進行儲層分類和評價 羅蟄潭對我國延長油田進行的砂巖儲層的分類和評價 二 粗略評價含油構(gòu)造的產(chǎn)油能力 當缺少油水相滲透率曲線時 可將計算的h50與實際油藏的閉合高度相比較 粗略評價含油構(gòu)造的產(chǎn)油能力 h50 實際油藏閉合高度 只出水不出油 So50 h50 實際油藏閉合高度 產(chǎn)純油并且具高產(chǎn)能 So 50 H50為油柱高度 對應(yīng)于毛細管壓力注入曲線的Pc50 三 計算儲油 氣 巖石的絕對滲透率 Poisoulle方程 單根毛管 單根毛管體積 毛管壓力公式 單根毛管流量 n根毛管流量 n根毛管流量的達西公式 由上二式求得 單根毛細管體積占總孔隙體積百分數(shù) 巖樣孔隙度 由上二式得 代入上面絕對滲透率公式得 該式可計算橫截面為圓形和等長度的不相連通的毛細管所組成的理想孔隙介質(zhì)的滲透率 實際巖石孔隙是由大小不同 形狀各異 長度和寬度均不一樣的喉道和孔隙組成 因此需加一個巖性校正系數(shù) 在用水銀注入法時 壓力從增大到 相應(yīng)有一個飽和度變化 如果壓力用 平均值 表示 則在這一平均壓力下 相應(yīng)的毛細管半徑為則有 劃分為N個區(qū)間 對上式取極限 得 由此可見 等于毛細管壓力的平方倒數(shù)對流體飽和度的百分數(shù)積分 其大小即為曲線下的面積 四 計算油 氣 層的平均毛細管壓力 J函數(shù)法 毛細管壓力曲線是用很小的巖樣 巖心或巖屑 或者用很少地幾塊巖樣獲得的 用它來代表整個油藏有一定局限性 實際油田應(yīng)用中 涉及一個如何取其平均資料和如何綜合對比研究的問題 針對這種情況 Leverett提出J sw 函數(shù)分析方法 該方法主要是基于及滲透率和平均孔隙半徑關(guān)系分析推導(dǎo)出的一個半經(jīng)驗關(guān)系的無因次函數(shù)即消去其中的毛細管半徑參數(shù) 可以得到如下公式 該函數(shù)將流體界面張力 巖石潤濕性及滲透率和孔隙度等的影響綜合在一起來表征油層的孔隙結(jié)構(gòu)特征 大量資料證明 一個儲層的所有毛管力數(shù)據(jù)當以J sw 表示時都將簡化為單調(diào)曲線 因此該函數(shù)能很好地評價和對比儲層 計算J函數(shù) 劃分儲集巖類 忽略余弦項 對一組毛管壓力曲線 可以獲得一組相應(yīng)的關(guān)系數(shù)據(jù) 對數(shù)據(jù)進行回歸 可得到一條代表儲層特征的平均無因次曲線 具有相似孔隙度和滲透率儲層 點子比較集中 對于同一油藏 潤濕角可以認為是一個常數(shù) 因此可以忽略 全部巖樣 灰?guī)r及白云巖 白云巖點子集中 粗晶灰?guī)r點子分散 灰?guī)r點子分散性大 細晶灰?guī)r點子集中 首先將白云巖與灰?guī)r區(qū)分開 進一步按晶粒大小區(qū)分灰?guī)r開 五 確定儲油 氣 巖石的潤濕性 對于儲油巖石中油 水 巖石系統(tǒng)的潤濕性 要測定巖石中每一點的潤濕性實際上是不可能的 因此必須采用多種方法來確定 1969年Donaldson在Slobod研究的基礎(chǔ)上提出了一種利用毛細管壓力資料確定潤濕性的定量方法 這種方法簡稱為USBM法 它使用離心機測定包括吸入和排替的毛細管壓力曲線的資料 然后根據(jù)毛細管壓力曲線下的面積比值來確定儲油 氣 巖石的潤濕程度 再將這塊巖心放入一個充滿油的容器中 用油排驅(qū)鹽水 又可以測出毛細管壓力曲線 曲線 首先把巖心在真空下用鹽水飽和 在離心機中用油驅(qū)鹽水 可得毛管壓力 飽和度關(guān)系曲線 一直到鹽水不能再排出而得到殘余水飽和度為止 這時測出的是全毛細管壓力曲線 曲線I 然后將這塊巖心放入另一個充滿鹽水的容器中 離心機反轉(zhuǎn) 亦即用鹽水排驅(qū)石油 同樣可測出毛細管壓力曲線 曲線 將這三條曲線都繪制在一張圖上 分別求出曲線 和曲線 下的面積 將這一面積比值的對數(shù)值定為潤濕程度 用A1 A2面積法確定巖石潤濕程度的理論依據(jù)是 毛細管壓力曲線下包面積實際上代表了驅(qū)替與吸入毛管曲線所需作的功或釋放的功 面積功 六 預(yù)測油氣層的石油采收率 利用壓汞和退汞毛細管壓力曲線所計算的退出效率 可以預(yù)測強親水巖石的石油采收率 但汞 氣系統(tǒng)的界面張力為 而油 水系統(tǒng)的界面張力僅 兩者相差很大 但研究表明 作為非潤濕相的汞的捕集與作為非潤濕相油的捕集是相似的 退汞效率與注水采收率基本上能相互對應(yīng) 因此退汞效率可用來預(yù)測強親水 國外一般認為接觸角小于 油層的注水采收率 七 確定注入工作劑對儲層的傷害程度和增產(chǎn)措施的效果 在鉆井 修井及正常注水等過程中 若注入劑不合格 會引起儲層傷害 水敏 固體顆?；蚧瘜W(xué)劑堵塞孔喉 酸化則會將孔隙擴大 因此可以通過對比這些措施前后的毛管力壓力曲線 來評價儲層是否受到傷害或增產(chǎn)措施是否有效 八 確定驅(qū)油過程中任一飽和度上二相間的壓力差 利用水驅(qū)油 或氣驅(qū)油 毛管力曲線可查得巖心在任一飽和度上的毛管力 油藏中水驅(qū)油 或氣驅(qū)油 時 巖石中流體的分布及驅(qū)替過程與毛管力測定過程相似 因此 任一飽和度上 油 水 或氣 相間的壓力差 即毛管力 可直接由相應(yīng)條件下的毛管力曲線查得 油藏工程計算中常用此法確定任一飽和度上油 水 或氣 相間的壓力差 5毛細管壓力在油 氣 滲流中的作用 油層流體 油 氣 水 在油層中滲流 從微觀觀點實際上是流體以單相和多相在毛細管束中滲流 這種滲流除受粘滯力 達西定律 影響外 還受毛細管力的制約 2 兩相液流 假定半徑為r的水平毛細管 液體粘度為 其中一種液體為潤濕相 在管道中流動時 如果管道長度為 兩端壓差為 這時兩相界面的彎月面向前移動是時間的函數(shù) 其運動速度為 時刻油水界面的位置 當 時 則上式可簡化為單相液體流動的泊稷葉公式 由此看出 當兩種不互溶的液體在毛細管中流動時 其規(guī)律與單相液體大不一樣 這是由于兩相液體間存在著毛細管壓力和兩相液體粘度的差異 如果 速度將越來越快 當時 彎液面有最大的速度 即 而當時 其流速為最小 即 由上可看出 當存在彎液面毛管力和粘度差時 在單根毛管中的運動比較復(fù)雜 1 若長度為L的孔道有外加壓差 則二相界面的運動速度會隨時間變化 并受粘度差 孔道半徑 界面走過的距離和孔道總長度的影響 2 不同半徑的孔道 流速不同 3 同一半徑的孔道中流速也不固定 它取決于粘度差 如果u1小于u2 如同水驅(qū)油一樣 流速會越來越快 半徑不同