油氣滲流的基本規(guī)律

油氣滲流的基本規(guī)律第一頁，共四十頁，2022年，8月28日油氣層滲流力學(xué)MechanicsoftheOilandGasFlowinPorousMedia第二章油氣滲流的基本規(guī)律

第一節(jié)油氣滲流的力學(xué)基礎(chǔ)

第二節(jié)油氣滲流的達(dá)西定律

第三節(jié)油氣滲流的非達(dá)西定律

第四節(jié)兩相滲流規(guī)律關(guān)鍵詞：受力、驅(qū)動(dòng)方式、達(dá)西定律、毛管力、相滲曲線第二頁，共四十頁，2022年，8月28日第一節(jié)油氣滲流的力學(xué)基礎(chǔ)一、流體及多孔介質(zhì)的力學(xué)分析流體受力（重力、慣性力、粘滯力、彈性力、毛細(xì)管力）→流動(dòng)1、重力定義：地球?qū)α黧w的吸引力特性：動(dòng)力或者阻力（厚油藏或傾斜油藏）舉例：A-阻力；B-動(dòng)力AAB重力滲流方向B重力滲流方向A-阻力；B-動(dòng)力第三頁，共四十頁，2022年，8月28日第一節(jié)油氣滲流的力學(xué)基礎(chǔ)一、流體及多孔介質(zhì)的力學(xué)分析流體受力（重力、慣性力、粘滯力、彈性力、毛細(xì)管力）→流動(dòng)2、慣性力定義：由物體的慣性所表現(xiàn)出來的力特性：當(dāng)流體開始流動(dòng)或流速發(fā)生改變（大小、方向），會(huì)產(chǎn)生慣性力；大小取決于質(zhì)量（密度）和加速度，是流體滲流的阻力舉例：起始流動(dòng)阻力（慣性力是重要因素）第四頁，共四十頁，2022年，8月28日第一節(jié)油氣滲流的力學(xué)基礎(chǔ)一、流體及多孔介質(zhì)的力學(xué)分析流體受力（重力、慣性力、粘滯力、彈性力、毛細(xì)管力）→流動(dòng)3、粘滯力定義：流動(dòng)時(shí)，流體分子之間產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力特性：與粘度有關(guān)，是滲流的阻力舉例：稠油的驅(qū)替壓差較大，天然氣生產(chǎn)壓差小第五頁，共四十頁，2022年，8月28日第一節(jié)油氣滲流的力學(xué)基礎(chǔ)一、流體及多孔介質(zhì)的力學(xué)分析流體受力（重力、慣性力、粘滯力、彈性力、毛細(xì)管力）→流動(dòng)4、彈性力定義：巖石、流體處于壓縮狀態(tài)，衰竭式開采時(shí)，儲(chǔ)層壓力下降，彈性力表現(xiàn)為彈性能的釋放，采用壓縮系數(shù)表征特性：壓力越大，彈性能聚集就越多，彈性力就越強(qiáng)，是滲流動(dòng)力舉例：自噴井第六頁，共四十頁，2022年，8月28日第一節(jié)油氣滲流的力學(xué)基礎(chǔ)一、流體及多孔介質(zhì)的力學(xué)分析流體受力（重力、慣性力、粘滯力、彈性力、毛細(xì)管力）→流動(dòng)5、毛細(xì)管力定義：毛管中兩相流體在流動(dòng)時(shí)，相界面彎曲液面產(chǎn)生的附加力特性：與流體-介質(zhì)潤(rùn)濕性有關(guān)，流動(dòng)的阻力或動(dòng)力毛細(xì)管力表現(xiàn)為動(dòng)力毛細(xì)管力表現(xiàn)為阻力水濕油濕第七頁，共四十頁，2022年，8月28日第一節(jié)油氣滲流的力學(xué)基礎(chǔ)二、驅(qū)動(dòng)能量流體流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力1、天然能量（1）流體和巖石的彈性能（2）溶解于原油中的天然氣膨脹能（3）邊水和底水的壓能和彈性能（4）氣頂氣的膨脹能（5）重力能2、人工能量補(bǔ)充或驅(qū)替（1）注水（2）注氣第八頁，共四十頁，2022年，8月28日第一節(jié)油氣滲流的力學(xué)基礎(chǔ)三、驅(qū)動(dòng)方式主要驅(qū)動(dòng)力決定了油藏的驅(qū)動(dòng)方式1、水壓驅(qū)動(dòng)方式（1）剛性水壓驅(qū)動(dòng)開發(fā)過程中，水頭壓力或人工注水壓力維持不變（2）彈性水壓驅(qū)動(dòng)開發(fā)過程中，水頭壓力或人工注水壓力發(fā)生變化定義：以與外界連通的水頭壓力或人工注水壓力作為主要驅(qū)動(dòng)力的驅(qū)替方式第九頁，共四十頁，2022年，8月28日第一節(jié)油氣滲流的力學(xué)基礎(chǔ)三、驅(qū)動(dòng)方式主要驅(qū)動(dòng)力決定了油藏的驅(qū)動(dòng)方式2、彈性驅(qū)動(dòng)方式以巖石及流體本身的彈性力作為主要驅(qū)動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)方式水濕孔道，壓力下降

→

膨脹→出氣→

束縛水飽和度增加→出水第十頁，共四十頁，2022年，8月28日第一節(jié)油氣滲流的力學(xué)基礎(chǔ)三、驅(qū)動(dòng)方式主要驅(qū)動(dòng)力決定了油藏的驅(qū)動(dòng)方式3、溶解氣驅(qū)動(dòng)以從石油中不斷分離出的溶解氣的彈性能作為主要驅(qū)動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)方式第十一頁，共四十頁，2022年，8月28日第一節(jié)油氣滲流的力學(xué)基礎(chǔ)三、驅(qū)動(dòng)方式主要驅(qū)動(dòng)力決定了油藏的驅(qū)動(dòng)方式4、氣頂氣壓驅(qū)動(dòng)存在氣頂，且依靠氣頂氣的彈性力作為主要驅(qū)動(dòng)力的驅(qū)油方式氣頂氣第十二頁，共四十頁，2022年，8月28日第一節(jié)油氣滲流的力學(xué)基礎(chǔ)三、驅(qū)動(dòng)方式主要驅(qū)動(dòng)力決定了油藏的驅(qū)動(dòng)方式5、重力驅(qū)動(dòng)以流體所受到的重力作為主要驅(qū)動(dòng)力的驅(qū)油方式重力滲流方向重力滲流方向第十三頁，共四十頁，2022年，8月28日第一節(jié)油氣滲流的力學(xué)基礎(chǔ)三、驅(qū)動(dòng)方式主要驅(qū)動(dòng)力決定了油藏的驅(qū)動(dòng)方式水壓驅(qū)動(dòng)彈性驅(qū)動(dòng)溶解氣驅(qū)動(dòng)重力驅(qū)動(dòng)氣頂氣壓驅(qū)動(dòng)油氣藏的驅(qū)動(dòng)方式是根據(jù)主要的驅(qū)動(dòng)力命名，實(shí)際油氣藏的開采過程中，同時(shí)存在多種驅(qū)動(dòng)力；在油氣藏的整個(gè)開發(fā)過程中，驅(qū)動(dòng)方式并非一成不變，若主要驅(qū)動(dòng)力改變，其驅(qū)動(dòng)方式也隨之改變第十四頁，共四十頁，2022年，8月28日油氣層滲流力學(xué)MechanicsoftheOilandGasFlowinPorousMedia第二章油氣滲流的基本規(guī)律

第一節(jié)油氣滲流的力學(xué)基礎(chǔ)

第二節(jié)油氣滲流的達(dá)西定律

第三節(jié)油氣滲流的非達(dá)西定律

第四節(jié)兩相滲流規(guī)律關(guān)鍵詞：受力、驅(qū)動(dòng)方式、達(dá)西定律、毛管力、相滲曲線第十五頁，共四十頁，2022年，8月28日1856年法國(guó)水利工程師Darcy在研究城市供水問題時(shí)，進(jìn)行了將水通過填滿砂粒管子的實(shí)驗(yàn)，希望測(cè)得一定流量下所需要消耗的能量。實(shí)驗(yàn)得到了水流速度與管子截面積、入口與出口壓頭差之間的關(guān)系式，該關(guān)系式描述的規(guī)律稱為達(dá)西定律達(dá)西定律廣泛應(yīng)用于油氣層滲流，是油氣滲流的基本規(guī)律第二節(jié)油氣滲流的達(dá)西定律一、概述第十六頁，共四十頁，2022年，8月28日第二節(jié)油氣滲流的達(dá)西定律一、概述實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：流量q與管子截面積A、入口及出口壓頭H1-H2成正比，與填砂管長(zhǎng)度ΔL成反比Ki—滲濾系數(shù)表征多孔介質(zhì)中液體的滲濾能力第十七頁，共四十頁，2022年，8月28日第二節(jié)油氣滲流的達(dá)西定律二、導(dǎo)出（管路水力學(xué)）1、任意過水?dāng)嗝娴目偰芰?勢(shì)能+壓力能+動(dòng)能Bernoulli方程位置水頭壓力水頭速度水頭總水頭第十八頁，共四十頁，2022年，8月28日第二節(jié)油氣滲流的達(dá)西定律二、導(dǎo)出（管路水力學(xué)）2、滲流具有流速小的特點(diǎn)，速度水頭可以忽略，則總水頭為：3、過水?dāng)嗝?、2的總水頭差第十九頁，共四十頁，2022年，8月28日第二節(jié)油氣滲流的達(dá)西定律二、導(dǎo)出（管路水力學(xué)）4、單位長(zhǎng)度上的壓頭損失（水力坡度）5、因此，滲流速度的表達(dá)式實(shí)驗(yàn)觀察得：上式為達(dá)西定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式滲流速度與水力坡度之間呈一次方關(guān)系達(dá)西定律又稱為線性滲流定律第二十頁，共四十頁，2022年，8月28日第二節(jié)油氣滲流的達(dá)西定律二、導(dǎo)出（管路水力學(xué)）6、滲濾系數(shù)Ki通過對(duì)不同流體的大量滲流實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)保持ΔH不變時(shí)，通過多孔介質(zhì)的流量與流體的粘度成反比。滲濾系數(shù)Ki定義為：7、達(dá)西（Darcy）方程水平放置，Z1=Z2，則：第二十一頁，共四十頁，2022年，8月28日第二節(jié)油氣滲流的達(dá)西定律二、導(dǎo)出（管路水力學(xué)）8、達(dá)西方程的微分形式由于速度方向與壓力梯度方向相反，則達(dá)西方程表示為：vdP/dL

0式中（注意單位）：v-滲流速度，cm/sK-滲透率，Dμ-流體粘度，cPdp/dL-壓力梯度，atm/cm第二十二頁，共四十頁，2022年，8月28日第二節(jié)油氣滲流的達(dá)西定律二、導(dǎo)出（管路水力學(xué)）9、達(dá)西方程的矢量（方向）屬性（1）一維（2）三維（3）通式哈密爾頓算符第二十三頁，共四十頁，2022年，8月28日第二節(jié)油氣滲流的達(dá)西定律三、Darcy定律的適用范圍vdp/dL

0線性滲流高速非線性滲流線性滲流vdp/dLP0線性滲流低速非線性滲流達(dá)西公式（線性滲流）1、滲流類型第二十四頁，共四十頁，2022年，8月28日第二節(jié)油氣滲流的達(dá)西定律三、Darcy定律的適用范圍2、滲流類型的判斷（達(dá)西定律的適用范圍）簡(jiǎn)化簡(jiǎn)化實(shí)際儲(chǔ)層各處管徑不同、彎曲程度不同、連接方式不同（1）原理由于實(shí)際儲(chǔ)層的儲(chǔ)集和滲流空間可以簡(jiǎn)化為一系列的變直徑、彎曲程度不同、連接方式各異的毛細(xì)管，因此滲流的力學(xué)規(guī)律與管流類似，可以采用管流中區(qū)分層流、紊流的方法來區(qū)分滲流的線性與非線性第二十五頁，共四十頁，2022年，8月28日第二節(jié)油氣滲流的達(dá)西定律三、Darcy定律的適用范圍2、滲流類型的判斷（達(dá)西定律的適用范圍）用雷諾數(shù)Re值判別層流與紊流

Re>Rekp：紊流

Re<Rekp：層流通過實(shí)驗(yàn)確定臨界雷諾數(shù)Rekp在lgλ~lgRe關(guān)系曲線上，由線性關(guān)系被破壞的點(diǎn)可得到Rekp。（2）管流中流態(tài)的判斷Rekp第二十六頁，共四十頁，2022年，8月28日第二節(jié)油氣滲流的達(dá)西定律三、Darcy定律的適用范圍2、滲流類型的判斷（達(dá)西定律的適用范圍）（3）管流與滲流的流態(tài)判別參數(shù)管流雷諾數(shù)水力阻力系數(shù)滲流第二十七頁，共四十頁，2022年，8月28日油氣層滲流力學(xué)MechanicsoftheOilandGasFlowinPorousMedia第二章油氣滲流的基本規(guī)律

第一節(jié)油氣滲流的力學(xué)基礎(chǔ)

第二節(jié)油氣滲流的達(dá)西定律

第三節(jié)油氣滲流的非達(dá)西定律

第四節(jié)兩相滲流規(guī)律關(guān)鍵詞：受力、驅(qū)動(dòng)方式、達(dá)西定律、毛管力、相滲曲線第二十八頁，共四十頁，2022年，8月28日第三節(jié)油氣滲流的非達(dá)西定律一、低速非達(dá)西滲流1、啟動(dòng)壓力v0dp/dLλ石油中的氧化物（如環(huán)烷酸、瀝青膠質(zhì)、酚、酯等）會(huì)在巖石表面產(chǎn)生吸附層，從而降低巖石的滲透率。有的孔道必須有一個(gè)附加的壓力梯度克服吸附層的阻力才能開始流動(dòng)。吸附層與滲流速度有關(guān)，滲流速度越大，吸附層被破壞越多，因此巖石的滲透率會(huì)隨滲流速度增大而恢復(fù)。

啟動(dòng)壓力梯度第二十九頁，共四十頁，2022年，8月28日第三節(jié)油氣滲流的非達(dá)西定律一、低速非達(dá)西滲流1、流體流動(dòng)的啟動(dòng)壓力v0dp/dLλ啟動(dòng)壓力梯度描述方程（1）大于啟動(dòng)壓力后，視滲透率將逐漸恢復(fù)（2）儲(chǔ)層擾動(dòng)時(shí)，壓力梯度總是從無到有，從小達(dá)到，對(duì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響不容忽略，流體及巖石表面的物性分析非常關(guān)鍵第三十頁，共四十頁，2022年，8月28日第三節(jié)油氣滲流的非達(dá)西定律一、低速非達(dá)西滲流2、氣體滑脫效應(yīng)氣測(cè)滲透率實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：同一種氣體通過同一塊巖芯，所測(cè)得的滲透率將隨巖芯中平均壓力的下降而增大描述方程：（1）氣測(cè)視滲透率比絕對(duì)滲透率高，與液測(cè)低速滲流完全相反（2）氣測(cè)滲透率實(shí)驗(yàn)，不僅要考慮壓差，還要充分考慮平均壓力液體層流近壁吸附薄膜不動(dòng)氣體流動(dòng)無吸附層無不動(dòng)層滑脫第三十一頁，共四十頁，2022年，8月28日第三節(jié)油氣滲流的非達(dá)西定律二、高速非達(dá)西滲流1、二項(xiàng)式方程在驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中不斷增加壓差，計(jì)算、Re，繪制雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)曲線（1）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高速非線性滲流線性滲流第三十二頁，共四十頁，2022年，8月28日第三節(jié)油氣滲流的非達(dá)西定律二、高速非達(dá)西滲流1、二項(xiàng)式方程（2）曲線特點(diǎn)（三段）低速：斜率-1的直線高速：水平直線中間段：過渡曲線層流區(qū)粘滯力紊流區(qū)慣性力過渡帶粘滯力+慣性力第三十三頁，共四十頁，2022年，8月28日第三節(jié)油氣滲流的非達(dá)西定律二、高速非達(dá)西滲流1、二項(xiàng)式方程（3）物理意義全稱：非線性運(yùn)動(dòng)方程二項(xiàng)式表征：滲流過程中有慣性阻力出現(xiàn)時(shí)的力學(xué)規(guī)律物理意義：滲流阻力由兩部分組成①粘滯阻力：與流速一次方成正比，低速時(shí)以粘滯阻力為主②慣性阻力：與流速平方成正比，破壞了流速與壓力梯度的線性關(guān)系，高速時(shí)以慣性阻力為主第三十四頁，共四十頁，2022年，8月28日第三節(jié)油氣滲流的非達(dá)西定律二、高速非達(dá)西滲流2、指數(shù)式方程C—滲流系數(shù)，與流體及多孔介質(zhì)有關(guān)n—滲流指數(shù)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試0.5~1（1）n=1：線性滲流區(qū)，只有粘滯阻力起作用（2）0.5<n<1：滲流過渡區(qū)，隨著n減小，慣性阻力的比例逐漸增大，粘滯阻力所占比例逐漸減少（3）n＝1/2：滲流平方區(qū)，以慣性阻力為主第三十五頁，共四十頁，2022年，8月28日第三節(jié)油氣滲流的非達(dá)西定律二、高速非達(dá)西滲流3、高速非達(dá)西流