第三章

儲層中多相流體的滲流特性由第一章和第二章所學(xué)內(nèi)容可以知道，油藏巖石和油藏流體具有如下主要特性：1、油藏巖石具有比面大、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高度分散等特性；2、油藏中的油、氣組分和相態(tài)復(fù)雜，且隨著溫度和壓力的變化，油氣的物理性質(zhì)及相態(tài)發(fā)生復(fù)雜的變化；

油藏開采中，大多是油、水兩相流體或是油、氣、水三相流體在巖石孔隙中流動。巖石中多相流體存在時，流體的滲流特性將變得更加復(fù)雜：1、由于分子力作用等因素的變化，使油-水-巖石系統(tǒng)或油-氣-巖石系統(tǒng)界面性質(zhì)的復(fù)雜性；2、由于巖石表面的潤濕性等因素的變化，使油、氣、水在巖石孔隙中分布的復(fù)雜性；3、由于巖石的潤濕性的不同以及嚴(yán)重的毛管現(xiàn)象等，使油、氣、水多相流體在巖石孔隙中流動的復(fù)雜性；本章教學(xué)主要內(nèi)容：1、油藏流體的界面張力

界面自由能、界面張力、吸附現(xiàn)象及其對界面張力的影響

2、油藏巖石的潤濕性巖石的潤濕性及其影響因素、巖石潤濕性與水驅(qū)油的相互關(guān)系。3、油藏巖石的毛管壓力曲線

毛細(xì)現(xiàn)象和毛管力、任意曲面的附加壓力、毛管中液體的上升（或下降）巖石毛管壓力曲線的測定及換算、巖石毛管壓力曲線的基本特征、毛管壓力曲線的應(yīng)用。4、油藏巖石的相對滲透率曲線

有效滲透率和相對滲透率、相對滲透率曲線特征及影響因素、相對滲透率曲線的應(yīng)用。本章教學(xué)重點、難點：1、巖石潤濕性及潤濕性與水驅(qū)油的相互關(guān)系2、巖石毛管壓力曲線特征及其應(yīng)用第一節(jié)油藏流體的表面張力一、兩相界面層的自由表面能界面：任何兩相分界面通稱為界面，如巖石－油（水）界面、油－水界面。表面：當(dāng)接觸的兩相中有一相是氣相時,則把界面習(xí)慣稱為表面，如空氣—水的分界面稱為“水的表面”；巖石—氣體的分界面稱為“巖石的表面”。內(nèi)聚力：同一相的內(nèi)部分子之間的作用力。吸附力（附著力）：界面兩種不同相的分子間的作用力。凈吸力：凈吸力=內(nèi)聚力-吸附力

一、兩相界面的自由表面能

1、自由表面能的概念

以水的表面為例，進(jìn)行自由表面能的分析：b分子——水相內(nèi)部分子。受到周圍同類水分子力的作用，其分子力場處于相對平衡狀態(tài)。a分子——表面層水分子。水分子間的作用力大于空氣分子對其的作用力，所受的合力的方向指向水相內(nèi)部并與表面垂直。使分子a有向水相內(nèi)部下沉的趨勢（自動縮?。、b分子受力分析結(jié)果說明：表面層分子a比水相內(nèi)部分子b具有更多的能量。自由表面能：由于分子力場的不平衡使得表面層分子儲存了多余的能量，我們把這種能量稱為‘自由能’——即兩相界面層的自由表面能。一、兩相界面層的自由表面能

2、自由表面能性質(zhì)

由上面分析結(jié)果知道：表明水分子a比水相內(nèi)部水分子b具有更多的“自由能”。因此有：A、假若把水分開使其產(chǎn)生新界面（界面積增大），就必須做功，做功的能量就轉(zhuǎn)化為新生界面（界面積增大）的自由表面能。B、假若把水的內(nèi)部分子舉升到水面，就必須做功。做功的能量就轉(zhuǎn)化為自由表面能。自由表面能性質(zhì)：（1）只有存在不互溶的兩相時自由表面能才存在。以上是分析水－空氣表面。對于任意兩相，不論是氣和液、液和液，還是氣和固、液和固的界面，都存在有上述的自由界（表）面能。而完全互溶的兩相（例如酒精和水、煤油和原油），由于它們之間不存在界面，所以也就不存在自由界面能。（2）表（界）面越大，自由表（界）面能也越大由熱力學(xué)第二定律知，任何自由能都有趨于最小的趨勢。由于等體積物體以球體表面積最小，表面能也最小，所以水銀滴掉在桌面上變成球形，而不是其它形狀，以使自由表面能居于最小。（3）自由表（界）面能不僅存在界面層分子，而是存在具有一定厚度的界面層

表（界）層的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與每一相的性質(zhì)都不同，是一個逐漸過渡的分子層。在該過渡層中的分子，都具有自由表面能，只是大小不同而已。（4）自由表（界）面能的大小與兩相分子性質(zhì)有關(guān)系。兩相分子的極性差越大，表（界）面能越大。水是液體中極性最大的，而干凈的空氣極性很小，因此水—空氣界面的表面能最大。原油和四氯化碳的極性差很小，乃至界面消失而互溶，正因為如此，油層物理實驗中用四氯化碳來提取巖心中的石油。（5）自由表（界）面能還與兩相的相態(tài)有關(guān)。

液—氣相界面的自由表面能>液—液相界面的自由界面能。

液—固之間的自由界面能>液—氣之間的自由表面能。

二、比表面能和表面張力1、比表面能或表面張力（σ）的基本概念

比表面能：界面單位面積具有的自由表面能稱比表面能。單位：爾格/厘米2

因為：1爾格/厘米2=1達(dá)因×1厘米/厘米2=1達(dá)因／厘米（dyn/cm）。所以：比表面能也等于界面單位長度上的力，所以習(xí)慣上把比表面能稱為表面張力。用符號（σ）表示。國際通用單位：毫牛頓／米（mN/m）。

1mN/m=1dyn/cm

在20℃時水與空氣接觸時的表面張力=72.8mN/m

水銀與空氣接觸時的表面張力=484mN/m二、比表面能和表面張力2、比表面能和表面張力的分析（1）比表面能和表面張力都是用來衡量兩相界面層表面自由能的大小，它們具有相同的本質(zhì)。（2）在兩相系統(tǒng)的界面，表面張力只是自由表面能的一種表示方法，兩相系統(tǒng)的界面不存在真實的“張力”。（3）在三相系統(tǒng)的周界上，有界面的張力存在，它是各自兩相界面層自由表面能在三相周界的接觸點相互“爭奪”的結(jié)果。

如圖所示，一滴油滴在水面上則有三種界面，即油-氣（2-3）、油-水（2-1）和水-氣（1-3）界面，各自界面層的表面能在三相周界的爭奪則呈現(xiàn)三種表面張力σ2-3、σ1-2

和σ1-3，當(dāng)三者達(dá)到平衡時有：

a、三相周界上有界面的張力存在；

b、各該兩相界面張力的大小等于各自的比表面能；

c、界面張力的方向確定：界面為平面時，則在界面上；界面為曲面時，則在

界面的切平面上；

d、張力的作用點為三相周界的作用點。

三、油藏流體間的界面張力分析

油藏流體（油、氣、水）間的界面張力取決與流體的組成、油藏溫度和壓力。

=f（流體的組成、P、T）1、地面原油—氣體兩相系統(tǒng)1）

T

、P

（見圖8-6）

原因：T油相蒸發(fā)為氣體

油相分子間作用力下降、油氣分子間作用力增大

界面分子間的力場不平衡減弱

。

原因：P

氣體溶于油相中

油相分子間作用力下降

界面分子間的力場不平衡減弱

。

2）氣體溶解系數(shù)

（見圖）2、地層原油—氣兩相系統(tǒng)

因為地層油在油藏高溫、高壓下溶解有大量的天然氣，所以，油藏中氣頂附近的油氣界面張力小于地面脫氣原油的界面力。

3、脫氣原油—水系統(tǒng)

與P、T無關(guān)（如圖中曲線1）。因為油水都為液態(tài)，壓縮性及界面分子熱力學(xué)性質(zhì)變化一致。4、地層油—水系統(tǒng)（如圖中曲線2）1）P＜Pb時，P

原因：P<Pb時，PRs

、o;2）P＞Pb時，P

，當(dāng)P在增大某一值時，

基本不變，此時具有脫氣原油—水系統(tǒng)的界面張力的性質(zhì)。3）T基本不變。曲線1：脫氣原油與水的系統(tǒng)，曲線2：飽和氮的原油與水的系統(tǒng)四、吸附作用及其與表面張力的關(guān)系1、表面活性劑及其分子結(jié)構(gòu)特性表面活性劑：溶入少量就能顯著降低溶液表面張力的物質(zhì)。表面活性劑分子特性：具有兩性基團(tuán)；親水基團(tuán)和親油基團(tuán)；通常用“——O”

代表?！啊?/p>

代表親油基團(tuán)，“O”

代表親油基團(tuán)。例如鈉肥皂分子：化學(xué)分子式為：C16H33COONa。結(jié)構(gòu)式為：“——O”

2、吸附基本概念1）吸附：溶解于兩相界面系統(tǒng)中的物質(zhì)，自發(fā)地濃集于兩相界面上并顯著減小該界面層的表面張力的過程稱之為“吸附”。被吸附的物質(zhì)是表面活性物質(zhì)。如肥皂溶于水的過程——吸附過程2）吸附原則極性A＞極性C＞極性

B

其中C為吸附在A、B兩相界面層的物質(zhì)。3）吸附特征：發(fā)生在兩相界面、溶液中濃度分布不均勻、

降低界面張力3、比吸附比吸附（G）：界面層單位面積上的多余吸附量（與相內(nèi)相比）。氣—液表面的比吸附（G）通常用Gibbs比吸附公式來描述：式中：G——吉布斯比吸附量；

C——溶質(zhì)濃度；

()T——表面活度，即在某一溫度下，表面張力隨溶液濃度的變化率；

T，R——絕對溫度和通用氣體常數(shù)。

3、比吸附1）當(dāng)<0時，比吸附G為正值，稱為正吸附，表明表面張力隨溶質(zhì)濃度的增加而減少，溶質(zhì)C為表面活性物質(zhì)；2）當(dāng)＞0時，比吸附G為負(fù)值，稱負(fù)吸附，表明表面張力隨溶質(zhì)濃度的增加而增加，溶質(zhì)C為表面非活性物質(zhì)。3）當(dāng)=0時，比吸附G為0，表明沒有吸附發(fā)生。4、比吸附與表面張力的關(guān)系

比吸附等溫線：比吸附G與溶液中表面活性物質(zhì)濃度之間的關(guān)系曲線。表面張力等溫線：表面張力σ與溶液中表面活性物質(zhì)濃度之間的關(guān)系曲線.1）C較小時，

CG迅速

，迅速。2）C增大到一定程度時（吸附飽和），

CG和不變這時表面活性劑在水相內(nèi)形成膠束。第二節(jié)儲層巖石的潤濕性

及其對水驅(qū)油的影響本節(jié)內(nèi)容主要包括以下方面：

1、潤濕性概念２、巖石潤濕性３、潤濕滯后現(xiàn)象及其影響因素４、油藏巖石潤濕性的測定５、巖石潤濕性與水驅(qū)油的相互關(guān)系

一、儲層巖石潤濕性１、潤濕的基本概念：（1）潤濕：自然界現(xiàn)象：將水滴在玻璃板上，水在玻璃板上迅速鋪開，而如果是水銀滴在玻璃板上，水銀液滴在玻璃板上呈現(xiàn)球滴。潤濕：是指液體在分子力的作用下沿固體表面流散的現(xiàn)象。

空氣空氣水水銀玻璃玻璃潤濕研究對象：

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）

２、儲層巖石潤濕程度的確定——接觸角（θ）（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１代表水、２代表油、３代表巖石。表示巖石潤濕性程度的參數(shù)——接觸角θ(也稱潤濕角)

接觸角θ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（θ）。（0°＜θ＜１８0°）

（１）當(dāng)θ＜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；θ越小，巖石的親水性越強(qiáng)；（２）當(dāng)θ＞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；θ越大，巖石的親油性越強(qiáng)；（３）當(dāng)θ=90°時，

油、水潤濕巖石的能力相當(dāng)，巖石既不親水也不親油，即巖石為中性潤濕；３、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：

σ2,3=σ1,3+σ1,2

cosθσ2,3-σ1,3=σ1,2

cosθ=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σ1,3，拉開后的比表面能為σ2,3+σ1,2

因此：W=（σ2,3+σ1,2

）-σ1,3因為：σ2,3-σ1,3=σ1,2

cosθ所以：W=σ1,2

（1+cosθ）由上式看出，θ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α，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。

潤濕滯后的影響因素包括：傾斜一個角度α1、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（θ1）：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（θ2）：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：

θ1＞θ＞

θ2

（θ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，θ=30°，巖石親水12水驅(qū)油速度為V1時，θ=60°，巖石親水性減弱水驅(qū)油速度為V2＞V1時，θ=75°，巖石親水性再減弱水驅(qū)油速度為V3＞V2時，θ=115°，巖石類似親油性，發(fā)生潤濕反轉(zhuǎn)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τ”，才能反映滯后現(xiàn)象，“形角τ”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8—37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1~2mm的液體（水或油）；通過光學(xué)系統(tǒng)或顯微鏡將液滴放大并拍照，便可以直接在照片上測出接觸角。2、測定附著功的方法（間接法）附著功W：指將濕相流體(如水)中從固體表面(親水巖石表面驅(qū)開所作的功。

W=σ1,2

（1+cosθ）

W越大，指將濕相流體(水)中從親水巖石表面驅(qū)開所作的功越大，巖石的親水性越強(qiáng)。3、自吸法（間接法）

自吸法的步驟：如圖8—39所示。親水巖石：將飽和油的巖樣放入吸水儀（圖b）中。因巖石親水，在毛管力的作用下，水會自動滲入巖樣的孔隙中并將巖石中的油驅(qū)替出來。被驅(qū)出的油上浮到吸水儀的頂部，其體積可從吸水儀上部刻度讀出。巖樣吸水，就表示巖石有一定的親水能力。親油巖石：把飽和水的巖樣浸入吸油儀中(圖a)中。因巖石親油，在毛管力的作用下，油會自動滲入巖石中并將水驅(qū)替出來。驅(qū)出的水沉于儀器底部，其體積由管上刻度讀出。巖樣吸油，就表示巖石有一定的親油能力。（b）吸水排油（親水巖石）（a）吸油排水（親油巖石）4、自吸驅(qū)替法（間接法）自吸驅(qū)替法步驟：(1)吸油實驗：將飽和水的巖心放入吸油儀中吸油排水，測出自吸油排水量。(2)油驅(qū)水實驗：接著在夾持器中用油驅(qū)，測出油驅(qū)排水量。(3)吸水實驗。讓飽和油（只含束縛水）的巖心自吸水，測出自吸水排油量；(4)水驅(qū)油實驗：再將巖心放入夾持器內(nèi)用水驅(qū)，測出水驅(qū)出油量。（見圖8-40）。

潤濕性的判斷

計算水濕指數(shù)和油濕指數(shù)，根據(jù)水濕指數(shù)和油濕指數(shù)確定巖石的潤濕性。

潤濕指數(shù)潤

濕

性親

油弱

親

油中

性弱

親

水親

水油濕指數(shù)約l~0.8約0.7~0.6兩指數(shù)相近約0.4~0.3約0.2~0水濕指數(shù)約0~0.2約0.3~0.4約0.6~0.7約0.8~1四、油藏巖石的潤濕性

1、潤濕性對油水微觀分布的影響五、油水在巖石孔隙中的分布(a)水：環(huán)狀，油：迂回狀

(d)水：迂回狀，油：環(huán)狀，(b)水、油：迂回狀

(e)水：油：迂回狀(c)水：迂回狀，油：孤滴狀

(f)水：孤滴狀，油：迂回狀