油气层渗流力学第二版第一章(张建国版中国石油大学出版社)

毛细管力
♪ 油气层由无数个微小的毛细管连接组成。
♪ 两相流体在毛细管中流动时，在毛管内两相体界面会产生压力跃
变，这个压力跃变就称为毛管压力。 ♪ 毛管力用拉普拉斯方程表示，大小与界面张力、界面曲率有关。 ♪ 方向与岩石表面的润湿性（亲水或亲油）有关 ♪ 毛管力即可表现为动力或也可表现为阻力。在驱动压力不大时，
裂缝
裂缝－孔隙介质简化模 型为纯孔隙介质与纯裂 缝简化模型的组合。
基质wenku.baidu.com
裂缝－孔隙简化模型
孔隙－溶洞结构
♪ 通常出现在有大型溶洞发育的
碳酸盐岩油气层中
♪ 流体流动服从两种流动规律 ♪ 在孔隙介质中，流体的流动属 于渗流范畴 ♪ 在大的溶洞中，流体的流动不 属于渗流范畴，其运动规律应
孔隙－溶洞示意图
复原来的形状和体积，这种性质叫做压缩性，所具有的能力的 大小叫弹性能，它是石油开采一种重要能力。
♪ 在油气开采前，油层内岩石和流体处于均衡受压状态，投产后，
油气层压力下降，流体承受的上覆岩柱压力部分转嫁给油层岩 石骨架，迫使岩石颗粒变形，颗粒更加紧密，导致岩层空隙体
积减小，将压缩空隙中的流体使之产生弹性力，驱使流体向压
块状油气藏
层状油藏
我国目前发现
的油气藏：
往往存在于海相沉积和
内陆盆地沉积中 一般具有多油层、多旋 回的特点 单油层（小层） 砂岩组（砂层组） 油层组 含油层系
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层状油藏
块状油藏
层状油藏
按层划分水动力学系统
认为流动只是在平面上进行
纵向上流体的运动和物质交换
可以忽略不计
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井
QL K Ap
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第二节 多孔介质及连续介质场
二、多孔介质的渗透性
渗透率： 绝对渗透率 有效渗透率（相渗透率） 相对渗透率
第二节 多孔介质及连续介质场
三、多孔介质的比面 单位体积的岩样内岩石骨架的总表面积 称为岩石的比面。
中粒砂岩：20000 m2/m3
渗流摩擦阻力大。
四、多孔介质孔隙结构分类
第一节 油气藏及其简化
二、油气藏的简化
油气藏大约有几万个，几何形状各式各样、千变万化。 不可能将如此众多而复杂的油气藏类型一一简化，来满足建立油气
渗流研究的需要。
从众多复杂的不同类型油气藏中找出它们的共性，才能建立
起油气渗流的普遍规律。
第一节 油气藏及其简化
二、油气藏的简化
油气藏剖面上的简化
层状油气藏
块状油藏
我国目前发现
的油气藏：
灰岩或白云岩油气藏
有限的圈闭面积
含有很厚的沉积物 长期的溶蚀作用，白云 化作用，构造作用 相当厚度中都具有储集
层状油藏
块状油藏
油气的能力
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块状油藏
考虑纵向上流体的流动和交换
考虑毛管力和重力的作用
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井
块状油藏
厚度模型
19
井
块状油藏
半球状模型
20
第一节 油气藏及其简化
2、地层油气藏 地层沉积作用时形成的油气藏，即主要依靠不同时期 地层沉积的组合关系和岩性变化而形成的。
潜山油气藏 生物礁油气藏 地层油气藏 不整合覆盖油气藏 地层超覆油气藏
第一节 油气藏及其简化
3、岩性油气藏 储集层的岩性或物性发生侧向变化，形成圈闭而产生 的油气藏。
透镜状岩性油气藏 岩性油气藏 尖灭状岩性油气藏
若油藏亲水，则水驱油时毛管力为动力，若油藏亲油，则水驱油
时毛管力为阻力。如果，是注水生产，水驱油压力很大，毛管压 力就可以忽略了。
（a）毛细管压力表现为动力 θ<900 岩石表面亲水
（b）毛细管压力表现为阻力 θ> 900 岩石表面亲油
二、与油藏的压力概念
流体在油层中受到很多力，这些力往往要做功，外力所做的功将引起地 层内能量的变化，这种变化将通过压力的变化来反映。
从已开发油气藏的储层特征看，可按三种储集空间类型的
组合关系将油气储层分为三种介质七种结构。
三种介质七种结构 单重介质 纯孔隙结构 纯裂隙结构 纯溶洞结构 双重介质
裂缝－孔隙结构
溶洞－孔隙结构 裂缝－溶洞结构 多重介质 孔隙－裂缝－溶洞结构
纯孔隙结构
一般存在于砂岩油藏中，油气的
程中多表现为阻力
♪ 由于渗流速度很小，常忽略惯性力
粘滞力
♪ 粘滞性：流体阻止任何变形的性质，表现为流体运动时受到的
粘滞阻力。 ♪ 粘滞力总是阻碍流体的流动，故表现为阻力， ♪ 克服粘滞阻力是渗流时的主要能量消耗。 ♪ 大小与粘度有关。
♪ 单位为m pas。
岩石及流体的弹性力
♪ 物体在外力作用下要发生弹性变形，当外力去掉后，它又能恢
油层
隔层
把层状构造油气层看层是一个等厚 度的薄板，叫做“平面等厚模型”。
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L
条带状薄板
圆形薄板
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位于油层下方的水层（底水）或边部的水层（边水）与油藏周
敞开式油藏 (定压油藏）
边水体或地面露头有好的连通性，且油藏开采过程中有良好的
水源供给 ，相当于在油藏供给边缘上保持一个恒定的压头， 这种油藏称为敞开式油藏。
流向A井
A
B
流向B井 水动力 液源水 头压力
液源水 头压力
水动力
M
位置高 差压力 阻力
油
M′
位置高 差压力
当M点向下运动（如、向井A流动）时表现为动力，而该点M‘点向井B流动，即
向上运动时表现为阻力。
所以，重力表现为动力还是阻力是和构造以及井位有关。
惯性力
——由物体惯性表现出来的力 ♪ 流体由于具有质量，因此也具有惯性。大小取决于质量和加速 度 ♪ 当流体运动时，惯性使其总要维持现状，因而惯性力在渗流过
☺ 指碎屑颗粒间存在的空隙， 又称粒间孔 ☺ 孔隙大小及发育程度受原 始沉积、成岩影响 ☺ 砂岩类储层的主要储集空
间
岩石薄片
裂缝
☺ 成岩改造或构造形变形成的
缝隙 ☺ 砂岩、碳酸盐岩储层都可能 发育裂缝 ☺ 裂缝的大小、发育规模影响 储层储渗性能
岩石薄片
溶蚀孔洞
☺ 包括颗粒间和颗粒内部的溶蚀
简化方法： 裂缝
裂缝简化模型与溶洞简化
模型的组合。
基质
裂缝－溶洞简化模型
孔隙－裂缝－溶洞结构
♪ 是三种单纯介质（孔隙、 裂缝和大溶洞）组合在一 起的混合结构 ♪ 发育于碳酸盐岩油气层中 ♪ 孔隙－裂缝－溶洞渗流规 律研究较少，还处于探索 阶段。
孔隙－裂缝－溶洞示意图
五、连续流体
连续介质方法：就是将某一水平上不连续的介质，通 过粗化或放大过程，将各种本不连续的介质处理为连 续介质的方法。 分子水平——以介质中分子为着眼点来研究介质的物 理现象； 微观水平——以介质中分子团（质点）为着眼点来研 究介质的物理现象； 宏观水平——以介质中表征体元（若干分子团的集合
储层都发育有裂缝，如果裂缝的大小和
规模对油气的储渗影响甚微，在这种情
裂缝－孔隙岩石薄片
况下，就不能视其为双重介质。
裂缝－孔隙结构渗流特点
基质孔隙介质中的流场
流 体 交 换
流体在双重介质中 形成两个渗流场
裂缝介质中的流场
存在双重孔隙度、双重渗透率 裂缝－孔隙介质的特点 存在两个水动力学场
简化方法：
储集和渗流空间均为孔隙。
早期简化：岩石由等直径的圆球颗 粒组成，流体圆球的间隙中储集和 流动，“假想结构模型”（假想土 壤）。 砂岩孔隙薄片 岩心
进一步简化：岩石中连通孔道
理想模型
作为等直径毛细管，岩石由这
些等径毛细管束所组成，“理 想结构模型”（理想土壤）。
修正理想模型
进一步修正：引入了变直径的、 弯曲的毛细管束模型，称为 “修正理想模型”。可以用于 一般渗流规律的研究。
第二节 多孔介质及连续介 质场
第二节 多孔介质及连续介质场
一、多孔介质的储容性
固相介质为骨架 + 空的孔隙空间
均质或多相物质占据 （至少一相为流体）
绝对孔隙度 有效孔隙度
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第二节 多孔介质及连续介质场
二、多孔介质的渗透性 多孔介质具有让流体通过的这种性质 叫渗透性。 多孔介质的孔隙空间至少有一部分 是互相连通的。 渗透率的大小只决定于岩石的性质， 和所通过的流体的性质无关。
敞开式油藏的 油藏边缘在水 平面的投影
供给边界
特点：供给边界压力不变
边 水
由于岩性变化或断层阻挡，位于油层下方的水层 封闭式油藏 与油藏周边的水体或地面水不连通，油藏开采过 程无水源供给，这种油藏称为封闭式油藏。
封闭式油藏的 油藏边缘在水 平面的投影 封闭边界
特点：油藏外流体不能通过边界进入油层
空隙、碳酸盐岩储层的溶蚀孔 隙
☺ 碳酸盐岩中的溶蚀孔洞比砂岩
储层中的粒间溶孔大 ☺ 溶洞大小变化极大，非均质性
强、溶孔直井有几到几百毫米、
溶洞直径可达几十米 ☺ 塔河油田51洞穴直径大小范围 云南九乡溶洞
在0.22～67.1m之间，平均5m
3、储集空间组合类型及其简化
油气储层内部空间结构极其复杂。 孔隙、裂缝和溶蚀孔洞三种储集空间类型可以组合成多种 储集空间结构。
1、储层类型
能储存和渗滤油气的岩层就称为储层。
碎屑岩 碳酸盐岩 火山岩
♪ 最主要的储层类型 ♪ 油气储量与产量均占世界石油储量99%
变质岩
泥岩
2、储集空间类型及大小 1）储集空间类型
储集空间——岩石中未被固体物质充填的孔隙空间，简称孔隙。
孔隙
储集空间类型从成因上分为
裂缝 溶蚀孔洞
孔隙
得多，但又要充分的小，比所研究的流体区
域要小得多。
质点内的流体和流动性质是分子平均起来
的统计值，这些数值和某些质点的质量中心
有关。
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通过在包含的分子上取平均性质，在流 体所占区域的每一点上，都存在着一个具有 一定动力学性质和能量性质的质点，这些质 点均匀地充满整个流体所占区域，从而使流 体成为连续的，即连续流体。
流体的重力 惯性力 粘滞力 岩石及流体的弹性力 毛细管力
一、流体及多孔介质的力学分析
流体的重力
——地球对流体的吸引力称为重力，流体由地球吸引受重力， 和其相对位置联系起来，表现为重力势能。 重力势能，用压力表示则为：
Pz gz
式中 ： z—相对位置高差，m
♪ 重力对于渗流有时表现为动力，但有时也表现为阻力
体）为着眼点来研究介质的物理现象。
五、连续流体
流体是由很大数量的分子所组成的集合体。
统计力学的方法： 不以个别分子为对象 以由很多分子组成的“系统”为研究对 象 对流体的每一个分析结果和实验结果都 以统计学的形式表现出来。
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把流体处理成连续的介质
把流体中的质点看成是在一个很小的体积 中包含着很多分子的集合体。 质点的大小既要比单个分子的自由路程大
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第三节 渗流过程中的力学分析及驱动类型
一、流体及多孔介质的力学分析 二、与油藏有关的压力概念 三、驱动类型
我们说流体能够在地层中流动，之所以能够流动，是受到了各种力的作 用，研究渗流首先就要分析，流体受到那些力的作用。
一、流体及多孔介质的力学分析
油、气、水在岩石孔隙中渗流是由于各种力作用的结果
力较低方向运动；同时压力降低，流体体积膨胀，产生弹性力， 推动流体进入井底。
岩石及流体的弹性力
♪ 岩石及流体处于压缩状态，开采过程中，压力降低，弹性能释
放，即弹性力产生作用 ♪ 用弹性压缩系数表示其大小 ♪ 通常表现为动力。
弹性压缩系数——指每变化一个单位压力时，单位体积岩石的孔
隙体积的变化值、单位体积流体体积变化值。
第一章 渗流的基本概念和 基本规律
第一节 油气藏及其简化
第一节 油气藏及其简化
一、油气藏类型
储层和储层流体(油、气、水）是构成油气藏的主要要素
构造油气藏
圈闭形成条件
地层油气藏
岩性油气藏
第一节 油气藏及其简化
1、构造油气藏
油气聚集在构造圈闭中形成的油气藏
背斜油气藏 断层油气藏 裂缝性油气藏 刺穿油气藏
纯孔隙型简化模型
纯裂缝结构
♪ 一般出现在致密碳酸盐岩或泥岩油气层。
♪ 基质孔隙度和渗透率非常低，基本不具有储渗性。
砂岩孔隙薄片
简化方法：
裂缝
由于裂缝特殊的长
条形态及组系结构，
常用规则网格进行
基质
简化，简化的储层
岩石被分割成多个 立方体。 纯裂缝型简化模型
纯溶洞结构
♪ 多发育于碳酸盐岩储层中
遵循Navier-stokcs方程
简化方法：
溶洞
把大小不等、形状不规 则、分布杂乱的洞穴，
简化为均匀分布在孔隙
介质中的大小相等的连 基质
通。
孔隙－溶洞简化模型
裂缝－溶洞结构
♪ 双重储集空间
♪ 在裂缝介质中流体的流动属
于渗流范畴
♪ 而在溶洞中的流动不属于渗 流范畴，其流动规律应遵循 Navier-stokcs方程 裂缝－溶洞示意图
♪ 在大型溶洞中的流动已不
属于渗流 ♪ 范畴流动规律遵循Navierstokcs方程
裂缝－孔隙结构
四川碳酸盐岩气 田中普遍存在这 种双重介质储层
♪ 主要出现在裂缝、溶孔同时发育的碳 酸盐岩储层中 ♪ 在石灰岩、白云岩油气层中最为常见 ♪ 在某些砂岩油气藏中，也可能会出现 孔隙－裂缝双重介质结构 注意：由于构造变形的影响，不少砂岩