水驱

水
毛细管测表面张力示意图
采用旋滴界面张力仪可测定界面张力大小，界面张力越大，驱油效率越低。
1.油藏排驱过程中的力
2）毛管力—岩石润湿性
润湿性是指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，通过确定界面张力，可以定量分析润湿性。
σos –σws = σow cosθ
式中：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。
l qo pA p1 q1 p2 q2 （a） r1 r2 pB q2
（b）
（c）
并联毛管中水驱油示意图
2. 微观水驱油机理
2）双孔隙模型中
—粘滞力和毛管力
如果两相的密度都不变，各相的渗流都是稳定的，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可由以下方
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。
2. 微观水驱油机理
2.1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 赖于以下三方面：

孔隙介质的孔隙结构；
Pa
po
Po=Pa+ρogh1 和 Pw=Pa+ρog（h1+h）- ρwgh
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。
油
水
图示：界面力导致的毛管压力图
1.油藏排驱过程中的力
毛管压力Pc的确定
σcosθ2πr=πr2h（ρw-ρa）g
式中，r：毛细管半径，cm；
（1.1）
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。
空 气
r
θ
为了 计算界面张力，方程(1.1）可写为：
h
rh( w a ) g 2 cos
2. 微观水驱油机理
2）双孔隙模型中
—油的滞留
用并联孔隙模型可形象地说明水驱油过程的基本特征。如图所
示，在A点和B点处，两孔隙相连形成并联孔隙。假设油水两相的粘 度和密度相等，孔隙1（r1）比孔隙2（r2）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。

残余油：水驱后，水波及区域内所滞留在地下的
原油，主要与界面张力和流度控制有关，分散分布。
1.油藏排驱过程中的力
1.1毛管力
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Βιβλιοθήκη Baidu
界面张力将影响相的分布、相的饱和度
和相的排驱。
1.油藏排驱过程中的力
1）毛管力—界面张力
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：
σow
油
采用润湿角度仪测润湿角，确定润湿性。
σws
θ
水
σos
油、水、固界面间的界面力
油润湿越强，驱油效率越低。
1.油藏排驱过程中的力
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—Capillary Pressure。毛管压力可 以表现为毛管中液体上升或下降行为。 Po是油水界面上一点的油相压力，Pw是界 面下水相的压力，产生的力的平衡如下： h1 h pw
2）双孔隙模型
—大小孔隙中的速度
一个有趣结果示于表1.3中。其中，当孔隙2的驱替速度为3.53 μm ／s 时，按不同 的r2/r1之比计算的孔隙1的驱替速度。小孔隙的半径为2.5 μm ，其他参数同编制表1.1 时所用相同。 表1.3 当大孔隙2中的驱替速度为13.35 μm (r1=2.5 μm )中的驱替速度
一滴不动油珠两边因毛细管压力而引起的压差是：
Pw1－Pw2=(Pw1－Po1)＋(Po2－Pw2)
σ=5mN/m，油和水性质同前，要将该油滴推过孔喉的压力必需大于10-1bar。 假定形态相同的非等径孔隙的平均长度L为50 μm ，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：
( P1 P2 ) / L 10 4 Pa / 50 10 6 m 200 MPa / m
Pc1。只有当△PAB＞－Pc2时，才发生同时驱替。
表1.2
孔隙1
并联毛管中速度和压降的关系
孔隙2 V2=0 △pAB= -pc2 V2>0 △pAB> -pc2 V2<0 △pAB<- pc2
V1=0 △pAB= -pc1 V1>0 △pAB> -pc1 V1<0 △pAB< -pc1
2. 微观水驱油机理
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-Original Oil in Place，原始石油地质储量。
基本概念

剩余油：水驱后，因水未波及到的区域而留在地
下的原油，主要与宏观非均质性和井网控制有关， 呈连续分布。
1.油藏排驱过程中的力
1.3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方法是把一束平行毛管 作为多孔介质。以层流的方式通过单根毛管的压降可由 Poiseuille定律给出： 8Lv P 2 r gC
K=12.93×107d2φ
孔隙介质中的粘滞力可根据达西定律表示为：
r2/r1 2 4 10 20 40 △pAB，Pa －12000 －6000 －2400 －1200 －600
／s
，小孔隙
V1，m/s 0.0188 0.0281 0.0338 0.0356 0.0366
表1.3中，孔隙1的驱替速度是孔隙2速度的5000到10000倍，因此，当孔隙为强 水湿时，油总是先从较小的孔隙1中被驱替出。
2. 微观水驱油机理
2）双孔隙模型
—油相的滞留与排驱
当孔隙1中所有原油都被驱替出时，B处的压力下降，因而pA大于pB。如果水在B处
未截断孔隙2中的油相，孔隙2中的油可被水驱出。一旦截断，油相就成了孤立的小珠状。
如果在整个孔隙1内流速保持不变，就可获得该孔隙内由磨擦损失引起的压差PA-PB，以 迫使孤立油珠从孔隙2中驱出，如下图所示。
别是毛管力对油的滞留和排驱起着主导作用。
2. 微观水驱油机理
驱油效率（ ED）
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，又称为微观驱油效率或洗油效率。
ED
Grains Oil
S or 1 S oi
Swept Area
Water
2. 微观水驱油机理
主要掌握:残余油的形成、滞留和排驱
式中，Po，Pw分别为油相和水相的压力，θ为接触角。
σ σ σ p0
os
os
ws
pw x
σ
接触线
ws
毛管中弯液面上的力平衡示意图
2. 微观水驱油机理
1）单孔隙模型
—等径毛细管模型
在柱形毛细管中油水界面处于平衡状态。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。
v L p K
粘滞力较大有利于驱油，称驱油动力。
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；
油层岩石是由几何形状和大小极不一致的矿物颗粒构成，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极不均一； 油层的高度分散，使界面性质对油水流动有着关键影响，特
第一章 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
基本概念
水驱油作用：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•ED
EV--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
PAB
孔隙半r （μm） 2.5 5 10 25 50 100
8Lv1 P1 c 2 r1
毛细管压力△pc (Pa) 24000 12000 6000 2400 1200 600 总压降pA-pB (Pa) -23998 -12000 -6000 -2400 -1200 -600
表1.1 粘滞压力降同毛细管压力降的对比
根据定义，毛管压力可通过油相和水相压力方程联立得到，即：
Po-Pw=h（ρw-ρo）g=Pc
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：
2 ow cos P c r
毛管压力与液/液界面张力、流体的润湿性、毛管半径有关。毛管压力 可以是正值，也可以是负值；负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。

与润湿性有关的流体-岩石间的相互作用；
界面张力反映的液-液间的相互作用和流动不稳定性。

2. 微观水驱油机理
1）单孔隙模型
以等直径的柱形毛细管为例。设毛细管的半径为r，油水界 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：
2 po p w pc 2 cos /r R
粘滞压力降 （Pa） 2.26 0.56 0.141 0.023 0.0056 0.0014
2. 微观水驱油机理
2）双孔隙模型中
—速度与压降
表1.2给出了相应于各个孔隙的流速为零、为正值和负值的压力降。两 孔隙中同时驱替时，速度v1和v2必然为正值。 只有在△PAB＞－Pc1和△PAB＞－Pc2时，才可能发生。由于r2＞r1, Pc2＜
程式求出：
p1
8 L1v1 r2 1
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，在油水界面两边的水和油之间形成压差，毛管压力为（油相 压力大于水相压力）：
2 cos Pc po p w r
2. 微观水驱油机理
2）双孔隙模型中
—粘滞力和毛管力
水进入孔隙1后，A、B两点间的压力分布为： p A p B p A p w p w po po p B
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，将粘滞力和毛管压力方程代入上式，则：
p A pB 8 w Lwv1 r2 1 2 cos 8o Lov1 r r2 1 1
任何一个油藏的储层都无法建立如此大的压力梯度，而通常油藏能达到 的压力梯度水平是0.01MPa/m，要把界面张力减小2×104倍。
2. 微观水驱油机理
2）双孔隙模型
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。当流动水施加在油滴上的力不能克服水
优先润湿产生的毛细管力时，原油就会被捕留。
σ σ σ p0
os
os
ws
pw x
σ
接触线
ws
毛管中弯液面上的力平衡示意图
2. 微观水驱油机理
1）单孔隙模型
—非等径毛细管模型
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：
P P2 2 cos ( 1
1 1 ) r1 r2
要使油滴移动，由于r1>r2，所以在1点需要有一正压力，才能把油滴推
过喉道2的窄口。如果r1>>r2则上式近似为：
P1 P2 2 cos / r2
变直径毛细管内油、水的界面示意图
2. 微观水驱油机理
1）单孔隙模型
—毛细管压力梯度
显然，欲使油滴移动的压力，与孔隙喉道半径r2 相关。例如，r2=1μm，
而： 所以：
o w 和 L Lw Lo
PAB 8Lv1 P1 c r2 1
2. 微观水驱油机理
2）双孔隙模型中
—粘滞力和毛管力大小
假设在半径为r的单一孔隙中水驱油速度为3.53 μm ／s 、孔隙的长度为 500 μm ，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。