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渗吸的动力不是毛管压力-李传亮

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动力 不是 压力 李传亮
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图 2 孔隙中油水界面形态及毛管压力 Fig. 2 Water-oil interface and capillary pressure in pore 渗吸的动力不是毛管压力 李传亮 1 ,李冬梅 2 (1.西南石油大学 “油气藏地质及开发工程 ”国家重点实验室 ; 2.中国石化西北油田分公司工程技术研究院 ) 摘 要 :渗吸作用是开采基质孔隙原油的有效方法 ,但渗吸作用的动力问题一直没有得到很好的解决 。 文 中应用渗流力学的基本原理 ,研究了渗吸作用的动力问题 。 渗吸作用的动力不是毛管压力 ,而是浮力 。 毛 管压力是渗吸作用的阻力 ,加入表面活性剂可减小毛管压力 ,从而提高驱油效果 。 渗吸作用的驱油机理是 重力分异 ,需要的时间较长 ,间歇注水 、周期注水及低速注水均可提高开发效果 。 关键词 :渗吸 ;毛管压力 ;基质 ;润湿性 ;岩石 ;孔隙 中图分类号 :TE312 文献标识码 :A 对于由裂缝和基质岩块组 成的双重介质油藏 ,若采用注水 开发 ,储集在裂缝中的原油很容 易被水驱替出来 ,而储集在基质 孔隙中的原油则较难被水驱替 出来 。 如何采出基质孔隙中的原 油 ,是裂缝 -孔隙型双重介质油 藏注水开发成败的关键 。 室内实验和矿场实践表 明 ,基质孔隙中的原油靠常规水驱的效果欠佳 ,而 靠渗吸作用却十分有效 [1-6] 。 周期注水开发和低速 注水开发 ,都是靠渗吸驱油的典型例子 。 但是 ,渗吸 作用的机理一直被人们所误解 ,大家普遍认为渗吸 的动力是毛管压力 [7] ,其实渗吸的动力是浮力 ,与毛 管压力没有任何关系 ,相反 ,毛管压力还是渗吸作 用的阻力 。 1 毛管压力 由于地层水的长期浸泡和岩石表面的极性基 团 ,地下岩石都表现出了亲水的特性 ,地下没有亲 油的岩石 。 当油水两相共存于岩石表面时 ,由于亲 和力的差异 ,水总是倾向于润湿岩石 [8] ,即润湿角小 于 90 °(图 1)。 润湿角的大小从密度大的流体一侧 算起 。 若油水两相共存于岩石孔隙中 ,由于润湿性的 差异 ,油水界面将不再是水平的 ,而是一个弯液面 (图 2)。 弯液面两侧的压力是不相等的 ,油相的压 力高于水相的压力 ,该差值就是毛管压力 ,其方向 第 23 卷 第 2 期 2011 年 4 月 岩 性 油 气 藏 LITHOLOGIC RESERVOIRS Vol.23 No.2 Apr. 2011 文章编号 :1673-8926(2011)02-0114-04 收稿日期 :2011-01-12;修回日期 :2011-02-06 第一作者简介 :李传亮 ,1962 年生 ,男 ,博士 ,教授 ,主要从事油藏工程的教学和科研工作 。 地址 :(610500)四川省成都市西南石油大学 “油气 藏地质及开发工程 ”国家重点实验室 。 电话 :(028)83033291。 E-mail:cllipe@qq.com 图 1 岩石表面油水润湿性 Fig. 1 Wettability on rock surface 油 水 岩石 θ 油 水 p c 2011 年2011 年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年 油 水 p c 总是指向油相一侧 ,即 p c =p o -p w (1) 毛管压力的计算公式为 [9] p c = 2σcosθ r (2) 静态的毛管压力只有一个数值 ,动态的毛管压 力却因润湿滞后而有多个数值 。 不管是水驱油 ,还 是油驱水 ,都存在润湿滞后现象 ,即润湿角是一个 随驱替过程不断变化的量 。 因此 ,不同驱替过程中 测量的毛管压力曲线也是不同的 (图 3)。 若岩心饱 和了水 ,用油驱水测量的毛管压力曲线为驱替曲线 (drainage) [7,9] ;若岩心饱和了油 ,用水驱油测量的毛 管压力曲线为吸入曲线 (imbibition) [7,9] 。由于岩石的 亲水特性 ,油驱水比较困难 ,水驱油比较容易 ,水可 以自动吸入岩心 。 严格说来 ,驱替曲线应称为油驱 水曲线 ,吸入曲线应称为水驱油曲线 。 静态润湿的 毛管压力曲线实际上是很难测量的 ,人们测量到的 毛管压力曲线多少都有一定的润湿滞后 。 驱替曲线的毛管压力比吸入曲线高 ,完全是由 于润湿滞后所致 。 油驱水时弯液面曲率加大 ,润湿 角变小 ,毛管压力增大 ,如图 4a 所示 ;水驱油时弯 液面曲率变小 ,润湿角变大 ,毛管压力减小 ,如图 4b 所示 。 2 渗吸动力 渗流力学将水自动吸入岩石孔隙并进行驱油 的过程称为渗吸 ,也就是前面所说的吸入 。 很多人 认为渗吸是由于岩石的亲水特性所致 ,毛管压力起 到了动力的作用 。 渗吸的动力是毛管压力吗 ? 当然 不是 。 图 5 中的基质岩块孔隙饱和了油 ,岩块周围 被地层水所包围 。 地层水要进入孔隙并驱替其中的 油 ,需要动力的支持 。 虽然岩石具有亲水特性 ,孔隙 端部的毛管压力也都指向孔隙中的油相 ,但孔隙左 右两端的毛管压力数值相等 ,而方向却相反 ,因此 , 水无法在毛管压力的作用下进入孔隙 。 毛管压力既 不是渗吸的动力 ,也不是驱油的动力 [10-13] 。 实际上 ,渗吸作用的动力是浮力 。 油在浮力的 作用下被驱替出孔隙 ,水也随之进入孔隙填补亏空 。 图 6 中基质岩块孔隙中的油柱受到顶 、底端毛管压 力的作用 ,二者数值相等 ,但方向相反 ,油柱并不会 在毛管压力的作用下流出孔隙 。 同时 ,油柱除受到 毛管压力的作用之外 ,还受到来自地层水的浮力和 自身的重力 ,扣除重力后 ,油柱受到的净浮力为 F=πr 2 h o Δρ wo g (3) 图 3 不同驱替过程的毛管压力曲线 Fig. 3 Curves of capillary pressure by different measurements 图 4 动态油水界面形态及毛管压力 Fig. 4 Dynamic water-oil interface and capillary pressure (a) 油驱水 ;(b) 水驱油 图 5 渗吸的动力分析 (Ⅰ ) Fig. 5 Driving force of imbibition (Ⅰ ) 图 6 渗吸的动力分析 (Ⅱ ) Fig. 6 Driving force of imbibition (Ⅱ ) p c 驱替 吸入 静态 0 1s w 油 水 p c p c p c p c p c 李传亮等 :渗吸的动力不是毛管压力 (a) (b) 115 岩 性 油 气 藏 第 23 卷 第 2 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期 图 8 吸油排水实验 Fig. 8 Drainage of a core 油柱单位面积上的净浮力为 f= F πr 2 =h o Δρ wo g (4) 由于 f 0,所以油会在浮力的作用下向上流动 , 并最终流出孔隙 ,地层水也随之流入孔隙填补亏空 。 由此可见 ,水吸入基质孔隙并不是毛管压力作用的 结果 ,而是浮力作用的结果 。 实验室在做吸水排油实验时 (图 7),把饱和了 油的岩心放入水中 ,水会自动吸入岩心 ,并排出其 中的油 ,但都是从岩心顶部排出的 ,并没有从岩心 的侧面排出 ,更没有从岩心的底部排出 ,这说明渗 吸的动力不是毛管压力 ,而是浮力 。 若毛管压力是 渗吸的动力 ,排油过程会从岩心的四周同时进行 ,而 不仅仅是从岩心的顶部 。 实验室不仅做了吸水排油的实验 ,还做了吸油 排水的实验 [9] ,即把饱和了水的岩心放入油中 ,油会 自动吸入岩心 ,并排出其中的水 (图 8)。 若亲水岩石 能够靠毛管压力吸水排油 ,那么 ,岩石吸油排水的 动力又是什么呢 ? 若还是毛管压力 ,则与吸水排油 的动力发生了矛盾 。 若吸水排油的动力为浮力 ,吸 油排水的动力为重力 ,二者就完全统一了 。 3 渗吸速度 基质岩块孔隙中的油柱 ,在浮力的作用下向上 流动 ,流动的速度可以用 Poiseuille 公式计算 v= r 2 f 8μ o h o = r 2 Δρ wo g 8μ o (5) 由式 (5)可以看出 ,渗吸速度与孔隙半径 、原油 黏度及水油密度差有关 。 渗吸作用 ,实际上就是油 水在基质孔隙中的重力分异 。 水油密度差越大 ,分 异速度就越快 ;油的黏度越大 ,分异速度就越慢 ;孔 隙半径越小 ,分异的速度就越慢 。 基质岩块的孔隙尺度变化很大 ,根据式 (5),大 孔隙中的油优先流出孔隙 ,小孔隙中的油流出孔隙 的速度极慢 ,以至于基质岩块中的油在很长时间内 都采不完 ,这与实际情况完全相符 。 若毛管压力是渗吸的动力 ,情况则正好相反 。 小孔隙中的油因毛管压力较大 ,驱替动力较强 ,应首 先被采出 ;大孔隙中的油因毛管压力较小 ,驱替动 力较弱 ,应最后被采出 ,这与实际情况完全不符 ,说 明毛管压力不是渗吸的动力 。 由式 (5)计算的速度为渗吸速度的上限值 ,即 净浮力全部用来驱油 。 实际上 ,由于润湿滞后的原 因 ,在水驱油的过程中毛管压力起到了阻力的作用 , 从而减弱了渗吸的动力 。 文献 [14]和文献 [15]研究了表面活性剂对渗 吸过程的影响 ,在水中加入表面活性剂之后 ,可提 高渗吸作用的最终采收率 。 但根据式 (1),表面活性 剂将降低界面张力 ,进而减小毛管压力 。 若毛管压 力是渗吸的动力 ,加入表面活性剂后 ,会降低渗吸 的驱油效果 。 而实验结果却正好相反 ,加入表面活 性剂后 ,会增强渗吸作用的驱油效果 。 由此可见 ,毛 管压力不是水驱油的动力 ,而是水驱油的阻力 ,表面 活性剂的加入减小了阻力 ,致使驱油效果变好 。 根据上述分析 ,渗吸驱油的主要机制是重力分 异 ,因此 ,提高开发效果的措施 ,不应该是提高注水 压力 ,而是延长渗吸时间 ,即有足够长的油水置换 时间 。 间歇注水 、周期注水及低速注水都是可供采 用的方法 。 由于毛管压力是渗吸作用的阻力 ,加入 表面活性剂降低毛管压力可提高渗吸速度 。 图 7 吸水排油实验 Fig. 7 Imbibition of a core 油 水 油 水 116 2011 年2011 年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年 (本文编辑 :王会玲 ) Imbibition is not caused by capillary pressure LI Chuan-liang 1 , LI Dong-mei 2 (1. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; 2. Research Institute of Engineering and Technology, Northwest Oilfield Company, Sinopec, Urumqi 830011, China) Abstract: Imbibition is an effective method to flood the oil in matrix pores of reservoirs. However, the mechanism of imbibition is not understood properly and correctly. A study was made about the mechanism of imbibition with the principles of flow in porous media. The driving force of imbibition is buoyancy rather than capillary pressure. On the contrary, capillary pressure is the resistance of imbibition. Surfactants added to injection water can reduce capillary pressure and increase the efficiencyofoil recovery. The mechanismofimbibition is the gravityseparation ofoil and water in pores, which needs long time to finish the process. Interval water flooding, periodical water flooding and low speed water floodingaregood methodstorecover oilbyimbibition. Key words: imbibition;capillarypressure;matrix;wettability;rock;pore 4 结论 (1) 渗吸作用的动力不是毛管压力 ,而是浮力 。 (2) 渗吸驱油的机制是重力分异 ,需要的时间 较长 。 (3) 毛管压力是渗吸作用的阻力 ,加入表面活 性剂可提高渗吸速度 。 (4) 间歇注水 、周期注水及低速注水均可提高 开发效果 。 符号说明 : p c ——毛管压力 ,MPa; p o ——油相压力 ,MPa; p w ——水相压力 ,MPa; σ——油水界面张力 ,N/m; r——毛细管半径 ,μm; θ——润湿角 ,(°); F——浮力 ,N; h o ——油柱高度 ,m; Δρ wo ——水油密度差 ,g/cm 3 ; g——重力加速度 ,m/s 2 ; f ——单位面积上的浮力 ,MPa; μ o ——油的黏度 ,mPa·s。 参考文献 : [1] 刘向君 ,戴岑璞 .低渗透砂岩渗吸驱油规律实验研究 [J].钻采工 艺 ,2008,31(6):110-112. [2] 马小明 ,陈俊宇 ,唐海 ,等 .低渗裂缝性油藏渗吸注水实验研究 [J].大庆石油地质与开发 ,2008,27(6):64-68. [3] 王家禄 ,刘玉章 ,陈茂谦 ,等 .低渗透油藏裂缝动态渗吸机理实 验研究 [J].石油勘探与开发 ,2009,36(1):86-90. [4] 王锐 ,岳湘安 ,尤源 ,等 .裂缝性低渗油藏周期注水与渗吸效应 实验 [J].西安石油大学学报 :自然科学版 ,2007,22(6):56-59. [5] 彭昱强 ,何顺利 ,郭尚平 ,等 .岩心渗透率对亲水砂岩渗吸的影 响 [J].大庆石油学院学报 ,2010,34(4):51-56. [6] 游利军 ,康毅力 .油气储层岩石毛细管自吸研究进展 [J].西南 石油大学学报 :自然科学版 ,2009,31(4):112-116. 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