第一章-渗流的基本概念和基本规律-油气层渗流力学-教学课件.ppt

1、第第 一一 章章渗流的基本概念和基本规律渗流的基本概念和基本规律油气层渗流力学 1.1 1.1 油气储集层及其简化油气储集层及其简化1.2 1.2 渗流过程中的力学分析及驱动类型渗流过程中的力学分析及驱动类型1.3 1.3 渗流的基本规律和渗流方式渗流的基本规律和渗流方式1.4 1.4 非线性渗流规律非线性渗流规律1.5 1.5 流体低速下的渗流规律流体低速下的渗流规律1.6 1.6 两相渗流规律两相渗流规律主要内容主要内容1.1 1.1 油气储集层及其简化油气储集层及其简化一、油气层的概念一、油气层的概念 油气层是油气储集的场所和空间。油气层是油气储集的场所和空间。特点：特点：具有统一的水动

2、力学特点。具有统一的水动力学特点。在一个地质构造中流体是在一个地质构造中流体是相互制约相互制约，相互作相互作用用的，每一个局部地区的变化都会影响到整体。的，每一个局部地区的变化都会影响到整体。1.1 1.1 油气储集层及其简化油气储集层及其简化二、层状油藏二、层状油藏1 1、特点：、特点：厚度小，分布面积大，多油层，多旋回的厚度小，分布面积大，多油层，多旋回的特点。特点。1.1 1.1 油气储集层及其简化油气储集层及其简化油层外部形状及简化示意图C气油水AABCDacb2、油气水的分布规律、油气水的分布规律C气气油油水水AABCDacb1.1 1.1 油气储集层及其简化油气储集层及其简化封闭边

3、界：封闭边界：边界为断层或尖灭，没有边水供给。边界为断层或尖灭，没有边水供给。定压边界：定压边界：层体延伸到地表，有边水供给区，在边界上保持恒层体延伸到地表，有边水供给区，在边界上保持恒 定的压头。定的压头。3、边界类型、边界类型1.1 1.1 油气储集层及其简化油气储集层及其简化4、水动力学特点、水动力学特点按层划分水动力学系统，并认为按层划分水动力学系统，并认为流动只是在平流动只是在平面上进行面上进行，纵向上流体的运动和物质交换可以，纵向上流体的运动和物质交换可以忽略不计。忽略不计。1.1 1.1 油气储集层及其简化油气储集层及其简化三、块状油藏三、块状油藏主要为灰岩和白云岩类储集层主要为

4、灰岩和白云岩类储集层特点：特点：面积小、厚度大，流体的流动为三维流动面积小、厚度大，流体的流动为三维流动油水在纵向上分区：油水在纵向上分区：纯油区、过渡区、纯水区纯油区、过渡区、纯水区1.1 1.1 油气储集层及其简化油气储集层及其简化四、油气储集层的简化四、油气储集层的简化层状油气藏：层状油气藏：地层物性在纵向上的变化比在平面上地层物性在纵向上的变化比在平面上的变化大得多；在水动力学上，流体只在平面上流的变化大得多；在水动力学上，流体只在平面上流动，可忽略纵向上流体的流动和物质交换。动，可忽略纵向上流体的流动和物质交换。简化成简化成”平面等厚模型平面等厚模型”，即把油气藏看成等厚度即把油气藏

5、看成等厚度的薄板。的薄板。1.1 1.1 油气储集层及其简化油气储集层及其简化AB条带状薄板圆形薄板A3BA3B平面等厚模型(x，y)1.1 1.1 油气储集层及其简化油气储集层及其简化1.1 1.1 油气储集层及其简化油气储集层及其简化块状油气藏：块状油气藏：油层厚度相当大的油藏。简化成油层厚度相当大的油藏。简化成“厚厚度模型度模型”，有时也将这种模型看成，有时也将这种模型看成“半球状模型半球状模型”。厚度模型(x，y，z)半球状模型1.1 1.1 油气储集层及其简化油气储集层及其简化四、油气储集层的简化四、油气储集层的简化五、油气层的孔隙结构模型和参数模型五、油气层的孔隙结构模型和参数模型

6、1 1、油气层的孔隙结构模型、油气层的孔隙结构模型粒间孔隙结构粒间孔隙结构溶洞孔隙结构溶洞孔隙结构纯裂缝结构纯裂缝结构裂缝孔隙结构裂缝孔隙结构三重混合结构三重混合结构微层理结构非层理结构三种介质六种结构三种介质六种结构1.1 1.1 油气储集层及其简化油气储集层及其简化三重介质三重介质单纯介质单纯介质双重介质双重介质假想结构模型理想结构模型粒间孔隙结构粒间孔隙结构简化简化纯裂缝结构纯裂缝结构纯裂缝结构模型简化简化裂缝孔隙结构裂缝孔隙结构裂缝孔隙结构模型溶洞孔隙结构溶洞孔隙结构溶洞孔隙结构模型2.2.油气层的参数模型油气层的参数模型 油气藏中岩石和流体的物性参数是随机变化的难以用连油气藏中岩石和

7、流体的物性参数是随机变化的难以用连续函数来描述其分布。续函数来描述其分布。如地层的渗透率具有均质和非均质性、各向同性和各向如地层的渗透率具有均质和非均质性、各向同性和各向异性。异性。czyxk),(czyxk),(zyxkkkzyxkkk均质均质非均质非均质各向同性各向同性各向异性各向异性1.1 1.1 油气储集层及其简化油气储集层及其简化 等值参数模型：等值参数模型：即平均值参数模型。用算术平即平均值参数模型。用算术平均或加权平均的方法来确定油藏的平均渗透率。现在均或加权平均的方法来确定油藏的平均渗透率。现在多用概率统计的方法确定。多用概率统计的方法确定。等价参数模型：等价参数模型：就是利用

8、实物与模型等价的方就是利用实物与模型等价的方法来确定地层渗透率。如法来确定地层渗透率。如粒间孔隙结构粒间孔隙结构采用采用等直径毛等直径毛管束管束的理想结构模型求得渗透率值。的理想结构模型求得渗透率值。1.1 1.1 油气储集层及其简化油气储集层及其简化1.2 1.2 渗流过程中的力学分析及驱动类型渗流过程中的力学分析及驱动类型一、渗流过程中的力学分析 1.1.流体的重力流体的重力重力作用示意图gzPzg表示重力势能的压力：表示重力势能的压力：重率：重率：有时为动力有时为动力有时为阻力有时为阻力MMAB2.2.流体的惯性力流体的惯性力l 流体由于具有质量，因此也具有惯性；流体由于具有质量，因此也

9、具有惯性；l 当流体运动时，惯性总是要使其维持原状，因而当流体运动时，惯性总是要使其维持原状，因而惯性力在渗流过程中多表现为阻力惯性力在渗流过程中多表现为阻力；l 由于渗流时，渗流速度常很小，因此常忽略惯性由于渗流时，渗流速度常很小，因此常忽略惯性力。力。1.2 1.2 渗流过程中的力学分析及驱动类型渗流过程中的力学分析及驱动类型 3.流体的粘滞力流体的粘滞力y y0vmaxvv dydvAF阻力阻力1.2 1.2 渗流过程中的力学分析及驱动类型渗流过程中的力学分析及驱动类型 岩石和流体压缩性的大小用压缩系数表示。岩石和流体压缩性的大小用压缩系数表示。PVVCpff1PVVCLLL1 4、岩石

10、及流体的弹性力、岩石及流体的弹性力1.2 1.2 渗流过程中的力学分析及驱动类型渗流过程中的力学分析及驱动类型流体压缩系数：流体压缩系数：岩石压缩系数：岩石压缩系数：lfCCC 综合压缩系数：综合压缩系数：5.5.毛管力毛管力 水油油水阻力阻力动力动力2r1.2 1.2 渗流过程中的力学分析及驱动类型渗流过程中的力学分析及驱动类型 cosr2PC1.2 1.2 渗流过程中的力学分析及驱动类型渗流过程中的力学分析及驱动类型二、与油藏有关的压力概念二、与油藏有关的压力概念 1.1.原始地层压力原始地层压力 2.2.供给压力供给压力 3.3.井底压力井底压力)(0iPPePwPwfPRPwPwfP)

11、(0iPPRPeP井底静压（目前地层压力）井底静压（目前地层压力）井底流压井底流压1.2 1.2 渗流过程中的力学分析及驱动类型渗流过程中的力学分析及驱动类型5.5.折算压力折算压力1.2 1.2 渗流过程中的力学分析及驱动类型渗流过程中的力学分析及驱动类型将油藏内各点的压力将油藏内各点的压力按静水力学内部压力分布按静水力学内部压力分布规律折算到同一水平面上的压力规律折算到同一水平面上的压力,该压力即为该压力即为折折算压力。算压力。ZXAMAPMPAZMZMMrMgZPP AArAgZPP rP 基准面选取：基准面选取：通常取原始油水界面为基准通常取原始油水界面为基准面。面。优点：优点：在渗流

12、规律研究中，直接使用折算在渗流规律研究中，直接使用折算压力，就不必考虑油层深度的影响，简化了理压力，就不必考虑油层深度的影响，简化了理论推导和计算公式。论推导和计算公式。特性：特性：在静止流体内部各点的折算压力相在静止流体内部各点的折算压力相等。等。1.2 1.2 渗流过程中的力学分析及驱动类型渗流过程中的力学分析及驱动类型 例例1-11-1 油藏中两点油藏中两点A A、B B，高差，高差1010米，压力分别米，压力分别为为 =9.35Mpa=9.35Mpa，=9.55Mpa=9.55Mpa，地层原油密度，地层原油密度0.850.85，试判断地层中流体的流向？，试判断地层中流体的流向？ABh=

13、10 mAPBPMPaPBr55.9)(433.910108.985035.96MPaghPPAArBrArPP 解：以解：以B点所在平面为基点所在平面为基准面，则：准面，则：故，流向为由B点向A点。1.2 1.2 渗流过程中的力学分析及驱动类型渗流过程中的力学分析及驱动类型 6.6.压力梯度曲线压力梯度曲线 P=a+bHP=a+bHHP推算开发井原始地层压力。推算开发井原始地层压力。1.2 1.2 渗流过程中的力学分析及驱动类型渗流过程中的力学分析及驱动类型）（弹弹bitfPPCVQ ）（bifPPCV ABC 重力水压驱动 弹性驱动 气压驱动 溶解气驱1.2 1.2 渗流过程中的力学分析及

14、驱动类型渗流过程中的力学分析及驱动类型 ,P1.3 1.3 渗流的基本规律和渗流方式渗流的基本规律和渗流方式一、达西定律一、达西定律 1.1.达西实验及其结果达西实验及其结果 18561856年、法国人、享利年、法国人、享利达西达西未胶结砂充填模型未胶结砂充填模型 水流渗滤试验水流渗滤试验达西实验装置达西实验装置1.3 1.3 渗流的基本规律和渗流方式渗流的基本规律和渗流方式实验中相关力的表示：实验中相关力的表示：做多组实验：做多组实验：不同砂层不同砂层横截面积、长度、砂粒横截面积、长度、砂粒大小、液体、压差大小、液体、压差实验结果：实验结果：LPPAKQrr)(21 1.3 1.3 渗流的基

15、本规律和渗流方式渗流的基本规律和渗流方式LPAKQ实验装置水平放置岩层水平达西定律达西定律达西线性渗流定律达西线性渗流定律达西公式达西公式 2.2.达西定律的讨论达西定律的讨论 (1)(1)渗流速度渗流速度v v与真实速度与真实速度u uvLxpAA1.3 1.3 渗流的基本规律和渗流方式渗流的基本规律和渗流方式渗流速度：渗流速度：AQV AQVA AA VV 1.3 1.3 渗流的基本规律和渗流方式渗流的基本规律和渗流方式RPPQKAL RUI KALR dLdPKvLPKv 11APF 22APF P1P2 LvAF )ZZ(gAALSingP21Z AvL)ZZ(gA)PP(A2121

16、得得：令令 KgSinLPPKALPPAKQ212Z1Z LPPKAQ21 L)gZP()gZP(AvAQ2211 AvLP摩擦力的推导：vL单根毛管流速分布任一截面上微元体rdroroomaxvvo0orvrv一、推导泊谡叶公式drdvrLdrdvAF2Pr 2PrdrdvrL22CLPrv42时：0,vrroLPrCo42LPrrvo422）（同心液筒圆柱面积作用于同一液筒上的驱动力：积分orqrdrvdqq002LPrqo84LPrq84二、由泊谡叶公式推导总摩擦力公式LPALPrqo8824LPAAquoo8LPAuo8LuPAfo81ALvAnfPo8oAAnALvPoA8流过该毛管

17、的流量为：积分对于任一半径的毛管毛管中平均真实速度毛管截面积毛管不是等直径，也非圆形，引入修正系数单根毛管粘滞阻力对于岩芯（毛管束），截面积为A，孔隙截面积为 ，则毛管根数为：，总的粘滞力A令：二、渗流力学中常用物理量的单位（单位制）二、渗流力学中常用物理量的单位（单位制）油气层渗流力学中常用的单位制有：油气层渗流力学中常用的单位制有：国际标准单国际标准单位制（位制（SISI制制)和和达西混合单位制达西混合单位制。如表所示。如表所示。1.3 1.3 渗流的基本规律和渗流方式渗流的基本规律和渗流方式单位制表参数名称参数名称产量产量符号符号SISI制制SI制实用单位 DC混合单位制面积面积渗透率渗

18、透率长度长度压缩系数压缩系数时间时间厚度厚度半径半径粘度粘度压力压力密度密度，qPQAKhLrttCRfCLCscm/3sPasm/32m2mmmmPa3/mKgs1Padm/32m2mmmmsmPaMPa3/cmghour1MPa2cm2mDCcmcmcmsmPacp，atm，MPa1103/cmgs11)10(MPa 本课程涉及大部分关系式中，各物理量的单位既可直接采本课程涉及大部分关系式中，各物理量的单位既可直接采用用SISI制下的基本单位，也可直接采用制下的基本单位，也可直接采用DCDC混合单位制下的基本单混合单位制下的基本单位，而无须对关系式进行变换；位，而无须对关系式进行变换；当采

19、用某一单位制时，计算关系式中各物理量就必须使用当采用某一单位制时，计算关系式中各物理量就必须使用符合该单位制规定的单位。符合该单位制规定的单位。LPAKQ （达西混合单位制）（达西混合单位制）L)10(P)10(A)10()10(K)10(Q)10(2543126 （SISI制制）1.3 1.3 渗流的基本规律和渗流方式渗流的基本规律和渗流方式三、基本渗流方式（渗流形态）三、基本渗流方式（渗流形态）流线：流线：流体质点流过的路径，流体质点流过的路径，该曲线上各该曲线上各点的流速矢量与曲线相切。点的流速矢量与曲线相切。渗流方式渗流方式单向流单向流平面径向流平面径向流球面径向流球面径向流1vz2v

20、5v4v3vyx1.3 1.3 渗流的基本规律和渗流方式渗流的基本规律和渗流方式1.1.单向流单向流 流线是彼此平行的直线；流线是彼此平行的直线；渗流截面上，各点的流速相等；渗流截面上，各点的流速相等；在液流方向上，渗流速度和压力是一维坐标在液流方向上，渗流速度和压力是一维坐标x x 的函数。的函数。岩芯岩芯平面等厚薄板模型平面等厚薄板模型dxdPKv1.3 1.3 渗流的基本规律和渗流方式渗流的基本规律和渗流方式2.2.平面径向流平面径向流1.3 1.3 渗流的基本规律和渗流方式渗流的基本规律和渗流方式 流线是一组向一点聚集，流线是一组向一点聚集，或由一点向四周发散的直线；或由一点向四周发散

21、的直线；2.2.平面径向流平面径向流 各个平面上的渗流状况相同；各个平面上的渗流状况相同；若是稳定渗流，压力和流速是极坐标若是稳定渗流，压力和流速是极坐标r r的函数。的函数。聚集发散rxPKvxdrdPKvr或或yPKvy1.3 1.3 渗流的基本规律和渗流方式渗流的基本规律和渗流方式3.3.球面径向流球面径向流 流体质点沿径向向一点汇流体质点沿径向向一点汇集，或由一点沿径向向四周集，或由一点沿径向向四周发散，流线为球的径向线；发散，流线为球的径向线；rr 若是稳定渗流，压力若是稳定渗流，压力和流速是坐标和流速是坐标x x、y y、z z的的函数或空间极坐标函数或空间极坐标r r的函的函数。

22、数。drdPKv或或xPKvxyPKvyzPKvz1.3 1.3 渗流的基本规律和渗流方式渗流的基本规律和渗流方式dLdP0 1.4 1.4 非线性渗流规律非线性渗流规律1.4 1.4 非线性渗流规律非线性渗流规律一、产生非线性渗流的原因一、产生非线性渗流的原因气井；气井；裂缝性油井；裂缝性油井；砂岩油藏井底附近。砂岩油藏井底附近。二、判断方法二、判断方法粘滞阻力粘滞阻力惯性阻力惯性阻力 eR 12122eLALAR有有关关，与与式式中中：K1几几何何参参数数与与岩岩石石孔孔隙隙结结构构有有关关的的 2），（2 Kf 二、判断方法二、判断方法 231750 K 231750KRe 小小数数 ,

23、p,cm/g,DcK,s/cm33.02.0Re 3.02.0Re 3.02.0Re 三、非线性渗流表达式三、非线性渗流表达式 1.1.指数式指数式 式中：式中：取决于流体和岩石性质的系数；取决于流体和岩石性质的系数；渗流指数，实验证明：渗流指数，实验证明：线性区；线性区；线性关系破坏，为过渡区；线性关系破坏，为过渡区；渗流平方区。渗流平方区。ndLdPcv)(cn1 n21 n121 n2.2.两项式两项式2BvAvdLdP )K(dLdP2 粘滞阻力损耗粘滞阻力损耗惯性阻力损耗惯性阻力损耗三、非线性渗流表达式三、非线性渗流表达式 例例1-21-2 设有一下套管射孔完成井，液体仅能从直设有一

24、下套管射孔完成井，液体仅能从直径为径为0.50.5厘米的厘米的100100个小孔流入井中，油层厚度为个小孔流入井中，油层厚度为1010米米，折算自地下日产量为，折算自地下日产量为100100立方米，井半径立方米，井半径 =10=10厘米厘米，地层渗透率，地层渗透率K=1K=1平方微米，孔隙度平方微米，孔隙度 =0.2,=0.2,原油粘度原油粘度 =3=3毫帕秒，原油密度毫帕秒，原油密度0.80,0.80,试问：此时井底附近地层试问：此时井底附近地层内渗流是否服从达西定律。内渗流是否服从达西定律。wrhwr2小孔直径D，孔数n解：流入小孔的渗流速度为：解：流入小孔的渗流速度为：)/(976.58

25、45.010086400/101004262scmDnqAqv 则由雷诺数公式得则由雷诺数公式得井底附近地层内渗流的井底附近地层内渗流的雷诺数为：雷诺数为：3.0084.102.035.1718.0976.585.172/32/3KvRe故，井底附近的渗流不服从达西定律。故，井底附近的渗流不服从达西定律。gradP|低低速速常规常规v1.5 1.5 流体低速下的渗流规律流体低速下的渗流规律 gradP)gradP1(K gradP gradP0 常常数数（压压力力梯梯度度量量纲纲）KgradP1K）（设设 KK gradPK )K(gradP 即即二、气体低速下的渗流规律二、气体低速下的渗流规

26、律滑脱现象：滑脱现象：气体渗流时，岩石孔道壁处速度不为零气体渗流时，岩石孔道壁处速度不为零，岩芯渗透率随平均压力降低而增加的现象。，岩芯渗透率随平均压力降低而增加的现象。气体渗流运动方程：气体渗流运动方程：)1(PbgradPKv常数常数221PPP 平平均均压压力力，KPbKPK)1()(视渗透率：视渗透率：)(PKP1K2N2H2co气测气测 关系曲线关系曲线PK1dLdPK)P()PP(1iKi)P(KK )PP(i)P(ikeKK dPdKKiK 1 )PP(1 ii )PP(1 ii dPdi 1dPdi 1dLdP)PP(1)PP(1)PP(1 Kiiiiiki 两相渗流运动方程：

27、两相渗流运动方程：油相：油相：水相：水相：gradPKvooogradPKvwww相渗透率小于绝对渗透率即：相渗透率小于绝对渗透率即：KKKwo,毛管力贾敏效应其它附加阻力1.6 1.6 两相渗流规律两相渗流规律思考题1.渗流的特点是什么？什么是渗流力学？2.什么是多孔介质？有哪些特点？3.在渗流过程中一般受到哪些力的作用？主要作用力是什么？4.油藏驱动类型一般有哪几种？5.什么是原始地层压力？获得原始地层压力的方法有哪些？6.什么是折算压力？其物理意义是什么？7.什么是达西定律？其适用条件是什么？为什么说它是线性渗流定律？8.写出渗流速度和真实速度的定义，并说明它们之间的关系。9.达西定律中

28、各物理量可用什么单位？10.一般的渗流形式有哪些？不同渗流形式下达西定律的微分形式各是什么？11.在哪些情况下会出现非线性渗流？其运动方程各是什么？井号井号油层中部实测地层静压（油层中部实测地层静压（10-1MPa）油层中部海拔（油层中部海拔（m）190-940288.5-870388-850489-880练习题练习题1、四口油井的测压资料如下：、四口油井的测压资料如下：已知：原油密度为已知：原油密度为0.8，原始油水界面海拔为，原始油水界面海拔为-950m，试分析在哪个井区范围内形成了低压区。，试分析在哪个井区范围内形成了低压区。2、某油田在开发初期钻了四口探井，实测油层中部深、某油田在开发

29、初期钻了四口探井，实测油层中部深度原始地层压力资料如表所示，以后又钻了一口井，度原始地层压力资料如表所示，以后又钻了一口井，油层中部海拔为油层中部海拔为-980米，但未测压。试根据已有测压米，但未测压。试根据已有测压资料推算此油层中部原始地层压力值。资料推算此油层中部原始地层压力值。井号井号油层中部原始地层压力（油层中部原始地层压力（10-1MPa）油层中部海拔（油层中部海拔（m）182.5-900285.9-940393.125-10254103.07-1142练习题练习题练习题练习题3、某井放喷时估算产量、某井放喷时估算产量1500t/d，原油密度，原油密度0.85，体，体积系数积系数1.2，油层厚度，油层厚度20m，孔隙度，孔隙度20%，渗透率，渗透率64010-3um2，地下原油粘度，地下原油粘度9mps，油井半径，油井半径10cm，试判断井底渗流是否破坏线性关系。，试判断井底渗流是否破坏线性关系。