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1、油层物理学课件油层物理学课件油层物理学课件油层物理学课件成都理工大学成都理工大学能源学院能源学院第三章第三章 饱和多相流体时岩石的饱和多相流体时岩石的物理性质物理性质 储储油油气气层层岩岩石石内内饱饱和和着着油油、气气、水水多多相相流流体体，因因而而存存在在着着错错综综复复杂杂的的流流体体之之间间以以及及流流体体和和孔孔隙隙壁壁面面之之间间的的界界面面关关系系，它它直直接接影影响响流流体体在在孔孔隙隙中中的的分分布布和和渗渗流流。在在研研究究饱饱和和多多相相流流体体的的岩岩石石物物理理性性质质时时，通通常常是是以以研研究究油油层层中中与与界界面面现现象象有有关关的的表表面面性性质质为为基基础础

2、。与与界界面面现现象象有有关关的的表表面面张张力力、吸吸附附作作用用、润润湿湿作作用用以以及及毛毛细细管管现现象象将将对对流流体体渗渗流流产产生生重重大大影影响响。此此外外，多多相相流流体体在在岩岩石石孔孔隙隙中中的的渗渗流流性性质质相相渗渗透透率率也也取取决决于于上上述述表表面面性性质质。运运用用表表面面物物理理化化学学的的研研究究成成果果，研研究究油油层层中中的的各各种种界界面面现现象象，对对于于认认识识油油层层，寻寻找找油油气气运运移移富富集集的的规规律律以以及及提提高高油油层层石石油油采采收收率率均均具具有有重重要要的的理理论论和和实实际际意意义义。第一节第一节 表面张力和表面能表面张

3、力和表面能一一 表面张力和表面能的基本概念表面张力和表面能的基本概念 度量分子表面现象的物理性质是表度量分子表面现象的物理性质是表面张力和表面能，并由表面张力过渡到面张力和表面能，并由表面张力过渡到润湿性。润湿性。对含有多相流体的孔隙介质的特性来说，必须考虑到两对含有多相流体的孔隙介质的特性来说，必须考虑到两个互不相溶的个互不相溶的“相相”的分界面上力的影响。如果一相是液的分界面上力的影响。如果一相是液体而另一相是气体时，它们的分界面实际上就是液体表面。体而另一相是气体时，它们的分界面实际上就是液体表面。其界面分子的受力状况如图其界面分子的受力状况如图3-1-1所示。所示。图图3-1-1 界面

4、分子受力状况示意图界面分子受力状况示意图 作用于表面层分子上的力都指向水的内部和沿着分作用于表面层分子上的力都指向水的内部和沿着分界面的方向。所以它们的总的相互作用力不等于零，界面的方向。所以它们的总的相互作用力不等于零，而是垂直于分界面并指向液体的内部。而是垂直于分界面并指向液体的内部。在构成在构成1平方厘米液面的全部分子上所受到的这一平方厘米液面的全部分子上所受到的这一个力，称为分子压力或内压力。用个力，称为分子压力或内压力。用达因平方厘米达因平方厘米或或公斤平方厘米公斤平方厘米量度。分子压力的大小取决量度。分子压力的大小取决于它的物理化学性质。于它的物理化学性质。厚度等于分子间相互作用力

5、的作用半径的分子层，厚度等于分子间相互作用力的作用半径的分子层，称为表面层。称为表面层。因为在表面层上存在着分子压力，所以为了形成新因为在表面层上存在着分子压力，所以为了形成新的表面，就需要消耗一定的功，把分子从液体内部的表面，就需要消耗一定的功，把分子从液体内部移入表面层。这些功就转化成表面层的能量表面移入表面层。这些功就转化成表面层的能量表面能。能。刚刚形成的刚刚形成的1平方厘米表面所带有的功，称为比自平方厘米表面所带有的功，称为比自由表面能或表面张力由表面能或表面张力():或或 对于储油（气）层来说，表面张力可以存对于储油（气）层来说，表面张力可以存在于以下各个界面上。即油水（在于以下各

6、个界面上。即油水（）、油）、油气（气（）、气水（）、气水（）、油岩石（）、油岩石（）、）、水岩石（水岩石（）和气岩石（）和气岩石（）的界面上。）的界面上。表面张力产生的根本原因是分子间引力。由于相同表面张力产生的根本原因是分子间引力。由于相同分子或不同分子之间分子引力的差异，不同物质之分子或不同分子之间分子引力的差异，不同物质之间具有不同的表面张力（表间具有不同的表面张力（表3-1-1、表、表3-1-2)。表表3-1-1 不同液体在室温条件下与本身蒸气及空气接触时的表面张力值不同液体在室温条件下与本身蒸气及空气接触时的表面张力值物物 质表面表面张力力（20）达因达因/厘米厘米物物 质表面表面张

7、力力（20）达因达因/厘米厘米n已已烷18.4苯苯29.0乙乙醚17.0三三氯甲甲烷28.5n辛辛烷21.8二二氯乙乙烷32.2四四氯化碳化碳26.9二硫化碳二硫化碳32.3m二甲苯二甲苯28.9水水72.8甲苯甲苯28.5水水银484表3-1-2 水及水银与不同物质接触时的表面张力值第一相第一相第二相第二相表面表面张力力达因达因/厘米厘米水水 银本身蒸气本身蒸气471.6水水 银酒酒 精精364.3水水 银苯苯362.0水水本身蒸气本身蒸气73.8水水苯苯32.6水水戊戊 醇醇4.42水水丁丁 醇醇1.76二二 流体的极性流体的极性 在物理化学中论述有关表面现象时，通常是把在物理化学中论述有

8、关表面现象时，通常是把作用于该相流体上的分子间力的强度单位，称为液作用于该相流体上的分子间力的强度单位，称为液体的极性。体的极性。液体的分子压力越大，则其极性也就越大。随液体的分子压力越大，则其极性也就越大。随着流体极性的增加，也就是随着其分子压力的增加，着流体极性的增加，也就是随着其分子压力的增加，液体分子的结合强度及介电常数就增大，而压缩性液体分子的结合强度及介电常数就增大，而压缩性则变小。则变小。相互接触之各相彼此在极性上的差别愈大，在相互接触之各相彼此在极性上的差别愈大，在它们分界面上的表面张力也就愈大。它们分界面上的表面张力也就愈大。结结 论：论：各种石油与水接触时的表面张力值不同，

9、是因各种石油与水接触时的表面张力值不同，是因为它们两者的极性不同。或者更准确地说，是因为为它们两者的极性不同。或者更准确地说，是因为各种石油中极性组分的含量不同。水相对于各种石各种石油中极性组分的含量不同。水相对于各种石油来说，是一种极性最大的流体，因此，随着石油油来说，是一种极性最大的流体，因此，随着石油极性的减少，它们分界面上的表面张力就变大。极性的减少，它们分界面上的表面张力就变大。显然，当两种流体相接触时，流体的极性是决显然，当两种流体相接触时，流体的极性是决定它们之间表面张力的内在因素。定它们之间表面张力的内在因素。三三 温度和压力对表面张力的影响温度和压力对表面张力的影响当纯质液体

10、与蒸汽相接触时，如与蒸汽的临界点相当纯质液体与蒸汽相接触时，如与蒸汽的临界点相差很远，则表面张力的大小与温度变化呈线性关系。差很远，则表面张力的大小与温度变化呈线性关系。压力对表面张力的影响则与温度的影响不同。因为压力对表面张力的影响则与温度的影响不同。因为随着压力的升高，气体和液体的相互溶解度也提高，此随着压力的升高，气体和液体的相互溶解度也提高，此时液体和气体分界面上的表面张力将随着压力之升高而时液体和气体分界面上的表面张力将随着压力之升高而下降。下降。在表在表33中有不同温度及压力下水与气中有不同温度及压力下水与气体分界面上的表面张力数据。体分界面上的表面张力数据。表3-1-3 在各种温

11、度及压力下，水与气体分界面上的表面张力值压 力力MPa表面表面张力（达因力（达因/厘米）厘米）压 力力MPa表面表面张力（达因力（达因/厘米）厘米）25652565074.167.57.0555.950.40.7171.163.210.5051.646.51.7666.558.814.0047.942.33.5261.855.519.0044.139.5在油层情况下，当存在油、气、水三在油层情况下，当存在油、气、水三相时，油和水之间的表面张力的变化主要相时，油和水之间的表面张力的变化主要取决于气体在油中的溶解度。压力越高，取决于气体在油中的溶解度。压力越高，气体在石油中的溶解度也就越大，致使油

12、气体在石油中的溶解度也就越大，致使油和水的极性差变大，油水的表面张力也和水的极性差变大，油水的表面张力也随之增大。随之增大。如果加在系统上的压力高于石油被天如果加在系统上的压力高于石油被天然气所饱和时的压力，也就是说在全部气然气所饱和时的压力，也就是说在全部气体都溶解于石油中以后还继续提高压力，体都溶解于石油中以后还继续提高压力，在这种情况下，由于石油被压缩而使分子在这种情况下，由于石油被压缩而使分子间力增大，油水界面上的表面张力也将间力增大，油水界面上的表面张力也将随之降低。随之降低。在有溶解气在有溶解气存在的情况存在的情况下，油水表下，油水表面张力与压面张力与压力的实验关力的实验关系如图系

13、如图3-1-2所示。所示。图图3-1-2 在有溶解气的条件下油水表面张力与压力的在有溶解气的条件下油水表面张力与压力的关系关系四四 吸附与表面张力吸附与表面张力在液体中可溶物质在体积内部以及在表面层之间在液体中可溶物质在体积内部以及在表面层之间的分布是不一样的。与可溶性物质在表面层中的分布的分布是不一样的。与可溶性物质在表面层中的分布有关的现象，被称为吸附作用。每平方厘米表面吸附有关的现象，被称为吸附作用。每平方厘米表面吸附的可溶性物质的克数称为比吸附，用以定量描述吸附的可溶性物质的克数称为比吸附，用以定量描述吸附量的大小。比吸附的大小可用克平方厘米或摩尔量的大小。比吸附的大小可用克平方厘米或

14、摩尔平方厘米来表示。若在表面层中有过剩的可溶物质就平方厘米来表示。若在表面层中有过剩的可溶物质就把它称为正吸附，而过少时则称为负吸附。把它称为正吸附，而过少时则称为负吸附。吸附作用既可发生在液体表面，也可发生在吸附作用既可发生在液体表面，也可发生在固体表面。固体表面的吸附有如下规律：固体表面。固体表面的吸附有如下规律：1.固体表面对被吸附物质的吸附量随着吸附表面的加大而增加。固体表面对被吸附物质的吸附量随着吸附表面的加大而增加。2.表面物质成份也不均一，固体的吸附具有选择性。固体表面的表面物质成份也不均一，固体的吸附具有选择性。固体表面的不同部位其吸附效果常有较大差异；不同部位其吸附效果常有较

15、大差异；3吸附作用都是放热的，所以随着温度升高，其吸附量要降低；吸附作用都是放热的，所以随着温度升高，其吸附量要降低；4吸附量与被吸附物质的浓度成正比，浓度越大，吸附量越大。吸附量与被吸附物质的浓度成正比，浓度越大，吸附量越大。5.固体表面既可以吸附溶剂（液体本身），也可以吸附其中的被固体表面既可以吸附溶剂（液体本身），也可以吸附其中的被溶物质。溶物质。固体表面吸附层的厚度根据实际测量，固体表面吸附层的厚度根据实际测量，液体和气体分子在固体表面的吸附层厚度为液体和气体分子在固体表面的吸附层厚度为0.0010.001微米微米0.210.21微米。不同固体表面和液体微米。不同固体表面和液体（气体）

16、的吸附层厚度如表（气体）的吸附层厚度如表3-1-43-1-4所示。研究所示。研究指出，这种吸附层是十分牢固的，在一般指出，这种吸附层是十分牢固的，在一般压力差下是不能除去的，水被吸附在岩石颗压力差下是不能除去的，水被吸附在岩石颗粒表面常形成不可流动的束缚水。粒表面常形成不可流动的束缚水。表3-1-4 固体表面液体（气体）吸附层厚度固固 体体液液 体体吸附吸附层厚度厚度（微米）（微米）玻玻 璃璃水水 溶溶 液液0.010.001石石 英英水水 溶溶 液液0.02石石 英英水水0.1玻玻 璃璃水水0.075玻璃毛管玻璃毛管庚庚 基基 酸酸0.21固固 体体N2，CO20.001液体中溶解有各种可溶物质，这些溶解液体中溶解有各种可溶物质，这些溶解物质的存在会改变液体原来的界面性质。物质的存在会改变液体原来的界面性质。例如，水中溶有醇、酸等有机物质，可以例如，水中溶有醇、酸等有机物质，可以使表面张力降低；而当溶入某些无机盐类使表面张力降低；而当溶入某些无机盐类时，如时，如NaClNaCl、MgClMgCl2 2、CaClCaCl2 2等则可提高其等则可提高其表面张力。表面张力。五五 表面张力的