多孔介质与储集体

1多孔介质与储集体油气的渗流是在储集层内进行的。

储集层是以岩石颗粒为骨架并含有大量微毛细管孔隙空间的介质。

这种介质叫做多孔介质。

渗流是以多孔介质作为前提条件的。

多孔介质的基本特征多孔介质是以固相介质为骨架，其中包含一部分空的孔隙空间，这部分空的孔隙空间被均质或多相物质所占据，但其中至少有一相不是固体，而是液体。

能储集和容纳流体是多孔介质的一个重要特性。

显然，多孔介质储集性的好坏和孔隙空间的大小有关，因此，引入了孔隙度的概念。

将单位体积岩石中所有空隙的总体积定义为绝对孔隙度，用公式表示为：VV r a =φ （1-1） 式中 V r ——孔隙体积，cm 3; V ——岩石体积，cm 3; a φ——绝对孔隙度。

在估计油藏绝对储量时，a φ数值的大小具有重要意义。

实际上，在岩石孔隙度中，还有一部分死孔隙，不能让流体通过的微毛细孔隙或被微毛孔所包围的孔隙、，这部分孔隙对渗流来说是无效的，因此，引出了有效孔隙度的概念。

将岩石的有效孔隙度（除去无效体积部分的孔隙体积）和岩石体积之比定义为有效孔隙度，其公式为：VV o =φ （1-2） 式中 V o ——有效孔隙体积； V ——岩石体积； φ——有效孔隙度。

多孔介质中的孔隙空间至少有一部分是互相连通的，流体能在这部分连通的孔隙中流动。

多孔介质具有让流体通过的这种性质叫渗透性。

互相连通的孔隙体积叫做“有效孔隙体积”。

但值得注意的是，即使互相连通的孔隙体积，有的也是无效的。

例如：带有“死端”的孔隙（或称“盲孔”），也就是孔隙与通道之间仅有一个窄的出口。

如图1-1所示。

这种孔隙当中几乎没有流动发生。

岩石的渗透性用渗透率K 来表示： p A LQ K ∆∆=μ （1-3）式中 Q ——流量，cm 3/s; μ——流体粘度，cP;L ∆——岩样长度， cm;A ——面积，cm 2; p ∆——岩样两端压差。

Atm; K ——渗透率，D 。

由此可以看出，多孔介质渗透率单位在物理学上的意义是:当液体粘度为1cP ，在压力降为1个大计压情况下，渗流过水断面为1cm 2，长度为1cm 的岩样，其流量为1cm 3/s ，以此多孔介质的渗透率作为渗透率的单位，等于1D 。

0.001达西叫做毫达西（mD ）。

应当指出，渗透率的大小只决定于岩石的性质，即它决定于岩石的孔隙结构和孔隙大小，而和所通过的流体的性质无关。

岩石的渗透率有三中概念：绝对渗透率，有效渗透率和相对渗透率。

绝对渗透率 岩石的孔隙中流体为一相时，岩石允许流体通过的能力叫做绝对渗透率。

它只是与岩石的本身性质有关的一种属性。

有效渗透率 当岩石中的流体存在有几相时，岩石对每种流体通过的能力叫做该相的有效渗透率（如果各相同时流动，习惯叫做相渗透率）。

因此，它除了表征岩石性质以外，还表征流体的物理性质及其在孔隙中的运动特征。

岩石对每种流体的有效渗透率是随着这种流体在岩石内的饱和状况而变的，显然岩石孔隙内其它流体的存在都会使岩石对这种流体的渗透能力降低。

由此可见，有效渗透率总是小于绝对渗透率。

相对渗透率 岩石的有效渗透率和绝对渗透率的比值叫做相对渗透率。

它的变化范围为0到1。

1.1. 3多孔介质的流变性当一个物理（或物质的聚集体）在一个适当的力系的作用下，其形状和尺寸改变了，我 们就说这个物体上发生了形变，如果物体的形变程度随时间而续发展，我们就说物体发生了流动，从某种意义上来说流动是随时间时续发展的一种形变。

形变和流动是物体对作用力系的一种响应。

材料受到力或力系的作用时发生形变流动的性质称为流变性，形变与流动都是物体中质点之间相对运动的结果。

物理学中研究物体运动的分支称为力学。

因而，全面的阐明连续介质运动应当包括两个方面：一是连续介质的运动方程，二是材料的流变状态方程，或称为本构方程，也就是应力和变形率之间的关系，非牛顿流体力学和牛顿流体力学的差别就在于本构方程。

而本构方程的复杂性是非牛顿流体力学的特点，也是研究非牛顿流体的困难所在。

所谓的非牛顿流体是指液体流动时的剪切应力τ与剪切速率dr du 之间成线性关系；即 drdu μτ-= （1） 也就是说牛顿流体流动时，其应力和变形率（剪切速率）之间的关系为线性本构关系，如图所示。

τ与drdu 的关系为通过原点的直线。

非牛顿流体的性质比较复杂，主要从以下几个方面进行讨论。

1,粘度非牛顿液体应力与变形率之间的关系是非先行本构关系，其粘度不是常数，它与剪切速率有关。

（1）宾哈姆（Bingham ）塑性。

又称为粘塑性，这是非牛顿流体中较简单的一种，如钻井泥浆和某些高粘度原油，其流动特点是当流体开始受到外力作用时不流动，其性质像固体。

当剪切应力逐渐增加，达到某个临界值时，他才开始流动，这个临界剪切应力称为屈服应力。

如图所示，流动以后，流态与牛顿流体相同，其本构方程为：drdu o μττ-=- 式中 o τ——屈服应力。

阿塞拜疆的许多高粘油和槊性粘油油田的开发实践证明了含沥青质或含焦油多的原油就具有宾哈姆塑性的流变性。

即开始流动时，存在一个始动压力梯度，也就是为了克服屈服应力o τ所需要的压力梯度，显然，当地层中压力梯度小于始动压力梯度时，流体不流动。

地层中压力梯度达到始动压力梯度时，流体开始流动。

如果夜流服从达西定律（忽略毛管力和重力影响），渗流的运动方程式为；、⎪⎭⎫ ⎝⎛-∆∆-=G L P k μυ ⎪⎭⎫ ⎝⎛>∆∆G L P （2）0=υ ⎪⎭⎫ ⎝⎛<∆∆G L P （3） 式中 、G ——始动压力梯度。

在这类油藏中，产油率与压差的关系是一条不通过原点的直线。

如图所示中的实线 BAC 段，在这种情况下，油藏的渗流场也发生明显的变化。

甚至在理想的均质油藏中，也会出现滞流带，而油藏的非均质性就使得滞流带和死油区增大，其结果将使油气采收率显著下降。

因此在开发这类油藏时，必须注意原油粘塑性的影响。

（2）假塑性。

又称为剪切稀释性。

这种流体的流动特点是，在极低和极高剪切速率下，即流动状态近于牛顿流体，在一般中等剪切速率下，随着剪切速率的增加，视粘度a μ变小。

所谓的视粘度是流态曲线上某点与原点连线的斜率，如图中假塑性流体流态曲线上a 点与原点连线的斜率tga 即为a 点对应剪切速率条件下的视粘度a μ。

因而，假塑性流体流动越快，剪切速率越小，视粘度增加，在剪切速率高时，粘度反而降低了，故而又称为剪切稀释。

在双对数坐标中，极低及非常高的剪切速率下，流态曲线的斜率逼近于0，如图所示。

通常在不大的剪切速率范围内其流态曲线在双对数坐标系中近似为一直线。

剪切速率的经验关系可描述为指数关系：ndr du H ⎪⎭⎫ ⎝⎛=τ （4） 式中H ——稠度系数； n ——流态指数。

用公式（4）的函数形式表征的流体称为幂律流体。

此经验公式虽然不能很准确地描述假塑性流体的流变性，适用范围有限，然而却比较简单，因此应用十分广泛。

根据视粘度的定义可知： 11-⎪⎭⎫ ⎝⎛=•⎪⎭⎫ ⎝⎛==n n a dr du H dr du dr du H dr du τμ （5）显然，对牛顿流体n=1,==H a μ常数，对假塑性液体，0<n<1。

（3）胀流性。

这种流体流动时，随着剪切速率的增加视粘度增加，故而又称剪切变稠性，如图（）所示。

其剪切应力与剪切速率的关系也可近似用公式（4）及（5）式的形式描述，但这时n>1,胀流性流体较少，至今发现只有很少几种高分子溶液具有胀流性。

（4）时变性。

有些非牛顿流体的粘度，非但与剪切速率的大小有关，而且与受剪切时间有关。

在一定的剪切速率下，粘度随时间减少的流体称为触变性流体。

反之，粘度随时间增加的流体称为震凝性流体。

其视粘度与剪切持续时间的关系如图所示。

例如：某些油田就是触变性流体，石膏浆是一种震凝性流体。

其中触变性流体又称为摇溶性，震凝性又称为流凝性。

上述几种非牛顿流体统称为纯粘性非牛顿流体，其主要特点表现在粘度的变化上，或于剪切速率有关或与剪切时间有关。

2粘弹性实际上纯粘性流体和完全弹性固体都是理想话，许多现实材料的流变行为都是部分带有固体特点，又部分带有流体特点，其应变又不像弹性固体那样全部回复，也不像流体那样全部应变功以热的形式耗散。

这样的流体称为粘弹性流体，如高聚物流体。

当我们把拉长的弹簧放松，它立刻缩回到原始长度，这就是弹性体的回弹现象。

牛顿液体只有粘性而无弹性。

因此没有回弹现象。

非牛顿流体则不然，Kapoor在1963年做了粘弹性流体的回弹实验，发现粘弹性流淌具有弹性。

在推力推动下可使其流动，外力消除后，它有立即回复原状的能力，但又不能完全回复原状态，我们称这种性质为“衰退记忆”。

粘弹性流体有弹性和衰退记忆两种效应，前者使它区别于牛顿流体，后者又使它区别于弹性固体。

粘弹性流体虽有弹性，但它的“记忆力”是不断衰退的，它对现实位形的记忆力要比对很久以前经历的位形的记忆深刻的多，正是由于它对过去位形的记忆逐渐淡薄，所以不能像弹性固体那样完全回弹到初始位形。

某些非牛顿流体的回弹现象十分显著，高分子熔体回弹的恢复系数甚至会超过橡皮带。

流变曲线假塑性液体流态曲线时变性流态曲线Q—关系曲线。