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1、地层原油的高压物性,目 录1 地层油的溶解气油比2 油层石油的饱和压力3 地层油的密度和相对密度4 油层石油体积系数5 油层石油的压缩系数6 油层石油的粘度7 牛顿型与非牛顿型流体,前言,油层液体的物理性质是指处于高温、高压条件下原油与油田水的物理性质。,由于高压和大量的天然气溶解于原油中，再加上高温使得原油物理性质与地面脱气石油的物理性质有很大的差别。,对油层液体物理性质的研究，无论对储量计算、油（气）层评价，还是对油田开发设计、动态分析以及提高石油采收率都具有十分重要的意义。,溶解气油比通常把地层油在地面进行一次脱气，将分离出的气体标准体积（20，0.101MPa）体积与地面脱气后原油体积
2、的比值称为溶解气油比，其单位是m3/m3或m3/t。,一般通过实验室或地面分离器进行脱气后得到脱气后原油体积Vos以及地面脱气气量Vg，则地层油溶解气油比为：,相同概念：地层油的溶解气油比=天然气在原油中的溶解度,1 地层油的溶解气油比,油藏原始温度、压力下的溶解气油比称为原始溶解气油比，用Rsi表示,脱气方式不同，从油中分出的天然气量Vg不同，石油行业标准SY5154-87规定，以一次脱气测定的溶解气油比Rs为准。,地层压力高于饱和压力时，溶解气油比为原始溶解气油比Rsi。当地层压力低于饱和压力时，随压力下降，因一部分气体已从原油中逸出，溶解于原油中的气量减少，故溶解气油比Rs减少。当压力为
3、1atm时，Rs为0，当压力等于饱和压力时，Rs=Rsi。,油藏原始压力下的溶解气油比与泡点压力下时的溶解气油比相等,典型地层油溶解气油比曲线,不同地层油的原始溶解气油比差异非常大，这种差异是导致地层油与地面原油的体积不同、密度不同的原因,实验室接触脱气实验测定溶解气油比,采用Standing图版，从目前饱和压力开始反求溶解气油比,步骤：从饱和压力气体相对密度地层温度地面原油相对密度溶解气油比,溶解气油比计算法Vazques和Beggs（1980）公式,C1、C2、C3常数项取值,2 油层石油的饱和压力,地层压力大于饱和压力，天然气将全部溶于石油中，并处于单相状态，地层石油未被石油饱和，叫未饱
4、和或欠饱和油藏 当地层压力等于饱和压力，天然气正好全部溶于石油，并处于单相状态，为饱和油藏。,地层原油的饱和压力是油层温度下全部天然气溶解于石油中的最小压力，也可以说是在油层温度下从石油中开始分离出第一批气泡的压力。由相态一章已知，开始分离出第一批气泡的压力即为泡点压力，故饱和压力即为泡点压力。,概念,饱和压力的影响因素,1、石油的重组分越多，密度越大，其饱和压力就越高；2、饱和压力随温度升高而升高；3、天然气的不同组分在同一石油中溶解时，饱和压力是不同的。,饱和压力是油藏开发的基本参数，必须在第一探批井中就认真取样分析。在油田开发时，应注意保持地层压力高于饱和压力，使烃类以单相形式流动，否则
5、将会增加油流的毛细管阻力（贾敏效应），降低原油的采收率。,根据油藏饱和压力值不同，可以确定油气运移的方向:演化程度低的原油重质组分高，粘度、密度大，因而饱和压力高;演化程度高的原油轻组分含量高，粘度、密度小，饱和压力值低 因此油藏饱和压力降低的方向就是原油运移的方向,饱和压力的应用,1、可用饱和压力计算油藏形成的时间2、进行油气运移研究。,将PVT筒油样保持在地层压力、温度下，关闭所有阀门，使原油封闭在PVT筒中。PVT筒计量泵退泵降压，读出表压及PVT筒的体积（油样体积）V1，待充分平衡后，再次降压，依次测得各级压力p1，p2，,p5下的油样体积V1，V2，V5，测定过程为恒组分分离根据脱气
6、时的P-V关系，可做成曲线，再根据曲线的拐点（单相转化为二相）可求出系统的饱和压力,饱和压力,饱和压力的确定PVT高压物性实验测定,饱和压力的确定查图版法确定地层原油的饱和压力,步骤：从溶解气油比地面原油相对密度地层温度气体相对密度饱和压力,与实测值差7%,饱和压力的确定Standing（1947）计算公式,饱和压力的确定Glaso（1980）计算法,饱和压力的确定Lasater（1958）计算法,其中,3 地层油的密度和相对密度,油层石油的密度是指单位体积油层石油的质量。其数学表达式为：,式中：油层石油的密度（kg/L）；油层石油的质量（kg）；油层石油的体积（L）。,油层石油由于溶解有大量
7、的天然气，因而其密度与地面脱气石油密度相比有很大差别，通常要低百分之几到百分之十几，有时还更低。,一、石油的密度,地层油密度的影响因素,1、它与地层温度关系随温度的增加而下降。2、与压力关系以饱和压力为界，当压力小于饱和压力时，由于随压力增加，溶解的天然气量增加，因而石油密度减小；当压力高于饱和压力时，由于随压力增加，没有天然气溶解，因而石油密度加大。,饱和压力,2、计算法应用理想溶液原理计算饱和压力下的石油密度,上式中压力系数将随压力变化而变化，但在压力一定的合理变化范围内可将压缩系数视为不变，这样对上式积分，为：,已知泡点压力（）及实际压力（）相对应的 值后，即可用该式计算高于泡点压力下的
8、石油密度,3、计算法应用石油等温压缩系数计算高于饱和压力时的石油密度,分二步进行：第一步：先算出饱和压力下的石油密度；第二步：由压缩系数表达式求取,因压缩过程始终为等温过程，并以密度代替体积代入压缩系数公式（等温压缩即为质量不变情况下的体积的变化过程，故可用密度表示）（石油压缩系数将在后面讲）：,石油的相对密度 定义为石油的密度 与同一温度和压力下水的密度 之比，即：,由于石油密度与水的密度单位相同，故相对密度似为一无因次量，习惯上石油相对密度在我国和苏联是指latm(0.101MPa)、20时石油与4时纯水单位体积的重量比，用 表示。在欧美各国则以latm、60(15.6)石油与纯水单位体积
9、的重量比，用 表示。,二、地层油的相对密度,在商业上常以API度（America Petroleum Institute美国石油学会）相对密度表示。它与60(15.6)石油相对密度的关系，可用下式换算：,API重度,式中：为：60（15.6）时石油密度/60（15.6）水密度时的相对密度。,已知水的API重度是10，而石油的API重度是随相对密度（）降低而增加，因此用API重度表示的好处是：能明显的表明，在一定的温度和压力下，随着气体在原油中溶解度增加，API重度也增加。从华氏温度与摄氏温度的关系知道6015.6，而且4与15.6水的密度也不尽相同。因此欧美各国的相对密度与我国和苏联使用的相对
10、密度（）数值是不一样的，千万不要把这两者等同起来，以免造成误差。,已知某井地面脱气原油的相对密度为0.876，溶解气油比为138（标）m3/m3，天然气的相对密度为0.75，泡点压力时原油体积系数为1.42，试计算泡点压力下地层油的相对密度。,地层油相对密度的计算例题（秦积舜p68）,4 油层石油体积系数,地层石油以饱和压力为界，分为单相石油体积系数和两相石油体积系数。,目前地层压力下脱出的气体体积,地层压力降低,一、地层油（单相）体积系数,地层油单相体积系数是指地层压力高于或等于饱和压力时，地层石油的体积与地面脱气石油体积之比值。其数学表达式为：,地层单相石油体积系数（以小数表示）；地层单相
11、石油体积（）；同一石油在地面脱气后的体积（）。,地下原油与地面原油相比有三个不同点:溶解天然气、因高温而膨胀、因高压而受压缩 体积系数反映了三种作用综合结果，一般情况下，由于地下溶解气和热膨胀的影响远远超过受压缩所引起的体积变化，即地下体积总是大于地面体积，故Bo一般大于1。,表示石油体积变化的指标的另一概念-收缩率,收缩率的定义是l 的石油采到地面以后，经过脱气体积收缩的百分数。,式中：地下石油的收缩率（）。,地层石油的体积系数主要与溶解气量的多少有关，另外与压力、温度和脱气方式有关,影响因素,表7-4 某些油田的溶解气量和体积系数,1、与溶解气量有关,地层石油溶解的天然气量越多，体积系数就
12、越大。,当压力等于饱和压力时，溶解于石油中的天然气量最多，这时地层石油的体积系数最大。当压力大于饱和压力时，随着压力的增加石油受到压缩，因而地下石油的体积系数将随着压力的增加而减小。,2、压力的影响,3、温度的影响,在压力一定时，不同温度下体积系数,4、脱气方式的影响,一次脱气的体积系数大于级次脱气的体积系数。（因为一次脱气的气量要大于级次脱气的气量）,温度越高，体积系数越大,高于泡点压力下油层石油的体积系数,高于泡点压力的油层，其体积系数要小于泡点压力的石油体积系数（泡点压力的体积系数最大，因为气体的溶解度最大），在这种情况下，影响体积系数的唯一因素是油层压力，此时，可先算出油层温度下泡点压
13、力的石油的体积系数（见上），然后再用求等温压缩系数的方法将其折算到更高压力下的体积系数，即采用下式计算,当地层压力降低到饱和压力以下时，地下石油体积的变化可以分为三个阶段,当压力下降到饱和压力以下时，析出大量溶解气，油藏中石油处于两相状态时，则需要用两相石油体积系数来进行描述。,二、油层石油的两相体积系数,目前地层压力下脱出的气体体积,地层压力降低,两相石油体积系数定义为：当油层压力低于饱和压力时，地层石油和析出气体的总体积与在地面脱气石油体积的比值。即：,u两相石油体积系数（以小数表示）；Rsi、Rst 分别为原始和目前地层压力下天然气在石油中溶解度（m3/m3）；Bg 目前地层压力下天然气
14、体积系数（小数）；Vos 地面脱气石油体积(Rsi-Rst)VosBg 表示在目前地层压力下所析出的天然气体积（m3）。,两相石油体积系数随压力的变化规律,必须已知1、生产气油比2、气体相对密度3、储罐油相对密度4、油层温度,图版法Standing（1947）（单相地层油体积系数）,该方法在查图表时所用的气油比是气体在泡点压力的溶解度，所以油层压力必须等于泡点压力，因此实际上求取的是饱和压力情况下的石油体积系数。,已知1、气油比2、天然气相对密度3、储罐油相对密度4、地层温度5、地层压力,图版法Standing（1952）（二相石油体积系数）,计算法Standing（1948）公式（饱和压力下
15、的原油体积系数）,注：此公式摘自秦积舜书p78,注：此公式摘自杨胜来书p100,有下列二个公式,计算法Glaso（1980）公式,计算法Vazques和Beggs（1980）公式,5 油层石油的压缩系数,地层石油由于在一定压力下可溶解一定量的天然气而表现出具有一定的弹性，弹性大小通常可以用压缩系数来表示。压缩系数是指单位体积地层石油在压力改变一个大气压时体积的变化率。,公式中负号表示体积的变化与压力变化相反。,地层石油的压缩系数主要决定于石油和天然气的组成、溶解气量以及压力和温度的条件。,影响因素（变化规律）,表7-1 我国和世界某些油田原油物性参数（据洪世铎，1985）,可以看出，地层油的压
16、缩系数和地层石油中天然气的溶解度有密切关系，溶解度大者，其压缩系数也大。一般地面脱气石油的压缩系数约410-5710-5 l/ata，而地层石油的压缩系数约1010-514010-5 l/ata。,1、与天然气在石油中的溶解度的关系,2、与地层温度的关系,某井平均石油压缩系数与温度关系（据杨普华，1980）,随温度增加，压缩系数是增加的。,3、与地层压力的关系,。,地层石油的压缩系数不是一个定值，在不同的压力区间，其压缩系数也不同。当地层压力大于饱和压力时，随地层压力的增加，压缩系数减小,表7-2 不同压力区间地层油的压缩系数（据洪世铎，1985）,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,10
17、,15,5,20,饱和压力下原油相对密度,平均压缩系数,10-6,图版方法,已知石油饱和压力下的相对密度时可直接从左侧图版查取,计算法Vazques和Beggs（1980）公式,公式中的常数项,通过压缩系数公式计算油层石油的压缩系数,1、将概念表达式中的体积换成密度；并表示成为定温条件下的压缩过程2、用对应状态形式表达（即换算成折算压缩系数、折算压力、折算温度、折算密度）,若研究液态混合物，则相应地采用虚拟折算压缩系数、压力、温度、折算密度：,计算石油压缩系数时采用对应状态定律的解释,由于影响石油压缩系数的石油的组成，由于石油是一种混合物，因此引入折算的概念，主要是为了压缩系数计算中消除组成的
18、影响。关于临界状态的概念，在烃类体系的相态理论一章中已经作了定义，石油的临界状态的含义与天然气应该是一致的。,一般地面石油的压缩系数为（47）10-5（1/ata）地层石油的压缩系数为（10140）10-5（1/ata）,地层石油、地层水和储集岩的压缩系数构成了整个油藏的弹性能量，当地层压力高于饱和压力时，石油就靠这部分能量采出地层中的石油，如果一个油田的地层压力高，饱和压力低，那么由于油藏的弹性能量大，而可采出12的地下储量。,6 油层石油的粘度,石油的粘度（动力粘度）：石油在流动过程中内部摩擦阻力的量度。,石油的动力粘度，也叫石油的绝对粘度（Pas）。石油的运动粘度（m2/s）；石油密度（
19、kg/m3）。,运动粘度：就是动力粘度与密度的比值。,仅在流体动力学计算中使用,国内外一些油田地下原油粘度,石油粘度决定了地下石油在油层中的流动能力，因此降低粘度（降粘）对提高油井产能和石油采收率很有意义的。,地层石油的粘度取决于它的化学组成、溶解气的含量以及温度和压力的条件。它的变化范围很大，可从零点几mPa.s到上千mPa.s。,原油中重烃、非烃含量（胶质与沥青含量）多，就增大了液层分子的内摩擦力，从而使石油的粘度增大。,表7-6 大庆、胜利油田脱气原油粘度与沥青、胶质含量对比关系（据杨普华，1980）,1、石油的化学组成,由于气体溶解在液体中，使液体分子间引力部分地变为气体分子引力，从而
20、使分子引力大大减少，因之液层的内部摩擦阻力也减少，粘度也就随之下降。原油中溶解气量越多，粘度就越低。,2、石油中溶解气量,3、溶解气的化学组成,当溶有烃类气体时，气体分子量越小，石油的粘度也降低得多。但如石油中溶有氮气时，就会使石油的粘度急剧增大。,4、地层温度由于温度增加，液体分子运动速度增加，液体分子引力减小，因而粘度降低。热力采油法提高石油采收率的主要机理就是以温度增高能大幅度降低原油粘度为基础的。,5、地层压力在温度一定时，当压力低于饱和压力时，随着压力的增大，油中溶解气量增加，地层油粘度急剧下降；当压力高于饱和压力时，压力增加使石油密度增大，液层内部摩擦阻力增大，因而粘度增加。,温度
21、为18度时的饱和压力,实验室粘度测定的常用仪器有：1、落球粘度计2、高压毛细管粘度计3、电磁粘度计,当压力等于饱和压力时，可以使用图7-15、7-16直接查出。已知：1、原油相对密度 2、油层温度 3、油层压力条件 下溶解气量,图版法,步骤：1、根据原油相对密度和油层温度查取油层温度条件下的地面脱气原油粘度,由于石油组成变化大，用此图表查出的粘度偏差有时达25。,第二步：根据地层压力条件下溶解气量和油层温度下地面脱气原油粘度查取油层温压下原油粘度,当地层压力超过饱和压力时，计算粘度可查图7-17。已知：1、饱和压力时的原油粘度地饱压差地层压力饱和压力这时计算的石油粘度较精确，其误差3。,地层温
22、度下地面脱气原油粘度Glaso（1980）公式,饱和压力和饱和压力以下地层原油粘度Beggs和Robinson（1975）公式,摘自秦积舜书p79,饱和压力和饱和压力以下地层原油粘度Beggs和Robinson（1975）公式,摘自杨胜来书p100,饱和压力以上地层原油粘度Vazques和Beggs（1980）公式,1、油田开发初期，采用弹性方式开采，地层压力在较长时间低于饱和压力，油层脱气，使得原油中低碳链组分减少，原油粘度增加。2、注冷水开发时，地层温度下降使得原油粘度增加。3、注入水的溶解氧或游离氧会对原油产生氧化作用，使得油质变差，粘度增加。,油田开发过程对原油粘度的影响,7 牛顿型与
23、非牛顿型流体,剪切应力,切变速率,凡是符合上式的流体被称为牛顿流体凡是不符合上式的流体被称为非牛顿流体,牛顿流体与非牛顿流体的流动特性可用流变曲线来表示所谓流变曲线是剪切应力和切变速率的关系曲线,牛顿流体的特点是剪切应力与切变速率成正比。它的流变曲线是通过坐标原点的直线。在恒温恒压下，流体的粘度是一个常数，不受切变速率的影响，因而仅用粘度这一常数就可以描述牛顿流体的流动特性。如水、大部分低粘度油类和一些低分子量的化合物溶液都具有牛顿流体的性质。,非牛顿流体的流动特性除了与切变速率有关外，还与时间有关，因此在剪切应力切变速率关系曲线上都是非直线，因而其流动特性不能用一个简单粘度参数来描述。,根据
24、流变曲线，可以将流体分成三种流型,塑性流体当剪切应力小于某一个数值时，流体不发生流动，而大于该数值时才发生流动。这个流动的最小应力称为静极限剪切应力。因此流变曲线可以分成二段，切变速率较小的段为曲线段，相当于在外加应力作用下液体结构的破坏过程，当切变速率大于某一值后，形成直线段，此时流动特性符合宾汉公式,假塑性流体一加应力就能流动，其视粘度（表观粘度）随切变速率增加而减小，曲线呈起于原点的上凸形。属于这一类的流体有：乳状液、和许多高分子聚合物,流型曲线方程如下,膨胀性流体一加应力就能流动，与假塑性流体不同的是流动阻力随切变速率而增加，流动曲线为起于原点的上凹型。属于这一类的流体有：生淀粉糊、和固体悬浮物,流型用Robertson-Stiff公式描述,
