目 录 引言…… 第一章油藏流体的物理性质……… 第一节天然气的高压物性…… 3 一、天然气的组成……… 3 二、天然气的分子量和比重………… 三、天然气的状态方程……… 四、天然气的体积系数和压缩率… 412 五、天然气的粘度… 第二节油藏烃类的相态…20 一、油藏烃类的化学组成和石油商品性质… 二、油藏烃类的相态特征…………21 三、典型油气的相态特征………25 第三节油气系统的溶解和分离… ………4…27 一、天然气在原油中的溶解度 27 二、相态方程……… …29 三、油气的分离…………… 32 第四节地层油的高压物性… 39 一、地层油的溶解油气比… 39 二、地层油的体积系数…… 40 三、地层油的压缩系数…… 41 四、地层油的粘度…………… 第五节地层水的高压物性… 43 一、地层水的化学组成和分类：… 43 二、地层水的高压物性……… 44 第六节地层油高压物性数据的测算和匀整…… 47 一、地层油高压物性参数的测定……… 47 二、按图版求地层油的高压物性参数… 52 第七节油藏物质平衡方程简述…………………53 一、油藏物质平衡概念…………… 55 二、物质平衡方程的导出………… 04…2055 三、物质平衡方程的初步分析…… 58 第二章储层岩石的物理性质…………………… 60 第一节砂岩的粒度组成和比面 一、岩石的粒度组成……… PDG
二、砂岩胶结物的敏感到矿物………………………61 三、砂岩的胶结类型……………65 吗、砂岩的比面…………………6 第节鍺油岩石的孔隙度…………………67 一、岩石的孔隙度…… 68 二、岩石的压缩系数……… …………70 第三节油层岩石的渗透率……………………… 第四节渗透率和其它岩石物性的关系……… 一、毛管渗流定律…………… …77 二、渗透率和孔隙半径的关系…… 三、渗透率和比面的关系…… 第五节储层的流体包和度……… …482 第三章油藏岩石的渗流特性…………… 86 第一节油藏流体的表面张力…… ……86 一一、两相界面层的自由表面能………………… 86 二、比表面能和表面张力……… 87 三、吸附作用及其和表面张力的关系 四、关于表面张力的测定……… 第二节油藏岩石的润湿性和油水分布………… 92 一、油水对固体表面的选择性润湿 92 二、润混滞后…… ………93 三、接触角的满量……… 0e0t…t…+0……4t…94 四、关于油藏岩石的润湿性…… …96 五、油水在岩石孔隙孔道中的分布… 4…………97 第三节油藏岩石的毛管力…… 99 …、毛管中的液体上升……… ……99 二、任意曲面的附加压力……… ……*…0…102 三、半渗隔板法测定毛管力曲线… ee..n …103 四、压汞法测定毛管力曲线……… ……106 五、毛管力曲线分析………………………109 六、油藏过渡带流体饱和度分布的确定… …112 七、毛管力函数（又称J(Sw)函数）… ………113 第四节相对渗透率…………………115 一、相对渗透率和流度比………… +0…115 三、相对渗透率和流体饱和度的关系……… ee……………e00e…116 三、相对渗透率比值和流体饱和度的关系……… ……………121 第五节撒观渗流机理……………………123 一、互不连通的毛管孔道，单相液流……………123 二、互不连通的毛管孔道。两相液流…… PDG
三、不等径并联孔道，两相液流……………124 四、毛管孔道的混合液流………………。 125 第六节相对渗透率的测定………12S 一、稳定试验法………… …126 二、不稳定试验法… 三、关于油水相对渗透率的测定…………………………。 131 四、按毛管力曲线的计算方法…… 五、相对渗透率的平均值处理………… 13G 第四章油藏提高采收率的机理…… 137 第一节不同驱动方式的采收率…… 137 一、油藏驱油能量和驱动方式…… ………137 二、不同驱动方式的采收率… 第二节油藏的波及系数…… ……11 一、流度比的影响……… 二、岩石宏观非均质的影响… ………143 第三节改型水驱的技术方向… 4*115 一、增粘水驱（聚合物水驱） 145 二、活性水驱和碱性水驱… ........18 三、微乳液（胶束）驱油…… 150 四、注混气水和泡沫驱油… 第四节混相驱简介…… +4…156 一、注液化石油气… 156 二、注官气… ………156 三、 高压注干气… 157 四、二氧化碳驱油…。 158 第五节热力采油法… ………………159 一、火烧油层法… …………159 二、注蒸汽采油…… 162 附录一式(3一39)的推导… 166 附录二式(3一41)的推导…… 167 主要参考文款………… 168 羽 W 袋 PDG
引 言 原油在地下处于高温高压状态，其性质与地面原油有很大的差异。与跑下原油伴存的 还有天然气和油层水，它们与原油一起以不同的分布状态储藏于多孔的地下岩石中。因 此，多孔岩石的性质在很大程度上决定着油、气、水在油藏岩石中的分布和流动规律，而 地下流体在多孔岩石中的流动同样也和油、气、水的物理性质有关。 由于油藏岩石的多孔性，油和岩石的接触面积是相当巨大的，即使只有很薄的一层油 膜由于附着于岩石孔隙的内表面而不能被采出，其数量也是可观的；由于油藏岩石的多孔 性，油、气、水则是沿其中极其微小的迁回孔道在流动，从而岩石的孔道大小，液体在岩 石表面上的物理和物理化学性质都将对油水的微观分布和流动规律有很大的影响。 油水在油藏中的分布和流动规律是油田开发的物理基础，是油田开发所研究课题之 一。油藏物理的任务是研究油藏流体，其中包活油、气、水的高压物理性质及油气相态变 化规律；研究油藏岩石的固体骨架性质，以及流体在岩石中的基本渗流特性。从而，为油 田开发设计和油藏动态分析提供有效的物理参数和物理依据。 整个油层内在油田开采过程中由于人的干预发生着各种现象，这些现象决定着表征油 田开采效果的最重要指标一一油藏的原油采收率，即油藏开采完毕后从中采出原油数量的 百分数。依靠天然能量，特别是依靠地下原油中溶解的气体能量的所谓一次采油，其采收 率总是不高的，在15%以下，注水、注气人工补充能量的二次采油，其采收率就比一次采 油要高，约40%；显然，即使二次采油的采收率达50%，在油藏开采完毕后仍有近半数的 原油残留于地下。如何采出二次采油后残存于地下的数量仍然可观的原油，这就是近代三 次采油的任务了。三次采油乃是根据油藏流体和岩石特性，以及开采过程中油藏中所出现 的各种微观和宏观特征，更有针对性地采取化学（试剂）方法，混相驱替的方法和热力采 油等人为干预的一种强化采油措施0。 研究油水和岩石特性对油藏原油采收率的影响，开展强化采油提高油藏采收率的宝内 试验，是油藏物理的又一重要任务。 我国任丘油田的开发，为油藏物理开展碳酸盐岩石特性的研究提出了新的课题。 油藏物理是随油田开发的不断进展，在五十年代前后发展和形成的一门石油科学。它 的形成和发展大致在两方面：一是以油田开采物理原理为基础的所谓油藏工程（或其一部 分)，另一则是以强化采油提高油藏采收率为中心的所谓油藏物理化学或油田化学。 我国在五十年代也开始有了自己的油藏物理专业人员，在高等石油院校开设了油藏物 理课程，培养了相应的研究生。大庆油田的开发使我国油藏物理科学有了进-一步的发展， 其后，各油田的研究院和研究单位都相应地建立了有关油藏物理的各类实验室，开展「各 方面的油藏物理试验研究；开展了各自油田的开发试验研究，以及不同方法提高油藏原油 为了避免一一次、二次和三次采袖在概念上的混消，近代人]把采取强制手段提高原油采收率的方法统称为 强化采抽(Enhanced Oil Recovery), 1 PDG
采收率的试验研究。随试验研究的开展，即出了成果，专业人员也随之不断发展和壮大起 来。今天，油藏物理已成为我国油田开发中不可缺少的重要学科，随着四个现代化的发 展，它必将在我国油田开发工作当中起着越来越重要的作用。 油藏物理基础是高等石油院校采油专业的一门技术基础课程，它主要讲述油藏物理学 的基础内容，其中包括油藏流体高压物性和油藏岩石基本渗流特性，即这本教材第一、 二、三章的内容。此外，还对强化采油提高油藏采收率的机热和热力采油等做了扼要的介 绍。目的是使学生射油藏流体和岩石的一些基本特性有所掌握，为学习油田开发和采油等 专业课程打下基础，并为进一步从事油田开发室内试验其中包括油藏采收率的室内试验提 供条件。油藏物理是一门实验科学，因此，本课程除理论讲述外，还有相应的实验课程内 容，其目的是理论联系实际，通过实验加深对理论学习的理解，并学会有关实验的基本技 能。 本课程的主要先行课是分子物理学和物理化学，其中有些基本概念则是必要的重复， 但力图结合油气和油藏的特点，其后继课是地下流体力学，采油和油田开发，有少量内容 亦可能和这些课程有必要的重复，但在讲解这部分内容时在于说明所讲内容的应用。 粉 2 能 PDG
第一章 油藏流体的物理性质 所谓油藏流体系指储藏于地下的石油、石油伴生气（天然气）和地层水，油藏流体的 特点是处于高温、高压下，特别是其中的石油溶解有大量的烃类气体，从而使处于地下的 油藏流体的物理性质与其在地面的性质有很大的不同。显然，为了合理开发油藏、首先就 必须搞清油气水在地下的性质，及其随温度、压力的变化；进而根据这些变化，付油藏的 动态作出分析。另外，伴随油藏开采的进程，由于温度、压力的变化，油气的相态也随之 改变，与此同时，油气组成也改变。因此，要使油藏开采作到合理，对油藏的相态和油气 组成的变化也必须研究。 本章在介绍油气水高压物性的同时，主要讨论气相和液相、溶解和分离、膨张和收缩 等及其带给这些物性的变化。 第-一节天然气的高压物性 本节着重介绍与油藏开采有关的一些天然气特性，主要是天然气在高温、高压下的物 理特性，即所谓高压物性，其中包括按气体组成计算和从图版来获得这些物性参数的方 法。 一、天然气的组成 地下采出的可燃气体统称天然气。天然气是以石蜡族低分子饱和烃气体和少量非烃气 体组成的混合物。按其化学组成，甲烷(CH)占绝大部分(70~98%)，乙烷(C2H)、丙 烷(CH)、丁烷(CHo)等含量不多。此外，天然气中还含有少量的非烃类气体，如硫化 氢(HS)、有机硫（硫醇RSH、硫醚RSR等）、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、敏(N2) 及水汽(HzO);有时也含微量的稀有气体，如氨(He)和氩(Ar)等。 表1一1给出了典型的天然气组成。 表1一1典型的天然气组成 单位：体积百分数 成 分 然 气 产自油井的气 甲 烷 7098 50~92 乙 烷 1~10 5-15 痕迹~5 214 丁 烷 痕迹一2 110 : 烷 痕迹】 痕迹~5 己 烷 痕迹~0.5 痕迹一3 庚烷以上 痕迹~无 无0.5 氨 痕迹~5 二氧化碳 痕迹】 痕迹~4 疏化氢 偶然疼迹 无一痕迹一6 PDG
天然气中所含硫化氢(HS)是无色有毒的气体，对人畜有害。由于硫化氢的比重大于 1,也就是说它比空气重，故很容易在低凹处聚集。国内外都曾发生过由此而引起的硫化 氢中毒致使人畜死亡的事故。事物总是有其两面性的，当天然气中疏化氢含量较高时，也 可以为人所利用，有名的拉克气田就是以生产硫磺为主要产品而称著世界的。目前我国富 含硫化氢的气田也已为国家提供大量的硫磺产品。氨是一种稀有气体，天然气中含氨如达 1.0%(重量百分数)便可视为有工业价值。我国第一座现代化提氨工厂已在四川一气田投 产多年。天然气中还含有二氧化碳气体，如果含量高、气源足，在石油工业上可用来提高 油藏的原油采收率。 天然气组分的全分析，目前广泛采用气相色谱仪来进行。 天然气可有好几种分类方法。按矿藏分类，可分为气藏气、油藏气和凝析气藏气，气 藏气主要含甲烷，含量达80%以上，乙烷至丁烷的含量一般不大，戊烷以上的重烃或含景 甚微，或不含。油藏气也称伴生气，它包括溶解气和气顶气，它的特征是乙烷和乙烷以上 的烃类含量较气藏气高。凝析气藏采出的天然气，除含大量的甲烷外，戊烷和戊烷以上的 烃类含量也较高，即含有汽油成份。 根据汽油蒸汽的含量，天然气又可划分为富气和千气。其中汽油蒸汽含量在100克/米3 以上的称为富气，在100克/米3以下者称为干气。顾名思意，富气富含汽油蒸汽，它比汽 油蒸汽含量低的于气湿得多，故富气又称湿气。应该指出，富气和干气也有按甲烷含量和 地面油气比的大小来划分的，这里不再赘述。 另外天然气按其含硫量的多少还可以划分为净气和酸气。每1米3天然气中含硫量小 于1克者称为净气，大于1克的为酸气。 天然气的组成一般有三种表示方法，即重量组成、体积组成和摩尔组成。以摩尔组成 为例可表示如下： N yi= (1一1) 式中N;一组分的摩尔数； y,一一组分的摩尔分数，当以小数表示时，∑y:=1。 体积组成等于摩尔组成。重量组成换算成摩尔组成可通过下面的例子来说明。 〔例1一1)重量组成换算成摩尔组成的换算结果如下： 组 分 重量分数 分子 量M 承最分数/分子假 尔分数Y, p 饮 0.71 18.0 0.044 0.85 乙 烷 0.14 30.1 0.005 0.09 烷 0.09 44.1 n.002 0.04 0.06 58.1 0.001 0.02 1.00 N,=0.052 1.00 二、天然气的分子量和比重 天然气是多组分的混合气体，本身没有一个分子式，因此不能象纯气体那样，由分子 式计算出其恒定的分子量。天然气的分子量是人们假想出的分子量，即所谓视分子量。它 4 PDG
是把0℃、760毫米汞柱、体积为22.4米3的天然气所具有的重量定义为该天然气的公斤分 子量。天然气的组分不同，其分子量也不同：天然气的组分相同，而各组分含量不同时， 其分子量也不相同。因此，天然气的视分子量是根据天然气各组分含量计算出来的，即 M=EyiMi (1-2) 式中M:一组分i的分子量： y—一组分的摩尔分数， M一一天然气的视分子量。 〔例1一2〕根据例1一1的天然气摩尔组成算得的天然气分子量如下： 分 摩尔分数y: 分子量M: yiM 烷 0.e5 16.0 13.60 乙 烷 0.09 30.1 2,71 丙 0.04 44,1 1,76 T 烷 0,02 58,1 1,16 1.00 M=19.23 天然气的比重定义为：同温、同压下天然气的重度与干燥空气的重度之比。显然、其 比重是一无因次量，用符号可表示如下，即 Y=Pt (1-3) P. 式中°：和P分别为天然气和空气的重度，Y为天然气的比重。 气体比重可近似地认为是不随温度和压力变化的常数。 假设气体和空气两者的特性都遵循理想气体定律，式(1一3)可表示如下，即 MP/RT MM Y=M,P/RT=,=29 Y=M/29 (1-4) 式中M和M,其中M.=29一一分别为天然气和空气的视分子量， P和T—一分别为压力和温度： R—气体常数； Y一天然气的比重。 严格讲式(1一4)只是在天然气和空气服从理想气体定律时才是真实的，但通常天然 气的比重都可按式(1一4)来计算。显然，例1一1所给的天然气的比重为 Y=M/29=19.23/29=0.66 天然气的比重一般在0.5~0.7之间，个别含重烃或其它非烃类组分多者可能大于1。 三、天然气的状态方程 天然气的压缩状态方程是油藏工程中常用的状态方程，它可以由理想气体状态方程经 修正得到。众所周知，表征理想气体的体积与压力、温度关系的状态方程可以写成下式， PV=nRT (1-5) 式中P一气体的压力，大气压： PDG
V在压力P下的气体体积，升， T一一绝对温度，K, 丑一气体的摩尔数： R一一一通用气体常数、等于0.08205升·大气压/度·摩尔。 天然气是真实气体，它与理想气体的差别是，真实气体分子有一定的体积大小和质 量，而且分子之间有作用力；而理想气体分子则假设的是无体积大小和质量的质点，而且 分子之间也无作用力存在。显然，只有在低压下才可考虑把式(1-5)用于天然气的PVT 计算；而在高压下必须对该式进行修正，即引人一系数乙，从而得到天然气的压缩状态方 程如下， PV=ZuRT (1-6) 式中Z通常称之为压缩因子，它是给定压力和温度下，实际气体占有的体积与相同压力和 温度下的理想气体所占有的体积之比。实际气体由于分子本身具有体积，放较理想气体不 易压缩；而分子间的引力又使实际气体较理想气体易于压缩。压缩因子Z的大小拾徐反映 出这两个相反因素的综合结果。当Z值大于1时，即气体较理想气体难压缩；当Z值小于1 时，即气体较理想气体易压缩；而当Z值等于1时，实际气体则成为理想气体。乙值大小 与气体性质、温度和压力有关，通常必须用实验测出，做成图版备查，如图1一1到1一3 分别给出的是甲烷、乙烷和丙烷的压缩因子图版。 t:2 520C-40 340280 l.0 60 140 120 100 .60 1 0.6 60 70 175 1.3 280 52000 200 160 120 100 80 60 40 70 105 20350420 490 560 630 700 绝对压力，大气压 图1一1甲烷的压缩因子图版 6 邻 周 PDG
L.1 20℃ 140 320 280 240 20 0 26 0 200 240 0 400 520 20 400 320 0.1 240 2u0 70 105 360 20 490 560. 630 700 重对压力，大气压 图1一2乙烷的压缩因子图版 天然气是多组分烃类的气体混合物，它的工值可按对应状态定律求出。首先规定对应 温度T,和对应压力P如下： (1-7) P=P 式中T和P为气体所处的温度和压力；T:和P。为该气体的临界温度和临界压力。一些纯烃 和非烃气体的临界参数如表1一2所示。 对应状态定律指出，在相同的对应温度和对应压力下，所有的纯烃气体具有相同的压 缩因子。此外，对应状态定律还适用于气体和液体的许多其它物理性质。图1一1到图1一 3给出的三种纯烃气体经对应状态处理后如图1一4所示。 PDG
