第七章 油層液體物理性質(zhì) 蔡

第七章油層液體的物理性質(zhì)

油層液體的物理性質(zhì)是指處于高溫、高壓條件下原油與油田水的物理性質(zhì)。

由于高壓和大量的天然氣溶解于原油中，再加上高溫使得原油物理性質(zhì)與地面脫氣石油的物理性質(zhì)有很大的差別。

對油層液體物理性質(zhì)的研究，無論對儲量計算、油（氣）層評價，還是對油田開發(fā)設計、動態(tài)分析以及提高石油采收率都具有十分重要的意義。

石油的相對密度定義為石油的密度與同一溫度和壓力下水的密度之比，即：§1油層石油的相對密度和密度

由于石油密度與水的密度單位相同，故相對密度似為一無因次量，習慣上石油相對密度在我國和蘇聯(lián)是指latm、20℃時石油與4℃時純水單位體積的重量比，用表示。在歐美各國則以latm、60℉石油與純水單位體積的重量比，用表示。一、石油的相對密度

在商業(yè)上常以API度（AmericaPetroleumInstitute——美國石油學會）相對密度表示。它與60℉石油相對密度的關系，可用下式換算：API度式中：為：60℉時石油密度/60℉水密度時的相對密度。

已知水的API相對密度是10，而石油的API相對密度是隨60℉/60℉的相對密度（）降低而增加，因此用API度相對密度表示的好處是能明顯的表明，在一定的溫度和壓力下，隨著氣體在原油中溶解度增加，API度相對密度也增加。從華氏溫度與攝氏溫度的關系知道60℉＝15.6℃，而且4℃與15.6℃水的密度也不盡相同。因此歐美各國的相對密度與我國和蘇聯(lián)使用的相對密度（）數(shù)值是不一樣的，千萬不要把這兩者等同起來，以免造成誤差。

油層石油的密度是指單位體積油層石油的質(zhì)量。其數(shù)學表達式為：式中：——油層石油的密度（kg/L）；——油層石油的質(zhì)量（kg）；

——油層石油的體積（L）。油層石油由于溶解有大量的天然氣，因而其密度與地面脫氣石油密度相比有很大差別，通常要低百分之幾到百分之十幾，有時還更低。獲取方法實驗室測定（多數(shù)情況下）計算查圖二、石油的密度應用石油等溫壓縮系數(shù)計算高于飽和壓力時的石油密度分二步進行第一步：先算出飽和壓力下的石油密度第二步：由壓縮系數(shù)表達式求取

因壓縮過程始終為等溫過程，并以密度代替體積代入壓縮系數(shù)公式（等溫壓縮即為質(zhì)量不變情況下的體積的變化過程，故可用密度表示）（石油壓縮系數(shù)將在后面講）：

上式中壓力系數(shù)將隨壓力變化而變化，但在壓力一定的合理變化范圍內(nèi)可將壓縮系數(shù)視為不變，這樣對上式積分，為：已知泡點壓力（）與實際壓力（）相對應的值后，即可用該式計算高于泡點壓力下的液體密度影響因素

（變化規(guī)律）1、它與地層溫度關系——隨溫度的增加而下降。2、與壓力關系——以飽和壓力為界，當壓力小于飽和壓力時，由于隨壓力增加，溶解的天然氣量增加，因而石油密度減?。划攭毫Ω哂陲柡蛪毫r，由于隨壓力增加，沒有天然氣溶解，因而石油密度加大?！柡蛪毫Α?油層石油的壓縮系數(shù)

地層石油由于在一定壓力下可溶解一定量的天然氣而表現(xiàn)出具有一定的彈性，彈性大小通?？梢杂脡嚎s系數(shù)來表示。

壓縮系數(shù)是指單位體積地層石油在壓力改變一個大氣壓時體積的變化率。公式中負號表示體積的變化與壓力變化相反。

地層石油的壓縮系數(shù)主要決定于石油和天然氣的組成、溶解氣量以及壓力和溫度的條件。影響因素

（變化規(guī)律）表7-1我國和世界某些油田原油物性參數(shù)（據(jù)洪世鐸，1985）可以看出，地層油的壓縮系數(shù)和地層石油中天然氣的溶解度有密切關系，溶解度大者，其壓縮系數(shù)也大。一般地面脫氣石油的壓縮系數(shù)約4×10-5—7×10-5l/ata，而地層石油的壓縮系數(shù)約10×10-5—140×10-5l/ata。1、與天然氣在石油中的溶解度的關系2、與地層溫度的關系某井平均石油壓縮系數(shù)與溫度關系（據(jù)楊普華，1980）地層溫度平均壓縮系數(shù)（×10－51/ata）209.110524.712628.9隨溫度增加，壓縮系數(shù)是增加的。3、與地層壓力的關系。地層石油的壓縮系數(shù)不是一個定值，在不同的壓力區(qū)間，其壓縮系數(shù)也不同。當?shù)貙訅毫Υ笥陲柡蛪毫r，隨地層壓力的增加，壓縮系數(shù)減小表7-2不同壓力區(qū)間地層油的壓縮系數(shù)（據(jù)洪世鐸，1985）壓縮系數(shù)的獲取1、實驗室測定(常用)2、查圖版3、利用有關資料通過壓縮系數(shù)公式計算0.50.60.70.80.91015520飽和壓力下原油相對密度平均壓縮系數(shù)10-6

查圖版方法已知石油飽和壓力下的相對密度時可直接從左側(cè)圖版查取通過壓縮系數(shù)公式計算油層石油的壓縮系數(shù)1、將概念表達式中的體積換成密度；并表示成為定溫條件下的壓縮過程2、用對應狀態(tài)形式表達（即換算成折算壓縮系數(shù)、折算壓力、折算溫度、折算密度）若研究液態(tài)混合物，則相應地采用虛擬折算壓縮系數(shù)、壓力、溫度、折算密度：計算石油壓縮系數(shù)時采用對應狀態(tài)定律的解釋

由于影響石油壓縮系數(shù)的石油的組成，由于石油是一種混合物，因此引入折算的概念，主要是為了壓縮系數(shù)計算中消除組成的影響。關于臨界狀態(tài)的概念，在烴類體系的相態(tài)理論一章中已經(jīng)作了定義，石油的臨界狀態(tài)的含義與天然氣應該是一致的。一般地面石油的壓縮系數(shù)為（4－7）×10-5（1/ata）地層石油的壓縮系數(shù)為（10－140）×10-5（1/ata）地層石油、地層水和儲集巖的壓縮系數(shù)構(gòu)成了整個油藏的彈性能量，當?shù)貙訅毫Ω哂陲柡蛪毫r，石油就靠這部分能量采出地層中的石油，如果一個油田的地層壓力高，飽和壓力低，那么由于油藏的彈性能量大，而可采出1－2％的地下儲量。§3

油層石油的飽和壓力

地層壓力大于飽和壓力，天然氣將全部溶于石油中，并處于單相狀態(tài)，地層石油未被石油飽和，叫未飽和或欠飽和油藏當?shù)貙訅毫Φ扔陲柡蛪毫?，天然氣正好全部溶于石油，并處于單相狀態(tài)，為飽和油藏。

地層原油的飽和壓力是油層溫度下全部天然氣溶解于石油中的最小壓力，也可以說是在油層溫度下從石油中開始分離出第一批氣泡的壓力。由相態(tài)一章已知，開始分離出第一批氣泡的壓力即為泡點壓力，故飽和壓力即為泡點壓力。飽和壓力的影響因素石油的重組分越多，密度越大，其飽和壓力就越高；飽和壓力隨溫度升高而升高；天然氣的不同組分在同一石油中溶解時，飽和壓力是不同的。

飽和壓力是油藏開發(fā)的基本參數(shù)，必須在第一探批井中就認真取樣分析。在油田開發(fā)時，應注意保持地層壓力高于飽和壓力，使烴類以單相形式流動，否則將會增加油流的毛細管阻力（賈敏效應），降低原油的采收率。飽和壓力的應用1、可用飽和壓力計算油藏形成的時間2、進行油氣運移研究。

根據(jù)油藏飽和壓力值不同，可以確定油氣運移的方向，演化程度低的原油，重質(zhì)組分高，粘度、密度大，因而飽和壓力高，演化程度高的原油，輕組分含量高，粘度、密度小，飽和壓力值低，因此油藏飽和壓力降低的方向就是原油運移的方向?qū)嶒炇矣糜嬃勘眠M行油氣系統(tǒng)的降壓脫氣，根據(jù)脫氣時的P-V關系，可做成曲線，再根據(jù)曲線的拐點（單相轉(zhuǎn)化為二相）可求出系統(tǒng)的飽和壓力飽和壓力飽和壓力的確定第七章油層液體的物理性質(zhì)§4油層石油體積系數(shù)地層石油以飽和壓力為界，分為單相石油體積系數(shù)和兩相石油體積系數(shù)。目前地層壓力下脫出的氣體體積地層壓力降低一、單相石油體積系數(shù)地層石油單相體積系數(shù)是指地層壓力高于或等于飽和壓力時，地層石油的體積與地面脫氣石油體積之比值。其數(shù)學表達式為：

——地層單相石油體積系數(shù)（以小數(shù)表示）；

——地層單相石油體積（）；

——同一石油在地面脫氣后的體積（）。表示石油體積變化的指標的另一概念-------收縮率收縮率的定義是l的石油采到地面以后，經(jīng)過脫氣體積收縮的百分數(shù)。式中：——地下石油的收縮率（％）。

地層石油的體積系數(shù)主要與溶解氣量的多少有關，另外與壓力、溫度和脫氣方式有關影響因素表7-4某些油田的溶解氣量和體積系數(shù)1、與溶解氣量有關地層石油溶解的天然氣量越多，體積系數(shù)就越大。

當壓力小于飽和壓力時，隨著壓力的增加，溶解于石油中的氣量也隨之增加，故地層石油的體積系數(shù)隨壓力的增高而增大。

當壓力等于飽和壓力時，溶解于石油中的天然氣量最多，這時地層石油的體積系數(shù)最大。當壓力大于飽和壓力時，隨著壓力的增加石油受到壓縮，因而地下石油的體積系數(shù)將隨著壓力的增加而減小。2、壓力的影響單相3、溫度的影響在壓力一定時，不同溫度下體積系數(shù)4、脫氣方式的影響一次脫氣的體積系數(shù)大于級次脫氣的體積系數(shù)。溫度越高，體積系數(shù)越大獲取方法實驗室測定、計算、查圖（——常用）查圖法（斯坦丁諾模圖）必須已知1、生產(chǎn)油氣比2、氣體相對密度3、儲罐油相對密度4、油層溫度1、按已知油氣比作水平線，交天然氣相對密度線上一點；2、從該點作垂線交石油相對密度線上一點；3、從該點作水平線與溫度線相交4、從該點作垂線交體積系數(shù)坐標上一點，為所求。

該方法在查圖表時所用的油氣比是氣體在泡點壓力下的溶解度，所以油層壓力必須等于泡點壓力，因此實際上求取的是飽和壓力情況下的石油體積系數(shù)。

如果油層壓力低于泡點，一部分采出氣體可能來自于油層中的游離氣體，這樣采用生產(chǎn)油氣比并用斯坦丁諾模圖獲取的體積系數(shù)就會導致誤差。高于泡點壓力下油層石油的體積系數(shù)的計算

高于泡點壓力的油層，其體積系數(shù)要小于泡點壓力的石油體積系數(shù)（泡點壓力的體積系數(shù)最大，因為氣體的溶解度最大），在這種情況下，影響體積系數(shù)的唯一因素是油層壓力，此時，可先算出油層溫度下泡點壓力的石油的體積系數(shù)（見上），然后再用求等溫壓縮系數(shù)的方法將其折算到更高壓力下的體積系數(shù)，即采用下式計算當?shù)貙訅毫档偷斤柡蛪毫σ韵聲r，地下石油體積的變化可以分為三個階段當壓力下降到飽和壓力以下時，析出大量溶解氣，油藏中石油處于兩相狀態(tài)時，則需要用兩相石油體積系數(shù)來進行描述。二、油層石油的兩相體積系數(shù)目前地層壓力下脫出的氣體體積地層壓力降低兩相石油體積系數(shù)定義為：當油層壓力低于飽和壓力時，地層石油和析出氣體的總體積與在地面脫氣石油體積的比值。即：

u——兩相石油體積系數(shù)（以小數(shù)表示）；

Rsi、Rst

——分別為原始和目前地層壓力下天然氣在石油中溶解度（m3/m3）；

Bg

——目前地層壓力下天然氣體積系數(shù)（小數(shù)）；

Vos——地面脫氣石油體積

(Rsi-Rst)VosBg

——表示在目前地層壓力下所析出的天然氣體積（m3）。兩相石油體積系數(shù)隨壓力的變化規(guī)律獲取方法實驗室測定計算查圖第七章油層液體的物理性質(zhì)§5油層石油的粘度石油的粘度（動力粘度）：石油在流動過程中內(nèi)部的摩擦阻力的量度。

——石油的動力粘度，也叫石油的絕對粘度（Pa·s）。

——石油的運動粘度（m2/s）；

——石油密度（kg/m3

）。運動粘度：就是動力粘度與密度的比值。僅在流體動力學計算中使用油田名稱地層油粘度×10－3Pa·s油田名稱地層油粘度×10－3Pa·s大慶油田P層9.3東德克薩斯油田（美）0.93大港油田西一區(qū)44井M層13.3帕賓那油田（加拿大）1.09孤島油田渤26－13井G層14.23哈西邁烏德油田（阿爾及利亞）0.65臨盤油田S3層0.52威明頓油田（美）70任丘油田任4井11.43哼哼頓油田（美）20-400國內(nèi)外一些油田地下原油粘度石油粘度決定了地下石油在油層中的流動能力，因此降低粘度（降粘）對提高油井產(chǎn)能和石油采收率很有意義的。

地層石油的粘度取決于它的化學組成、溶解氣的含量以及溫度和壓力的條件。它的變化范圍很大，可從零點幾mPa.s到成百上千mPa.s。原油中重烴、非烴含量（膠質(zhì)與瀝青含量）多，就增大了液層分子的內(nèi)摩擦力，從而使石油的粘度增大。表7-6大慶、勝利油田脫氣原油粘度與瀝青、膠質(zhì)含量對比關系（據(jù)楊普華，1980）1、石油的化學組成

由于氣體溶解在液體中，使液體分子間引力部分地變?yōu)闅怏w分子引力，從而使分子引力大大減少，因之液層的內(nèi)部摩擦阻力也減少，粘度也就隨之下降。原油中溶解氣量越多，粘度就越低。2、石油中溶解氣量3、溶解氣的化學組成當溶有烴類氣體時，氣體分子量越小，石油的粘度也降低得多。但如石油中溶有氮氣時，就會使石油的粘度急劇增大。4、地層溫度由于溫度增加，液體分子運動速度增加，液體分子引力減小，因而粘度降低。熱力采油法提高石油采收率的主要機理就是以溫度增高能大幅度降低原油粘度為基礎的。5、地層壓力在溫度一定時，當壓力低于飽和壓力時，隨著壓力的增大，油中溶解氣量增加，地層油粘度急劇下降；當壓力高于飽和壓力時，壓力增加使石油密度增大，液層內(nèi)部摩擦阻力增大，因而粘度增加。溫度為18度時的飽和壓力獲取方法實驗室測定當壓力等于飽和壓力時，可以使用圖7-15、7-16直接查出。已知：1、原油相對密度

2、油層溫度

3、油層壓力條件下溶解氣量計算查圖查圖方法步驟：1、根據(jù)原油相對密度和油層溫度查取油層溫度條件下的地面脫氣原油粘度由于石油組成變化大，用此圖表查出的粘度偏差有時達25％。第二步：根據(jù)地層壓力條件下溶解氣量和油層溫度下脫氣原油粘度查取油層溫壓下原油粘度當?shù)貙訅毫Τ^飽和壓力時，計算粘度可查圖7-17。已知：1、飽和壓力時的原油粘度地飽壓差＝地層壓力－飽和壓力這時計算的石油粘度較精確，其誤差3％。實驗室粘度測定的常用儀器有：1、落球粘度計2、高壓毛細管粘度計3、電磁粘度計1、油田開發(fā)初期，采用彈性方式開采，地層壓力在較長時間低于飽和壓力，油層脫氣，使得原油中低碳鏈組分減少，原油粘度增加。2、注冷水開發(fā)時，地層溫度下降使得原油粘度增加。3、注入水