油层物理-储层岩石的物理特性.ppt

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1、EOR DEPARTMENT,油 层 物 理,1、基本概念,绪 论,油层：指储存原油的地层，包括储存原油的岩石和岩石中的流体两部分。,油藏：是指单一圈闭中具有同一压力系统的油的聚积。它可以看成是地下独立的储油容器，具有独立的水动力学系统。一个油藏可由一个或多个油层组成。,油田：一般从行政管理角度定义。,油层物理是研究储层岩石、岩石中的流体（油、气、水）以及流体在岩石微小孔道中渗流机理的一门学科。,储运工程,油藏工程,对整个油气藏的认识,Gas,Oil,Water,取一小块岩心出来研究,用户,采油工程,WOC,GOC,2、研究内容,（2）储层流体的物理性质 孔隙中的油、气、水在高压下的物理性质及

2、相态变化规律。,（1）储层岩石的物理性质 研究岩石的固体骨架性质。如粒度组成、比面、储液性、可渗性等等。,绪 论,3、油层物理的发展历史,绪 论,19世纪30年代人们经过漫长的实践、摸索和研究，油藏有了初步的认识，油层物理学开始有了初步发展。,1933年，美国人G.H.法奇首先进行了流体性质和测试技术研究，第一届世界石油大会在伦敦召开。,1934年，R.D.乌索夫和M.马斯盖特等在达西定律基础上研究了测量岩样渗透率的方法。,50年代，卡佳霍夫教授写了油层物理基础，标志着这一学科的形成，并且从采油工程学科中分离出来。,1949年，美国的M.马斯盖特写了采油物理原理。,绪 论,1935年，薛尔绍斯

3、研究了井底取样器和测量样品物理性质的方法。包括：压力-体积-温度之间的关系，饱和度、饱和压力、油中的溶解气量。,60年代大庆油田、胜利油田的开发使我国油层物理学科有了进一步发展。,目前已经初步形成了比较完善的理论体系，在常规岩心分析、专项岩心分析、提高采收率实验、地层流体与储层敏感性分析、微观可视化方面具有成熟的分析方法。,绪 论,4、本门课程的特点,（1）基本概念、规律多，不容易理解；,（2）知识涉及面广，横跨多个学科；,（3）侧重于室内实验。,高压、高温驱油装置,室内驱油装置,从英国引进的界面流变仪CIR-100&CIR-LT,ISCO公司引进的高压精密注射泵,5、油层物理与其它课的关系,

4、绪 论,普通地质学,岩石学,物理化学,流体力学,油藏工程,钻井工程,油 层 物 理,渗流力学,提高采收率,勘探工程,6、参考教材,油气层物理学 张博金编 武汉地质学院 1984年；油层物理 罗蛰潭编 地质出版社 1985年；油藏物理 洪世铎编 石油工业出版社 1985年；油层物理 何更生编 西南石油学院 1991年。,绪 论,第一章 储层岩石的物理性质,第一节 储层岩石的骨架性质,第二节 储层岩石的孔隙结构及孔隙度,第三节 储层岩石的渗透率,第四节 渗透率和其它岩石物性关系,第五节 储层流体的饱和度,第六节 储层岩性参数的平均值,第七节 储层岩石的敏感性,本节重点：1、粒度组成、比面的概念2、

5、粒度参数：分选系数、不均匀系数,本节难点：1、粒度分析方法：筛析法、沉降法2、粒度组成累积分布曲线及粒度参数的求解3、比面的测定方法及估算方法,第一节 储层岩石的骨架性质,沉积岩,基础知识：,第一节 储层岩石的粒度组成和比面,第一节 储层岩石的物理性质,粒度：,1、粒度、粒度组成的概念,粒度组成：,指颗粒的大小，通常用粒级来表示。,指构成岩石的各种大小不同的颗粒的含量，通常以百分数表示。,一、岩石的粒度组成,砂岩粒级分类,2、粒度组成分析方法 定义：采用一定的机械的或物理的方法测定出岩石中不同大 小颗粒的含量。,岩石的粒度组成通常采用筛析法和水力沉降法来分析。（1）筛析法：原理：用成套筛子对捣

6、碎岩石颗粒进行筛析（适用于直径0.05mm以上的颗粒组分。主要用于砂岩分析,筛子的筛孔有两种表示方法：一种是以英制每英寸长度上筛孔数表示，称为目或号；另一种则是以毫米直接来表示筛孔孔眼的大小。,2、粒度组成分析方法,某岩样的粒度组成,2、粒度组成分析方法,（2）水力沉降法：主要用于粉沙岩和泥质粉沙岩分析,2、粒度组成分析方法,原理：基于大小不同的颗粒在粘性液体中沉降速度不同进行分离。,颗粒直径大小可按照斯托克斯公式计算，即,2、粒度组成分析方法,在推导该公式时，斯托克斯曾作了一些假设：假设颗粒为球型；颗粒在粘性和不可压缩液体中运动，十分缓慢；颗粒坚硬，且表面光滑；颗粒沉降以常速进行；在运动着的

7、颗粒与分散介质之间界面上，不发生滑动。,2、粒度组成分析方法,若固体颗粒的粘滞阻力为：,当颗粒直径为 50100m时，具有足够的精度。,筛析法和水力沉降法所求得的粒径并不是定值而是一个平均值，即,思考：,（1）如此理想的假设条件，斯托克斯公式是否具有实用价值？,（2）筛析法和水力沉降法所得颗粒直径是否为准确值？,2、粒度组成分析方法,*3、颗粒分析新技术,对于较致密的细粒岩石，还可以制成岩石薄片用显微镜观测或图像分析仪器测定其粒度组成。近年来国内外研制和使用了多种基于光学原理的颗粒直径测定方法和仪器。,扫描电镜图像,铸体薄片图像,4、粒度组成的表示方法,（1）数字列表法,（2）作图法,d.曲线

8、尖峰越靠右，说明岩石颗粒越粗。,一般储油砂岩颗粒的大小均在10.01mm之间。,a.曲线表示了各种粒径的颗粒所占的百分数，可用它来确定任一粒级在岩石中的含量；,b.曲线尖峰的位置表示含量最多的颗粒直径的大小；,c.曲线的尖峰越高颗粒分布越均匀，说明该岩石以某一粒径颗粒为主；,4、粒度组成的表示方法,粒度组成累积分布曲线上升段直线越陡直，说明岩石越均匀。该曲线的最大用处是可以根据曲线上的一些特征点求得粒度参数，进而从定量上来表示岩石粒度组成的均匀性。,粒度组成累积分布曲线,4、粒度组成的表示方法,(3)分选系数：,a2.4 不均匀,a=12.4 均匀,5、粒度参数,(1)粒度中值(d50)：,在

9、累积分布曲线上相应累积重量百分数为50%的颗粒直径。,指累积分布曲线上某两个重量百分数所代表的颗粒直径之比值。常用累积重量60%的颗粒直径d60与累积重量10%的颗粒直径d10之比，即：,代表碎屑物质在沉积过程中的分选的好坏，即表示颗粒大小集中的程度。,(2)不均匀系数n：,欧美国家常以累积重量25%、50%、75%三个特征点即：,S=11.5，分选好；S=2.54.5，分选中等；S4.5，分选差。,（4）标准偏差：由福克、沃德提出，用来划分岩石的分选性的等级。,5、粒度参数,（5）偏度：,对称，Skp=0,粗偏度，Skp0,粗偏度，Skp0,又称歪度，指粒度组成分布偏于粗颗粒或细颗粒。,5、

10、粒度参数,（7）颗粒等效直径,（6）峰态,量度粒度组成分布曲线陡峭程度，即量度分布曲线的两个尾部颗粒直径的展幅与中央展幅的比值。,假想土壤模型：等径球形颗粒所组成的模型。,5、粒度参数,其中，def：颗粒的等效直径；gi：第i组分砂子的重量百分数；di：表征第i组分的颗粒平均直径。,公式如下：,假想土壤模型的颗粒直径代替真实岩石的粒度组成后，假想土壤模型所产生的渗滤阻力与真实岩石所产生的阻力相同，满足于这样条件的假想土壤模型的颗粒直径就称为“颗粒等效直径”。,5、粒度参数,（7）颗粒等效直径,思考：碳酸盐岩为什么不考虑粒度问题？,骨架颗粒、胶结物及孔隙充填物基本上都是相同物质，无法将它们分为单

11、个颗粒。,5、粒度参数,二、岩石的比面,1、比面的概念,V,A,S,=,式中：S:岩石比面，cm2/cm3,m2/m3等 A:岩石颗粒的总表面积或岩石孔隙的总表面积，cm3 V:岩石外表体积（或视体积），cm3,岩石中的细颗粒越多，它的比面就越大，反之，就越小。也就是说，岩石比面越大，说明其骨架的分散程度越大，颗粒越细。,单位体积岩石内岩石骨架的总表面积或单位体积岩石内总孔隙的内表面积。,式中：S:以岩石外表体积为基准的比面，cm2/cm3；Ss:以岩石骨架体积为基准的比面，cm2/cm3；Sp:以岩石孔隙体积为基准的比面，cm2/cm3；,按以上三种不同体积定义的比面有如下关系：,此外，在有

12、关比面的定义中，分母也有采用“单位重量”来定义比面的。如，对于砂岩按单位重量定义的比面为5005000cm2/g对于页岩为100 m2/g（1000000cm2/g）。,2、比面的其它定义方法,(2)影响渗透率,(3)影响孔隙表面吸附量,(4)影响离子交换的能力,(5)影响束缚水含量,(1)岩石分类和对比指标,3、研究比面的意义,砂岩 S2300 cm2/cm3(粒径0.10.01mm),S越大，K越小泥质砂岩、粉砂岩渗透率很低,4、比面的测定方法,（1）透过法,（2）吸附法,5、由岩石粒度组成资料估算比面,第一步：假设单位体积球形颗粒组合中，有N个直径为d的颗粒，则每个球形颗粒的表面积为,体

13、积Vi为,该法适用于胶结疏松或不含粘土颗粒的岩石。,又设单位体积岩石孔隙总体积为1，则该岩石中颗粒所占的体积,，则单位体积岩石颗粒的数量为，,即比面积为,第二步：由于实际岩心是由不同直径的球形颗粒组成，根据粒度组成的资料求比面。,若单位体积岩石中颗粒组成,每种直径的岩石颗粒的总表面,粒径为d2者占G2%,粒径为dn者占Gn%,粒径为d1者占G1%，,第三步：由于岩石颗粒不完全为球形，为了近似的符合实际情况，引入一个颗粒形状校正系数C，则,C值由实验确定，通常C=1.21.4。对球度好的颗粒取用较小的C值；对带棱角而非常不圆的颗粒取较大的C值。,把所有颗粒表面积加起来即得到该颗粒组成的岩石比面为

14、：,第二节 储层岩石的孔隙结构及孔隙性,本节重点：1、孔隙类型、孔隙结构参数、孔隙度、地层压缩系数的概念2、孔隙度大小的影响因素,本节难点：1、孔隙度的测定原理2、地层综合弹性系数计算公式的推导,一、储层岩石的孔隙结构,储层孔隙：岩石中未被固体物质充填的空间。,孔隙结构：岩石的孔隙类型、孔隙大小和分布、形态、连通关系、孔隙表面粗糙度等因素的综合。,概念：,1、孔隙类型和组合关系,（2）按不同组合关系分类a.具有一种孔隙的介质称为单纯介质：孔隙、裂缝、溶洞；,一、储层岩石的孔隙结构,b.具有两种孔隙的介质称为双重介质：孔隙裂缝；,c.具有多种孔隙的介质称为多重介质：孔隙溶洞裂缝。,（1）按成因分

15、类,（3）Meinzer分类（1942）,一、储层岩石的孔隙结构,2、孔隙的大小及其分选性,（2）孔隙大小表示方法：列表法和作图法,（1）孔隙大小分布测定：毛管压力曲线,一、储层岩石的孔隙结构,曲线越陡，孔隙大小越均匀,一、储层岩石的孔隙结构,b.偏度：又称歪度，指孔隙大小分布偏于粗孔径或细孔径。,Skp值在1之间变化，正值表示曲线偏于粗孔径为粗歪度；负值表示曲线偏于细孔径为细歪度。,c.峰态：量度粒度组成分布曲线陡峭程度。量度分布曲线的两个尾部颗粒直径的展幅与中央展幅的比值。,a.分选系数：,（3）常用定量表征参数,一、储层岩石的孔隙结构,Kp1,Kp=1,Kp1,思考：如图a、b、c所示，

16、试分析孔隙分布规律,Skp1,Skp=1,Skp1,a.孔隙、喉道直径：能通过孔隙、喉道的最大球形直径；,b.孔喉比：孔隙与喉道直径的比值，即d1/d2；,3、孔隙结构参数,一、储层岩石的孔隙结构,d.迂曲度：用以描述孔隙弯曲程度的一个参数。是流体质点实际流经的路程长度和岩石外观长度之比值，即L2/l1，通常处在1.22.5之间。,c.配位数：每个孔道所连通的喉道数。如一个孔道与三个喉道相连，则配位数为3，一般砂岩的配位数为215之间；,一、储层岩石的孔隙结构,4、孔隙简化模型,（4）概率模型,（1）等直径球形颗粒模型,（2）假想毛管束模型,（3）网状模型,一、储层岩石的孔隙结构,等径毛管模型

17、 变径毛管模型,5、孔隙大小分布的测定方法,（1）半渗透隔板法,岩石,一、储层岩石的孔隙结构,（2）压汞法,a.常规压汞法,一、储层岩石的孔隙结构,*b、恒速压汞法,恒速进汞过程,一、储层岩石的孔隙结构,一、储层岩石的孔隙结构,恒速压汞测试结果,5、孔隙大小分布的测定方法,（3）离心机法（4）吸附法（5）图象分析法,一、储层岩石的孔隙结构,铸体显微图像,荧光照片,正交偏光照片,二、岩石孔隙度的概念,1、孔隙度的定义,储层的孔隙度越大，能容纳流体的数量就越多，储集性能就越好,指岩石中孔隙体积Vp（或岩石中未被固体物质充填的空间体积）与岩石总体积Vb的比值。,二、岩石孔隙度的概念,基质体积：Vs,

18、孔隙体积：Vp,总体积：Vb,2、孔隙分类,（1）按孔隙大小,a.超毛管孔隙：孔径0.5mm或裂缝宽度0.25mm，流体在重力作用下可自由流动。岩石中的大裂缝、溶洞及未胶结或胶结疏松的砂层孔隙多属此类。,b.毛细管孔隙：0.0002mm孔径0.5mm，裂缝宽度介于0.25mm0.0001mm之间由于毛细管的作用，液体不能自由流动，一般砂岩孔隙属此类。,c.微毛管孔隙：孔径0.0002mm或缝宽0.0001mm，分子间引力很大，要使流体在孔隙中移动，需要非常高的压力梯度，这在油层条件下一般无法达到，实际上液体是不能沿微毛细管移动的。,（2）按连通状况 连通孔隙（敞开孔隙）不连通孔隙（封闭孔隙）,

19、（3）按流动情况 有效孔隙（参与渗流）无效孔隙（不参与渗流）,二、岩石孔隙度的概念,（1）岩石的绝对孔隙度：岩石的总孔隙体积Va与外表体积Vb之比。,（2）岩石的有效孔隙度：岩石的有效孔隙体积Ve与外表体积Vb之比。,（3）岩石的流动孔隙度f：指在含油岩石中，油能在其内流动的孔隙体积Vf与岩石外表体积Vb之比。,3、不同孔隙度的概念,二、岩石孔隙度的概念,注意：（1）流动孔隙度排除了死孔隙，毛管力所束缚的液体、颗粒表面上液体薄膜的体积；,（4）有效孔隙度用于计算地质储量，流动孔隙度可用来计算可采储量，通常把有效孔隙度称为孔隙度。,（3）三者之间的关系：aef；,（2）流动孔隙度与地层中的压力梯

20、度和流体的性质有关。流动孔隙度在数值上是不确定的，但在油田开发分析中，具有一定的实际价值；,二、岩石孔隙度的概念,砂岩储层：530之间，一般1020。碳酸盐储层：一般小于5。,莱复生按孔隙度的大小，将砂岩储层分为五级：,4、孔隙度的分级,二、岩石孔隙度的概念,5、孔隙度的影响因素,假想土壤孔隙度计算公式（斯利赫特）：,不受孔隙大小影响,二、岩石孔隙度的概念,5、孔隙度的影响因素,（1）颗粒排列方式、大小、形状：颗粒大小相近的疏松砂岩，一般是颗粒越小，孔隙度越大，颗粒形状不规则，孔隙就越大。,（2）颗粒尺寸的非均匀性：分选性,（3）胶结物含量、胶结方式、压实程度,（4）岩性（砂岩 1020%，碳

21、酸盐岩5%）,二、岩石孔隙度的概念,三、双重孔隙度的概念,1、双重孔隙介质,在裂缝系统中，总孔隙度为,基质孔隙体积/岩石外表体积,裂缝孔隙体积/岩石外表体积,对实际岩心，实验测定的岩心都是裂缝岩石的基质部分，因此常用基质孔隙度,基质孔隙体积/基质总体积,三、双重孔隙度的概念,2、双重孔隙度计算,岩石的总体积=1,基质体积=1,若岩石的外表体积为1，则基质孔隙体积为,则总孔隙体积为,三、双重孔隙度的概念,四、岩石孔隙度的测定方法,1、孔隙度测量方法,直接法（室内直接测量）,间接法（测井方法）,2、室内测量法,基本原理：,（1）岩石外表体积的测量方法,a.直接法,适用范围：胶结较好，钻切过程不垮、

22、不碎的岩石。,D：岩石直径L：岩石长度,b.封蜡法,适用范围：疏松的易垮、易碎的岩石。,四、岩石孔隙度的测定方法,：封蜡前重量,：封蜡后重量,：封蜡后在液体中重量,：水的密度,：蜡的密度,c.饱和煤油法,d.水银法,适用范围：外表不规则岩石，强水敏岩石。,适用范围：外表不规则岩石。,四、岩石孔隙度的测定方法,（2）岩石孔隙体积的测量方法,a.气体孔隙度仪,原理：波义尔定律,四、岩石孔隙度的测定方法,(3)岩石颗粒体积的测量方法,b.饱和煤油法,c.流体加和法,a.气体孔隙度仪,b.固体比重计,四、岩石孔隙度的测定方法,五、储层岩石的压缩系数,自喷采油的驱动机理？,由于压力降低时，孔隙体积缩小，

23、使油不断地从油层中流出，因此，从驱油角度讲，这是驱油的动力，它驱使地层岩石孔隙内的流体流向井底。岩石压缩系数的大小，表示了岩石弹性驱油能力的大小，也称为岩石弹性压缩系数。,所谓压缩系数是指油层压力每降低一个大气压时，单位体积岩石内孔隙体积的变化值。,1、岩石压缩系数,五、储层岩石的压缩系数,2、综合弹性系数,概念：地层压力每降低一个大气压时，单位体积岩石中孔隙及流体总的体积变化。,令：,得到,五、储层岩石的压缩系数,(1)岩石的压缩系数一般为1-210-5（1/大气压），流体的压缩系数可取为410-5（1/大气压）。,(2)岩石的压缩系数还可以定义为油层压力每降低一个大气压时，对单位孔隙体积而

24、言的孔隙体积变化值，表达式为：,注意：,二者的关系为：,五、储层岩石的压缩系数,第三节 储层岩石的渗透率,本节重点：1、达西定律及适用条件2、滑脱效应、气测渗透率公式,本节难点：1、渗透率的单位2、气测渗透率的原理3、非达西渗流现象4、裂缝岩石渗透率的推导,第三节 储层岩石的渗透率,未胶结沙子,1856年，法国工程师达西研究了水通过砂虑器的流动问题，得到了关系式：,回顾：,k：比例系数,A：渗流面积,目前的测量方法：,第三节 储层岩石的渗透率,单位时间内，通过岩心的流体体积Q与岩心两端压差P及岩心的横截面积A成正比；与岩心长度L及流体粘度成反比。,K：为岩石的绝对渗透率(岩石本身固有的性质）,

25、1、达西定律,一、达西定律,或,设有一块砂岩岩心，长度L=3cm，截面积A=2cm2，只有粘度为1cp的盐水通过，在压差2个大气压下通过岩心的流量Q=0.5cm3/s，求此时岩石的渗透率。,若用粘度为3cp的油通过时，在同样压差下，流过岩石的流量为Q=0.167cm3/s，此时的渗透率又如何变化？,绝对渗透率是岩石本身固有的性质，与同其它因素无关。,一、达西定律,圆管两端的压力为：,渗流阻力为：,流体受力平衡：,根据,得到:,受力分析：,：岩石结构参数,一、达西定律,（1）岩石被单相、不可压缩流体饱和，处于稳定流状态；,2、测量绝对渗透率须符合以下条件,（2）可推广到多孔介质的多相流动。,3、

26、重要性,（2）流体不与岩石发生物理或化学作用；,（3）线性渗流规律；,（1）多孔介质渗流的基础理论；,一、达西定律,粘度为1cP的流体完全饱和岩石孔隙，在1大气压的压差下以层流方式通过横截面积为1cm2，长为1cm的岩样，其流量为1cm3/s,则该岩石的渗透率即为1达西,通常用D来表示。,4、渗透率的单位,在国际单位制中，渗透率单位用m2，1D=1m2 实际岩石的渗透率很低，常用mD或10-3m2。,一、达西定律,物理大气压：1atm=0.101325 MPa=1.01325105Pa 1D=0.986910-8cm2=0.9869m2工程大气压：1at=0.9869105Pa 1D=1.01

27、9710-8cm2=1.0197m2,量纲分析法:,6、不同压力标准下的渗透率单位,一、达西定律,5、渗透率的单位是面积因次,*7、非达西渗流现象,用雷诺数来判断：,两种状态：高速非达西渗流低速非达西渗流,一、达西定律,二、岩石渗透率的测定,1.气测渗透率公式,a.原理：气测渗透率的理论基础是达西定律,b.存在的问题：,液体测量渗透率存在那些问题？,气体的体积随压力和温度变化而变化。在岩心沿长度每一断面的压力均不相同，因此，进入岩心的气体体积流量在岩心各点上是变化的，沿着压降方向不断膨胀、增大。,解决方法：,由达西公式的微分方程,波义耳-马略特定律,二、岩石渗透率的测定,（1）,（2）,二、岩

28、石渗透率的测定,整理得,（3）代入（1）得,（2）式整理得,分离变量积分得,（3）,（4）,（5）,（6）,2、气测渗透率的规律,（1）同一岩心、气体条件下，采用不同的平均压力所测得的渗透率不同；,（3）同一岩心，不同气体所测得的渗透率和平均压力的直线交纵轴于一点。,（2）同一岩心，不同气体，在相同平均压力下所测得的渗透率不同；,二、岩石渗透率的测定,4）同一种气体在不同的压力下测得的渗透率不同。,3、气测渗透率的特征,1）气测渗透率大于液测渗透率；,2）平均压力越小，测得的ka越大；,3）不同的气体测得的渗透率不同，气体的分子量越小，测得的ka越大；,二、岩石渗透率的测定,液体流动时，在管壁

29、处的流速为零，气体在孔隙中流动时，管壁处仍有流速，称为气体的滑动效应,也叫克氏效应。,b：滑脱系数或滑脱因子，取决于气体性质和岩石孔隙结构。,式中,4、滑脱效应,二、岩石渗透率的测定,5、滑脱现象校正方法,（2）经验公式,（1）实验曲线校正,伊弗莱法:,二、岩石渗透率的测定,其中,测量压力在1大气压附近时,三、影响岩石渗透率的因素,（1）岩石颗粒大小、胶结物含量、分选性；,（2）储层的方向性，岩石的渗透率是各向异性的；,（3）岩石孔道的迂曲度和内壁粗糙度；,（4）粘土矿物产状：分散型、薄膜型、桥式；,*四、裂缝岩石的渗透率,液体流经不大的裂缝，流量为,根据达西定律得,若W的单位为mm，k为D,

30、裂缝的渗透率可按下式计算,单个裂缝渗透率公式,裂缝孔隙度为,流过单位长度裂缝的液体流量为,式中b为裂缝宽度,在裂缝长度为L时，岩石渗滤面积内的总流量为,整理得,根据达西定律,得到,若通过存在多个裂缝的岩心呢？,（1）孔隙裂缝储层渗透率的计算？,（2）溶洞渗透率？,r圆孔半径，cmK溶洞的渗透率，um2,思考:,五、岩石渗透率的求取,1、渗透率测量方法,直接法（室内直接测量）,间接法（测井方法）,a、常规小岩心的渗透率测定,（1）室内直接测量,b、全直径岩心的渗透率测定,水平渗透率,垂直渗透率,径向渗透率,五、岩石渗透率的求取,（2）测井方法,a.利用测井资料估算渗透率,b.按平均孔隙半径和孔隙

31、度计算,第四节 渗透率和其它岩石物性关系,本节重点：1、泊稷叶定律;2、渗透率与比面、孔隙度之间的关系。,本节难点：1、毛管渗流定律的推导；2、半渗透隔板法的基本原理；3、压汞法的基本原理。,第四节 渗透率和其它岩石物性关系,储层岩石的孔隙度、渗透率、比面都是表示岩石渗流特性的参数，它们之间必然存在一定联系，但由于岩石孔道结构复杂多样，很难得出一个普遍性的定量关系。,A,真实岩石 假想岩石,L,L,一、毛管渗流定律,任意取出一根长为L，内壁半径为r0的毛细管，其中有粘度为的流体，在压差为p1-p2的作用下做层流。,粘滞力的大小可由牛顿内摩擦定律表示，即：,式中，F：粘滞力；A：同心液筒柱的表面

32、积，A=2rL；dv/dx：速度梯度。,作用在一半径为r 的液筒上的粘滞力为,受力平衡,整理得,一、毛管渗流定律,积分得,根据边界条件,得到,整理得到,通过所用单元筒的流量为,积分得,对任意半径有,泊稷叶定律,二、渗透率和孔隙半径的关系,设单位面积内有n根半径为r的毛管，其余尺寸、流体性质和外加压差与真实岩石相同。,因为岩石的孔隙度变化范围很小，而孔隙半径的变化范围较大，决定岩石渗透率的主要因素是孔隙半径。,流量为,达西定律,流量相等,根据,得到,1、渗透率与孔隙半径的关系,2、孔隙半径分布的测定：,（2）压汞法,（1）半渗透隔板法,二、渗透率和孔隙半径的关系,孔隙大小分布试验结果,三、渗透率

33、和比面的关系,根据比面定义有,孔隙度为,整理得,移项得,把r代入得,这就是表征K与S关系的高才尼方程。k称为高才尼常数。,引入高才尼常数的意义在于对假想岩石长度进行了修正；,引入修正系数k,实际岩石孔道是弯弯曲曲的，所以岩石孔道的实际长度与假想岩石的长度不等。,考虑不同比面有,三、渗透率和比面的关系,本节重点：1、原始含油饱和度；2、束缚水饱和度（原生水）；3、剩余油饱和度、残余油饱和度。,本节难点：1、束缚水饱和度的概念及形式；2、流体饱和度的测定。,第五节 储层流体的饱和度,一、流体的饱和度,定义：就是单位孔隙体积内,某种流体所占体积的百分数。,当岩石孔隙中，油、水同时存在时，Sw+So=

34、1当岩石孔隙中，油、气、水同时存在时，Sw+So+Sg=1,二、几个重要的饱和度概念,1、原始含油饱和度:Soi,油藏投入开发以前所测出的储层岩石孔隙空间中原始含油体积Voi与岩石孔隙体积Vp的比值，称为原始含油饱和度。,2.束缚水饱和度（SWC）,a.束缚水（原生水、共存水、残余水）受孔隙结构和表面性质等因素影响,存在于油层中不能流动的水。,b.油藏岩石单位孔隙体积中束缚水所占的体积百分数。,二、几个重要的饱和度概念,c.束缚水的存在形式,d.束缚水在油田开发中的意义,i.估算原始地质储量,束缚水分布示意图,二、几个重要的饱和度概念,3.目前油、气、水饱和度,指在油田开发的不同时期，不同阶段

35、所测得的油、气、水饱和度，也称含油、含气、含水饱和度。,4.残余油饱和度Sor,a.残余油：随着油田开发油层能量的衰竭，即使是经过注水，还会在地层孔隙中存在这尚未驱尽的原油，这种油称为剩余油或残余油。,b.残余油饱和度：残余油在岩石孔隙中所占的体积百分数称为剩余油饱和度或残余油饱和度。,二、几个重要的饱和度概念,三、饱和度的测定,1、干馏法,优点：实验简单、速度快缺点：高温使原油结焦、裂解；结晶水析出,2、蒸馏法,三、饱和度的测定,原理：加热岩心使水蒸发，测水的体积；洗净岩心中的油，测干岩心重量，用差减法计算油体积,优点：简单；能精确测量含水量；洗净的岩心可用于各种实验。缺点：速度慢,3、色谱

36、法,三、饱和度的测定,原理：利用水、乙醇互溶性，把水溶解在乙醇中，用色谱分析仪测水的体积，用差减法计算含油体积,4、思考：流体饱和度存在哪些测量误差？,（1）校正系数法,（3）密闭冷冻取心,（2）油基泥浆取心,第六节 储层岩性参数的平均值,本节重点：1、单井平均渗透率的计算2、油藏平均渗透率的计算3、组合层平均渗透率计算,本节难点：1、并联组合层平均渗透率2、串联组合层平均渗透率,第六节 储层岩性参数的平均值,一、单井平均渗透率、孔隙度的计算,1、算术平均,2、加权平均,二、油藏平均渗透率、孔隙度的计算(加权平均、调和平均),例如计算垂向渗透率：,三、组合层的平均渗透率,1、并联组合层,总流量

37、：,总厚度：,根据达西定律：,对不同层有：,整理得：,思考径相流情况：,总流量为：,单层流量：,因为,所以,三、组合层的平均渗透率,2.串联组合层,串联时应有：,总流量：,各层流量：,总压力为：,整理得：,三、组合层的平均渗透率,思考径相流情况：,内层流量：,外层流量：,平均流量：,对压力有：,整理得：,三、组合层的平均渗透率,第七节 储层岩性的敏感性,本节重点：1、胶结物、胶结类型的概念2、蒙脱石遇水膨胀机理3、酸敏矿物及特征,本节难点：1、粘土矿物化学构造特征2、酸敏矿物的评价方法,1.胶结物,泥质：（小于0.01mm的碎屑）胶结比较疏松，充填孔隙 灰质：主要是方解石和白云石，呈结晶状态，

38、胶结致密。硅质：最致密，影响也最大。,一、胶结物及胶结类型,思考：胶结物对储层的影响？,指除碎屑颗粒之外的化学沉淀物质，在砂岩中含量小于50%，它对岩石颗粒起胶结作用，使之变成坚硬的岩石。,2.胶结类型,a.基底胶结,b.孔隙胶结,c.接触胶结,（1)概念,胶结物在岩石中的分布状况及与碎屑颗粒的接触关系称为胶结类型。它通常取决于胶结物的成分和含量的多少、生成条件以及沉积后的一系列变化等因素。,（2)分类,一、胶结物及胶结类型,c.接触胶结 胶结物含量很少，一般小于5%，仅分布于颗粒相互接触的地方，颗粒呈点状或线状接触，胶结物多为原生或碎屑风华物质，最常见者为泥质。此种胶结的储油物性最好。大庆油

39、田属于这种胶结。岩石孔隙度大于25%，渗透率从几十个毫达西到几个达西。,a.基底胶结 胶结物含量最高。碎屑颗粒孤立地分布于胶结物之中，彼此不相接触或少有颗粒接触。由于胶结物与碎屑颗粒同时沉积，故称原生胶结，胶结强度很高。孔隙类型全为胶结物内的微孔，其储油、气物性很差。,b.孔隙胶结 胶结物含量不多，充填于颗粒之间的孔隙中颗粒呈支架状接触。胶结物多是次生的，分布不均匀，多充填于大的孔隙中，胶结强度次于基底胶结。,根据胶结强度不同，砂岩一般可分为强胶结、胶结和弱胶结或疏松等。,3、胶结特征,华北坳陷第三储油岩,二、胶结物中的各种敏感矿物,4、酸敏矿物遇酸产生沉淀,3、碳酸盐遇酸分解,2、石膏在高温

40、下失掉结晶水,1、粘土矿物遇水膨胀,1.粘土遇水膨胀的特性,粘土矿物大都由两种基本晶格组成。一种是硅氧四面体，另一种是铝氧八面体。,（2）粘土遇水膨胀的机理,a.这是由粘土矿物的特殊晶格结构所决定的。,直径小于0.01mm的颗粒占50%以上的细粒碎屑。粘土矿物是砂岩的主要胶结物。粘土矿物分为：高岭石型、蒙脱石型、水云母型、绿泥石型等。,（1）粘土,二、胶结物中的各种敏感矿物,硅氧四面体 硅氧四面体晶片,铝氧八面体 铝氧八面体晶片,蒙脱石结构,高岭石结构,粘土矿物,晶片,晶层,单体,平面延伸,纵向重叠,延伸+重叠,伊利石：结构与蒙脱石相似，只是其晶层之间卡有钾原子，大小与晶层硅氧四面体的六角环内

41、径接近，使晶层之间联结牢固，外来物质很难进入。,蒙脱石：由两个硅氧四面体晶片中间夹一个铝氧八面体晶片所组成的晶层。晶层之间由分之间力联接，因此，结构较弱，晶层之间距离较大,外来物质很容易进入。当和水相遇时，水分之就容易进入蒙脱石之间，造成晶体膨胀。,高岭石：是一个硅氧四面体晶片和一个铝氧八面体晶片组成的晶层。晶层薄，层间距小，两个晶层之间一面是氢氧原子，一面是氧原子，因而形成氢键，也就是说，相邻两晶层之间除范德华力外，还有氢键，结合力强，水分子不容易进入，膨胀性就小。,b.与晶层表面的带电性质有关,在蒙脱石的形成过程中，硅氧四面体中的Si4+经常被Al3+所置换,而铝氧八面体中的 Al3+常被

42、Mg2+和Fe2+置换，以及晶层边角的“破键”和晶格缺陷使晶层带负电（粘土带负电），其结果：水为极性分子，在粘土表面受表静电引力而定向排列，浓集在颗粒表面。由于晶层带负电，而在表面吸附了Na+、Ca2+等阳离子，在水溶液中，晶层表面的离子解离，形成双电层，使双电层内的阳离子浓度高于介质中的浓度，使得水分子向晶层间扩散，形成水化层。高岭石中，硅和铝在形成过程中都没有被置换，因此，膨胀性就很小。,粘土膨胀过程示意图,膨胀前,膨胀后,a.大幅度降低岩石的渗透率；b.套管损坏、井底坍塌等；c.粘土的吸附作用能使注入地层的化学剂作用降低甚至失效。,a.离子交换法；b.增加电解质浓度；c.注酸性水；d.注

43、粘土稳定剂。,（4）防止粘土膨胀的措施,（5）粘土的膨胀度 膨润度：指粘土膨胀的体积占原始体积的百分数，它是衡量粘土膨胀大小的指标。测试方法：粘土膨胀仪。,（3）粘土膨胀的危害,思考：粘土在石油工业中的应用？,按粘土的用途可分为三种主要不同的类型：（1）膨润土：这是配制水基钻井液的基础原料。钠膨润土的造浆率较高，钙膨润土需经改造处理后才能使用。,（2）抗盐粘土:晶体构造为纤维状或棒状，有极大的内表面，水分子可进入其内部孔道，因此含有较多的吸附水，有抗盐、耐温的特点常用于海洋钻井或钻盐层。,（3）有机膨润土:以阳离子表面活性剂覆盖钠土或抗盐粘土表面，改变粘土表面的润湿性，将粘土的亲水表面改变为亲

44、油表面，这样粘土可以在油中分散，配制油基钻井液（或解卡液），用于钻进复杂地层，如盐膏层、超深井及完井的各种作业。,2.石膏（CaSO4 2H2O)高温脱水特征,106,74,81,64,用离心机冷洗岩心，即用离心机高速旋转下所产生的离心力，将岩心中的油、水甩出；改用氯仿和甲醇配置的共沸液，其沸点为53.5，它远小于石膏的脱水温度，其沸液中甲醇和氯仿的重量百分比为13:87。,思考1：石膏高温脱水带来的危害性？,在岩心分析带来测量误差,思考2：消除石膏对测量精度产生不良影响的方法,3.碳酸盐遇酸分解和酸敏矿物伤害地层,（1）碳酸盐的种类,石灰石（CaCO3)白云石（CaMg(CO3)2）钠盐（N

45、a2CO3）钾盐（K2CO3）菱铁矿（FeCO3）,（2）碳酸盐遇酸分解：CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2 实验测定中，碳酸盐含量是采用反应后CO2的体积或压力来计算，由下式求出：,式中：C：岩样中CaCO3的含量，%；V：岩样与HCl反应后所得的CO2体积，cm3；：在实验温度及大气压下，CO2气体的密度，g/cm3；W：岩样总重，g。,（3）酸敏矿物及特点,能与酸反应的矿物并不都叫酸敏矿物，只有那些与酸反应后容易生成沉淀而阻塞孔道引起渗透率降低的那些矿物才叫酸敏矿物。如富铁绿泥石（FeO Al2O3SiO2H2O）、黄铁矿（FeS2）、菱铁矿（FeCO3）等属酸敏矿物。,酸

46、化时，除粘土膨胀因素外，富铁绿泥石酸溶后当PH为56时，Fe2+呈胶体沉淀，伤害地层，其反应式为：3 FeO Al2O32SiO23H2O+6HCl=3FeCl2+2Al(OH)3+2SiO23H2O2FeCl2+3H2O+3O=2Fe(OH)3+2Cl2 Fe(OH)3是一种片状结晶，通常其体积比喉道还大，故可阻塞孔喉。预防措施：加铁的螯合剂和净氧剂。,4、储层敏感性分析,4、储层敏感性分析,（1）水敏实验,a.概念：,与地层不配伍的外来流体进入地层后引起的粘土膨胀、分散、运移，导致渗透率下降的现象。,b.水敏指数：,：注蒸馏水时的渗透率,：绝对渗透率,式中：,c.水敏程度：,4、储层敏感性

47、分析,（2）酸敏,酸敏性是指酸化液进入地层后与地层中的酸敏性矿物发生反应，产生凝胶、沉淀或释放出微粒，使地层渗透率下降的现象。油、水井酸化前必须测酸敏性。酸敏酸量;0.51.0PV 酸化酸量：5PV,（3）盐敏,实验发现，对于水敏性地层，含盐度下降将导致粘土矿物晶层扩张增大、膨胀增加，地层渗透率下降。,4、储层敏感性分析,（4）速敏,实验表明，微粒运移速度随岩石中流体流动速度的增加而加剧，当流速超过一定数值时，岩石渗透率明显下降，这种现象叫做速敏，通常把渗透率开始下降时的速度叫做临界速度。,4、储层敏感性分析,（5）碱敏,碱敏性是指含碱的流体进入地层后与地层中的矿物发生反应，使地层渗透率下降的

48、现象。,4、储层敏感性分析,（6）压敏（低渗透油藏）,地层压力下降时，孔隙受压缩，导致渗透率下降的现象。,4、储层敏感性分析,储层矿物敏感性总结（据沈平平，1995）,判断题：1.不均匀系数越大，则粒度组成越均匀。2.三种不同基准体积的比面之间的关系SpSsSb。3.三种不同孔隙度之间的关系为流动有效绝对。4.储层埋藏越深，则孔隙度越大。5.粒度组成分布曲线峰值越高，则粒度组成越均匀。6.地层水矿化度越高，则粘土膨胀能力越强。7.颗粒平均直径越大，则岩石比面越大。8.胶结物含量越大，则岩石比面越大。9.粘土矿物中蒙脱石的膨胀能力最强。10.油藏总弹性能量中流体弹性能量一定大于岩石骨架的弹性能量

49、。,本章小结,颗粒等效直径,分选系数,不均匀系数,粒度中值,粒度参数,粒度组成累积分布曲线,粒度组成分布曲线,作图法,数字列表法,（分析曲线）,表示方法,水力沉降法,筛析法,分析方法,概念,粒度组成,酸敏矿物伤害地层,碳酸盐遇酸分解,石膏高温脱水,粘土遇水膨胀,胶结物中的各种敏感矿物,胶结物及胶结类型,用粒度组成资料估算比面,单位,定义,比面,敏感矿物,综合弹性压缩系数,岩石压缩系数,岩石的压缩性,影响因素,油田上常用的几种孔隙度,定义,孔隙度,孔隙大小分布表示方法,孔隙结构参数,孔隙分类,孔隙性,渗透率影响因素,裂缝油藏渗透率,滑脱效应,公式,气测渗透率,渗透率的单位,适用条件,内容、数学表

50、达式,渗透性、渗透率的概念,熟练推导“泊稷叶”定律，K、r、S关系。,绝对渗透率：单相流体饱和且通过岩石，流体不与岩石发生任何物理化学反应下，测得的渗透率。与流体性质及外界条件无关，只取决于岩石的孔隙结构特性。,达西定律,渗透性,束缚水饱和度,原始含油饱和度,定义,饱和度,100根内径为0.02英寸的毛管，50根内径为0.04英寸的毛管，它们的长度都一样，并装在一根内径为2英寸的管内，在管间的空隙填入石蜡，因而渗透只发生在毛管内，试求这种岩石的渗透率？,习题：,薄膜式：为主要类型,搭桥式,已知一干岩样重量为32.0038克，饱和煤油后再煤油中称得重量22.2946克，饱和煤油后岩样在空气中的重