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1、第三章 储层的岩石特性,油气储存在地下多孔岩层中，砂岩和碳酸盐岩两类最好油气储存岩石。本章主要介绍砂岩(碎屑岩)和碳酸盐岩的结构，如砂岩的粒度、比面等骨架性质，碳酸盐岩中裂隙，溶洞形态，以及它们所表现的孔隙性、渗透性、饱和度等各种性质。各种性质描述和参数定义，以及这些参数是怎样在实验室进行测试的。,3.1多孔岩石的骨架,砂岩是由性质不同、形状各异、大小不等的砂粒经胶结物胶结而成的。储层性质主要受颗粒的大小、形状、排列方式，胶结物的成分、数量、性质以及胶结方式的影响。碳酸盐岩(如灰岩和白云岩等)不存在粒度问题，因为其骨架颗粒、胶结物及孔隙充填物基本上都是相同物质，无法将它们分为单个颗粒。把砂岩和
2、碳酸盐岩中的固体部分统称为基质或骨架，主要是颗粒。,砂岩的结构,砂岩的结构是指构成砂岩的矿物和颗粒的大小、形状以及它们的空间组合。结构组分包括颗粒和填隙物，或杂基和胶结物。颗粒的结构特征：粒度、球度、形状、圆度及表面特征。,一、岩石的颗粒,1、粒度砂岩是由大小不同的各种颗粒组成。岩石颗粒的大小称为粒度，用线性值和体积值表示，体积值用同等体积的直径来表示(单位：mm或m)。线性值常用大、中、小三个直径,颗粒级别的划分,按砂粒大小范围所分的组称为粒级。划分粒级的方法很多，下表是常见的一种。,砂岩的粒度测定,砂岩的粒度组成是指不同粒径范围(粒级)的颗粒占全部颗粒的百分数(含量)，用百分数来表示。粒度
3、的测定：1)筛析法 2)沉降法：用于岩样中小于72m 的粒度含量3)薄片观测,筛析法,筛析法是将由粗至细的一套筛子叠放、固定在震动筛分机上，对已破碎、分解的岩石颗粒进行筛析，每一个筛子的筛上剩余颗粒质量可由天平称得，得到颗粒粒级质量分布。,表5-3,沉降法：,用于岩样中小于72m 的粒度含量。原理：不同颗粒在液体中具有不同的沉降速度。假设：颗粒坚硬 微粒在沉降时速度缓慢，距离很远。沉降速度恒定，单粒运动。不发生滑动,薄片观测,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。,砂岩粒度表示,粒度组
4、成用作图法表示，如直方图(a)、频率曲线图(b)和累积曲线图(c)等。,砂岩粒度的参数表示,为了定量计算粒度组成的均匀程度或特征，引入了粒度参数：1)不均匀系数：累积质量60%和10%对应的颗粒直径之比，不均匀系数在1-20之间。2)分选系数S：累积质量75%和25%对应的颗粒直径之比的平方根，1-2.5分选好，2.5-4.5为中，大于4.5为差。3)标准偏差 4)平均粒度,2、颗粒形状和球度,球度：用来度量一个近于球体的程度，是一个定量参数。用颗粒三个方向最大投影面积或轴A、B、C表示。颗粒的形状与孔隙度下直接有关。,圆度和表面结构,颗粒原始棱角被磨圆的程度,圆度的分级：棱角、次棱角、次圆度
5、和圆度,3、岩石的比面,比面的概念岩石骨架(颗粒)分散性还可以用岩石的比表面积(又称比面)来描述。比面，是指单位体积岩石内孔隙总内表面积或单位体积岩石内岩石骨架的总表面积。其表达式如下：S=A/V 式中S岩石比面，cm2/cm3 A岩石孔隙的总内表面积，cm2；V 岩石外表体积(或称为视体积)，cm3 通常情况下所说的岩石比面是指以岩石外表体积为基准的比面S,比面的测算,透过法测定比面 根据流体对岩石(或其他颗粒层)的透过性来求比面的方法称为透过法。实验流程如图所示，主要由马略特瓶1和水柱计3组成。待测岩样装入岩心夹持器2中瓶内水的流出，在岩心上端造成负压，空气流走端的压差由水柱计3测出，排出
6、水的流量就等于空气流过岩芯的流量。,颗粒是点接触时，岩石孔隙的总内表面积即为所有颗粒的总表面积。孔隙表面是流体流动的边界，比面的大小可以决定岩石的许多性质，它对流体在储层中的流动有较大影响。岩石与流体接触时所产生的表面现象，流体在岩石中的流动阻力，岩石的渗透性以及骨架表面对流体的吸附量等都与比面有关。,比面的研究意义,砂岩的砂粒越细，其比面越大，骨架分散程度越高。,岩石比面的大小除受粒径影响外，还受颗粒排列方式、颗粒形状、胶结物含量等因素的影响。例如，圆球形颗粒的比面要比扁圆形颗粒小，颗粒间胶结物含量少则比面大。,二、砂岩的胶结物及类型,砂岩中的填充物是由杂基和胶结物组成。岩石中的胶结物是除碎
7、屑颗粒以外的化学沉淀物质，一般是结晶的或非结晶的自生矿物，在砂岩中含量不大于50%。它对颗粒起胶结作用，使之变成坚硬的岩石。胶结物质含量增加总使岩石的储油能力和渗透能力变差。砂岩中胶结物的成分、数量和胶结类型，影响着砂岩的致密程度、孔隙性、渗透性等岩石物性。胶结物的成分中最常见的是泥质和灰质，其次为硫酸盐和硅质。,1、泥质(粘土)胶结物,泥质是沉积岩粒度分析中粒度小于0.01mm的物质的总和。粘土是指天然的土状细粒集合体，当它与少量的水混合时具确可塑性。它的化学成分主要是氧化硅、氧化铝、水以及少量的铁、碱金属和碱土金属氧化物。油气储层中常见的粘土矿物以高岭石、蒙皂石、伊利石、绿泥石及混合层等含
8、水层状硅酸盐为主。,粘土矿物中的水按其存在状态可以分为三种：吸附水(吸附在粘土矿物表面)、层间水(存在于粘土矿物单元晶层之间)、结构水(以羟基形式存在于晶格内部)。上述三种水中，吸附水和层间水与矿物结合比较松弛，一般在100200温度下即可脱出，而脱出晶格的结构水的温度则高达400800。胶结物的脱水情况与岩石速度的测试有关系。,2)灰质胶结物,灰质胶结物主要是由碳酸盐类矿物组成。砂岩中常见的碳酸盐矿物为方解石(CaCO3)和白云石：CaMg(CO3)，沉积岩中碳酸盐矿物分为原生和后生两种。,研究表明，地层岩石的碳酸盐含量越低，岩石的孔隙度越大,2胶结类型,胶结物在岩石中的分布状况以及它们与碎
9、屑颗粒的接触关系称为胶结类型。通常取决于胶结物的成分和含量的多少、沉积条件以及沉积后的一系列变化等因素。胶结方式可分为基底式胶结、孔隙式胶结及接触式胶结。,3.3 岩石的孔隙和裂隙,地球上没有空隙的岩石是不存在的，只是不同岩石的孔隙大小、形状和发育程度不同而已。砂岩和碳酸盐岩存在不同类型的空隙岩石颗粒间未被胶结物质充满或未被其他固体物质占据的空间统称为空隙。碳酸盐岩中的空隙是受地下水溶蚀后能形成的。各种岩石在地应力、构造应力及地质作用后产生裂缝(微裂缝)形成另一类形式的空隙。,一、岩石的孔隙类型,空隙按几何尺寸或现状可分为孔隙(一般指砂岩)、空洞(一般指碳酸盐岩)和裂缝。由于孔隙是最普遍的形式
10、，所以常笼统地将空隙统称为孔隙。岩石孔隙的大小、形状、连通状况和发育程度直接影响油气的储量和生产能力。储层中孔隙(空隙)的形状、大小、发育程度、形成过程非常复杂，差异甚大，从各种角度出发进行分类和描述。,1、Meinzer分类法,Meinzer按储层岩石的孔隙组成和孔隙间的相互关系分类为六种：(a)为分选好、孔隙度高的沉积物中的孔隙；(b)为分选差、孔隙度低的沉积物中的孔隙；(c)为砾石沉积物，砾石本身也是多孔的，因而整个沉积物孔隙度高；,(d)沉积物分选较好，但颗粒间有胶结物沉积，所以孔隙度低；(e)为由溶蚀作用形成的多孔岩石；(f)为由断裂形成的有胶结物的多孔岩石。,2、按成因分类,1)粒
11、间孔隙 岩石为颗粒支撑或杂基支撑，含少量胶结物，由颗粒围成的孔隙称为粒间孔。是砂岩中最主要、最普遍的孔隙。砂粒的粒度、分选性、圆球度、接触方位、填充方式和压实程度决定粒间孔隙的大小和形态。,以粒间孔为主的砂岩储层，其孔隙大、喉道粗、连通性好，一般具有较大的孔隙度(大于20)和渗透率(大于10010-3)。典型的粒间孔隙的镜下形态如图所示。,2)杂基内微孔隙：杂基内微孔隙主要指杂基沉积物在风化时收缩形成的孔隙及粘土矿物重结晶的晶问孔隙。3)晶体次生晶问孔隙：主要由石英结晶次生加大充填原生孔隙后的残留孔隙。4)纹理及层理缝：在具有层理和纹理构造的砂岩中，由于不同砂层的岩性或颗粒排列方位的差异，沿纹
12、理或层理常有微缝隙。,5)裂缝孔隙：地应力作用形成微裂缝。裂缝宽度一般平行于最小地应力方向。砂岩储层中裂缝宽度一般为零点几微米到几l微米。,6)溶蚀孔隙：溶蚀孔隙是由岩石中的碳酸盐、长石、硫酸盐或其他可溶性成分溶蚀后形成的。,3、按孔隙大小的分类,1)超毛细管孔隙 指孔隙直径大于0.5mm或裂缝宽度大于0.25mm的孔隙。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于此类。在此类孔隙中，流体在重力用下可自由流动。2)毛细管孔隙 指孔隙直径介于0.50.0002mm之间，或裂缝宽度介于0.250.0001 rnm之间的孔隙。砂岩的孔隙大多属此类。在此类孔隙中，孔隙壁面固体分子对流体分子的
13、作用力较大，如果存在两相流体，则存在毛细管力，液体不能自由流动。但在一定压差作用下，液体在毛细管内右以流动。,3)微毛细营孔隙 指孔隙直径小于0.0002mm、裂缝宽度小于0.0001mm的孔隙。粘土、页岩中的孔隙一属于此类型。在此类孔隙中，分子间的引力很大，油层条件下的压力梯度一般无法使液体在孔隙中移动，因此人们常将孔道直径大于或小于0.2tm作为流体能否在孔隙中流动的一个分界线。这类孔隙称为无效孔隙。,4、按其它因素分类,1)孔隙按生成时间的分类 分为原生孔隙和次生孔隙。原生孔隙是与沉积过程同时形成的孔隙，如粒间孔隙；次生孔隙是沉积作用后由于各种原因形成的孔隙如地下水作用形成的溶孔、溶洞，
14、或在构造应力下破裂形成的裂隙。2)孔隙按组合关系的分类 分为孔道和喉道。孔道是较大的孔洞(简称孔)；喉道指连接大孔隙之间的细小通道(简称喉)。3)孔隙接连通性的分类 分为连通孔隙(pore)和死孔隙(disconnected pore)。岩石中绝大多数孔隙都是连通的，也有不连通的死孔隙。,二、岩石孔隙结构模型,岩石的孔隙结构包括孔隙的大小、形状、孔间连通情况、孔隙类型、孔壁粗糙程度等全部孔隙特征和它的构成方式。岩石的孔隙结构直接影响到岩石的储集特性和渗流特性，它是研究岩石的孔隙度和渗透率的基础。在本课程中要了解孔隙结构的几个概念和模型,1、孔隙结构参数,(1)孔径：孔隙直径(2)喉道：孔道是较
15、大的孔洞(简称孔)；喉道指连接犬孔隙之间的细小通道(简称喉)。(3)孔喉比：它是孔隙直径与喉道直径的比值。,(4)孔隙迂曲(曲折)度：它是用以描述孔隙弯曲程度的一个参数。迂曲度为流体质点实际流经的路程长度l与岩石外观长度L之比值，其值在1.22.5之间。,(5)孔隙配位数：它是指每个孔道所连通的喉道数。一般砂岩配位数介于21 5之间。,2、孔隙结构,岩石孔隙结构类型划分主要视研究目的和应用要求而定：1)单重孔隙介质 2)双重孔隙介质 3)三重孔隙介质,1)单重孔隙介质,(1)粒间孔隙结构：由大小和形状不同的颗粒所组成，颗粒之间间隙又被胶结物所充填。由于胶结不完全，在颗粒之间形成了粒间孔隙。是砂
16、岩的基本孔隙结构，但部分碳酸盐岩亦具有此种孔隙结构。这些粒间孔隙既是储油空间，又是油气渗流的通道。结构模型 单重孔隙介质粒间孔隙结构，早期用等直径球体的堆积体来描述，后来用毛细管，近来又引进网络模型的概念。,球形堆积内的粒间孔隙空间 最接近天然介质（砂岩）和人工介质（烧结物）中常见孔隙空间的理论情形。实际上，等径球稠密随机非常复杂，因此习惯上仅用它描述规则堆积（现实中并不存在体积大于几个颗粒的情形）。用图表总结了最经常描述的三种堆积的主要特征。对于每种规则堆积，可以计算出两种类型球体的直径：（1）内接于孔隙空间最宽区域的最大球形（对于立方堆积，这种球形半径为0.732,长度单位为颗粒半径）；（
17、2）可通过最狭窄孔隙通道（进出通道）的最大球形，即可自由“流通”经过所考虑整 个孔隙空间的最大球形（对于立方堆积，其半径为0.414）。,等径球形堆积孔隙空间,直径球体结构模型,a.立方堆积b.六方堆积c.六方堆积示意d.A、B两类e.六方堆积中的两种类型,等球体堆积特征,毛细管结构模型,孔隙纵横比,一个孔隙的最短几何尺度a与最长几何尺度r之比，=a/r。孔隙的形态一般为椭球状(=a/r)，但在理论中常假设为两种极限情况：圆形(=1)与硬币形孔隙。孔隙纵横比与孔隙表面S对孔隙容体V的比值有关：,球形孔隙,椭球孔隙,(2)纯裂缝结构：致密的碳酸盐储油(气)岩上产生微裂缝就叫“纯裂缝结构”。裂缝的
18、发育和延伸是不规则的，很难定量描述裂缝的形态。有时简化为一种理想的、垂直方格的裂缝网格。,2)双重孔隙介质,(1)裂缝孔隙结构：特别发育于石灰岩与白云岩中。粒间孔隙有较大的孔隙度，但渗透率较小；相反，裂隙有很小的孔隙度，但具有较高的渗透率，形成了两个水动力系统。,(2)空洞孔隙结构：特别发育于碳酸盐岩石。它是在粒间孔隙的岩石中分布着大的洞穴，洞穴的尺寸超过毛细管大小。,3)三重孔隙介质,孔隙微裂缝大洞穴；由粒间孔隙、微裂缝再加上大洞穴构成。(2)孔隙一微裂缝一大裂缝：是粒间孔隙、微裂缝、大裂缝三重孔隙并存的混合结构。,切片法光学显微镜 把岩石样品磨成薄片，在光学显微镜下观测或照相；电子显微镜
19、用电子显微镜照相，三维影像。,三、孔隙空间形态的目测方法,砂岩的扫描电子显微镜（SEM）照片,多孔介质的电镜照片,玻璃珠烧结样品,松散砂岩,不同岩石的切片光学显微镜照片,灰岩,四、岩石的孔隙度,1、孔隙度的定义 岩石的总体积Vb，以称外表体积、视体积，是由孔隙体积Vp或(V)及固相颗粒体积(基质体积)VS两部分组成，即：Vb=Vp+Vs，孔隙度()是指岩石中孔隙体积V。与岩石总体积Vb的比值，其表达式为：=V/Vb100,1)岩石的绝对孔隙度(a),岩石的绝对孔隙度(a)指岩石的总孔隙体积Va与岩石外表体积Vb之比，即：a=Va/Vb 100,总孔隙体积Va,连通孔隙体积,(有效孔隙体积),不
20、连通孔隙体积,可流动,不可流动,2)有效孔隙度(e),是指岩石中有效孔隙的体积Ve与岩石外表体积Vb之比。即：e=Ve/Vb100 计算储量和评价油气层特性时一般指有效孔隙度,3)岩石的流动孔隙度(f),流动孔隙度是指在含油岩石中，可流动的孔隙体积Vf与岩石外表体积Vb之比。即：f=Vf/Vb100 a e f,2、岩石孔隙度的测量,岩石孔隙度的测定方法主要有两类：1)实验室内直接测定法；2)以各种测井方法为基础的间接测定法。间接测定法影响因素多，误差较大。实验室内通过常规岩心分析法可以较精确地测定岩心的孔隙度.,1)岩石外表(视)体积Vb的测定,(1)几何测量法(2)封蜡法(3)饱和煤油法(
21、4)水银法,2)岩石孔隙体积Vp的测定,原理：使流体介质充满孔隙，测定充入孔隙的流体量。注意：不同的流体(气体或水)，其充满岩石孔隙的程度不同，所得的孔隙体积也不同，也代表了不同的孔隙度意义。常用的两种方法：(1)气体孔隙度仪(2)液体饱和法,3)岩石颗粒体积VS的测定方法,1)氦气孔隙度仪法 2)固体体积计法(又名固体比重计法),3.3 孔隙中的流体和流动,岩石中存在着孔隙和裂隙，也包含着流体。绝大多数岩石中都包含数量不等的孔隙流体。流体的存在影响岩石的一些物理性质，用饱和度描述岩石孔隙中流体的多少。岩石中的流体是运动的，孔隙中的流体流动是造成岩石中物质运移的最重要过程，,一、岩石的流体饱和
22、度,岩石孔隙中充满一种流体时，孔隙中饱含该流体，则称饱和了一种流体。岩石孔隙中同时存在多种流体(原油、地层水或天然气)时，岩石孔隙被多种流体所饱和。某种流体所占岩石孔隙的体积百分数称为该种流体的饱和度。,1、含油、水、气饱和度,岩石孔隙中油、水、气的饱和度可以分别表示为：,全饱和,2、原始含水饱和度束缚水饱和度,原始含水饱和度（Swi）是油藏投入开发前储层岩石孔隙空间中原始含水体积Vwi和岩石孔隙体积Vp的比值。岩石内都会含有一定数量的不流动水，通常称之为束缚水。同样有原始含油饱和度SOi,3、饱和度的测试,常规岩心分析方法：常压干馏法 蒸馏抽提法 色谱法等,二、岩石的流体渗透性,岩石的孔隙性
23、和渗透性是人们关心的两个储层特征。孔隙性决定了岩石储集性能，即单位体积岩石中的油气储量。渗透性是表示砂岩在一定的压差下，允许流体(油、气、水)通过的性能。渗透性的大小用渗透率来表示。,达西定律,Q在压差下通过流体的流量，cm3/s；A砂柱截面积，cm2；L 砂柱长度，cm；通过砂柱的流体粘度，mPas；p流体通过砂柱前后的压力差。10-1MPa；K一比例系数，称为该孔隙介质的绝对渗透率，取决于孔隙结构。,事实上，达西定律适用于各种多孔介质，包括由砂粒胶结而成的岩石。K值仅取决于多孔介质的孔隙结构，与流体或孔隙介质的外部几何尺寸无关。因此称为岩石的绝对渗透率。,渗透率的计算公式,渗透率的单位是达
24、西，记为D。其物理意义是：粘度为1mPas的流体，在压差latm作用下，通过截面积1cm2、长度1cm的多孔介质，其流量为l cm3/s时，则该多孔介质的渗透率就是1达西。,岩石渗透率不高于1达西，常用毫达西（简写mD）来表示渗透率。单位换算为；1D=1000mD=1.0210-8cm210-8cm2=1m2；1mD=10-3m2。其中，m2、10-3m2为法定单位。,绝对渗透率是岩石本身的固有特性，测定和计算岩石绝对渗透率时必须符合以下条件：岩石中全部孔隙为单相液体所饱和，液体不可压缩，岩心中流动是稳态单相流。通过岩心的渗流为一维直线渗流。液体性质稳定，不与岩石发生物理、化学作用。比如不能用酸液测定渗透率；不能用蒸馏水，而应使用地层水(盐水)防止岩石中含有的粘土矿物遇水膨胀而使渗透率降低。只有满足了这些要求，达西公式中的比例系数才是常数。,渗透率、孔隙度和胶结形式的关系,渗透率与泥质含量的关系,
