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油层物理学油层物理学第1页，共148页，编辑于2022年，星期一第一章第一章 储油气岩石的物理性质储油气岩石的物理性质第2页，共148页，编辑于2022年，星期一第一节第一节 储集岩的孔隙空间和孔隙储集岩的孔隙空间和孔隙类型类型 一、一、储集岩的孔隙空间和孔隙结构储集岩的孔隙空间和孔隙结构 岩石中未被矿物颗粒、胶结物或其它固体物质填集的空间称为岩石的孔隙空间。岩石孔隙空间，最主要的构成是孔隙和喉道。岩石颗粒包围着的较大空间称为孔隙，而仅仅在两个颗粒间连通的狭窄部分称为喉道。砂岩储集岩的孔隙大小和形状取决于砂子颗粒相互接触的关系以及后来的成岩后生作用所发生的变化。孔隙喉道的大小和形态主要取决于砂岩的颗粒接触类型和胶结类型，砂岩颗粒本身的形状、大小、圆度和球度也对孔隙及喉道的形状有直接影响。第3页，共148页，编辑于2022年，星期一 孔隙分为连通孔隙、死胡同孔隙、微毛细管束缚孔隙和孤立的孔隙四种，其中连通孔隙是有效的。图1-1-1 砂岩储集岩的孔隙和喉道1-连通孔隙；2-喉道；3-死胡同孔隙；4-微毛细管束缚孔隙；5-颗粒；6-孤立的孔隙第4页，共148页，编辑于2022年，星期一 孔隙与喉道的相互配置关系，每一支喉道可以连通两个孔隙，而每一个孔隙则至少可以和三个以上的喉道相连接，最多有的可以与六个到八个喉道相连通。孔隙反映了岩石的储集能力，而喉道的形状、大小则控制着孔隙的储集和渗透能力。碳酸盐岩的储集空间比较复杂，次生变化非常强烈，可以产生大量次生孔隙，再加上裂缝常常很发育，使碳酸盐岩储集层具有岩性变化大、孔隙类型多、物性变化无规律等特点。第5页，共148页，编辑于2022年，星期一 碳酸盐岩的储集空间包括孔隙、洞穴和裂缝空间。孔隙可以容纳油气，并在一定程度上起到连通作用。裂缝分布不规则，在裂缝发育的地层也具有容纳油气的能力，但主要起连通作用。洞穴往往与裂缝共生，在洞穴发育的储层中，它也是一种储集油气的空间。图1-1-2 碳酸盐岩的储集空间1-基质孔隙；2-喉道；3-裂缝；4-洞穴；5-基质第6页，共148页，编辑于2022年，星期一 碳酸盐储集岩中，除由于溶洞、裂缝及次生孔隙的发育，因此其孔隙结构有特殊性。碳酸盐储集岩中，孔隙结构是指岩石所具有的孔、洞、缝的大小、形状和相互连通关系。第7页，共148页，编辑于2022年，星期一二、二、砂岩储集岩的孔隙类型砂岩储集岩的孔隙类型 粒间孔粒间孔、溶蚀孔溶蚀孔、微孔隙微孔隙和裂隙裂隙。前三种类型与岩石结构有关，裂隙则可与其它任何孔隙共生。砂岩中存在四种基本孔隙类型：第8页，共148页，编辑于2022年，星期一 所有的砂岩最初都有粒间孔，常常是渗透好、孔喉大。溶烛孔是由于碳酸盐、长石、硫酸盐或其它易溶物质的溶解造成的。具溶蚀孔隙的砂岩储集性可以从极好到极差，这取决于孔隙和喉道的大小以及孔隙空间的相互连通性。孤立的溶孔并不会改病善渗透能力。对低渗透岩石来说，当溶孔互不连通时，它的渗透率仍然很低。含有较多粘土矿物的砂岩则有大量的微孔隙，其特征常常是高比面、小孔径；低渗透性和高含水饱和度，并且对淡水的粘土膨胀灵敏度增加。裂隙只占总孔隙空间的百分之几，但它将提高任何一种储集岩的渗滤能力。第9页，共148页，编辑于2022年，星期一 孔隙类型及孔隙几何形状均随成岩作用而发生变化。从大孔隙演变成微孔隙；矿物被溶解而形成孔隙；以及孔隙从部分到全部被沉淀矿物所占据。孔隙类型很少是单一的，大多数储集岩中有多种孔隙类型共存，构成不同的孔隙组合。（1）粒间孔隙粒间孔隙 砂岩为颗粒支撑或杂基支撑，含少量胶结物，在颗粒问的孔隙称为粒间孔隙。以粒间孔隙为主的砂岩储集岩，其孔隙大、喉道粗、连通性较好。无论从储集能力或渗滤能力的观点来看，最好的砂岩储集岩是以粒问孔隙为主的。第10页，共148页，编辑于2022年，星期一（2 2）杂基内的微孔隙）杂基内的微孔隙 包括泥状杂基沉积在石化时收缩形成的孔隙及粘土矿物重结晶晶间孔隙。高岭土、绿泥石、水云母及碳酸盐泥杂基中均具此类孔隙。杂基内的微孔隙极为细小，宽度一般小于O.2微米。此种孔隙虽然可以形成百分之十几的孔隙度，但渗透能力极差。杂基内的微孔隙几乎在所有的砂岩中均有分布。（3 3）矿物解理缝和岩屑内粒间微孔）矿物解理缝和岩屑内粒间微孔 长石和云母等解理发育的矿物常见有片状或楔形解理缝，其宽度大都小于O.l微米。此类微孔隙的储集特征比杂基内的微孔隙更差，因为它常呈一端敞开的“死胡同孔隙”，故它一般是不含烃的无效孔隙。第11页，共148页，编辑于2022年，星期一（4 4）纹理及层理缝）纹理及层理缝 在具有层理和纹层构造的砂岩中，由于不同细层的岩性或颗粒排列方向的差异，沿纹理成层理常具缝隙，储渗意义不大。（5 5）溶蚀孔隙）溶蚀孔隙 溶蚀孔隙是由碳酸盐、长石、硫酸盐或其它可溶组分溶解而形成的。可溶组分可以是碎屑颗粒、白生矿物胶结物或者交代矿物。第12页，共148页，编辑于2022年，星期一 1）溶孔溶孔 不受颗粒边界限制，边缘呈港湾状，形状不规则。2 2）颗粒内溶孔和胶结物内溶孔）颗粒内溶孔和胶结物内溶孔 早期易溶矿物交代颗粒后被溶解形成粒内溶孔。如早期碳酸盐局部交代了长石，后来碳酸盐被溶解，致使长石具晶内溶孔或呈蜂离状。3 3）铸模孔）铸模孔 包括颗粒的铸模孔和粒间易溶胶结物的铸模孔。溶蚀孔隙又可以分成以下几种类型:第13页，共148页，编辑于2022年，星期一 由于溶蚀孔隙往往是在原生粒间孔隙或其它孔隙的基础上发展起来的，故实际上不好区分。尤其是当原生粒间孔隙和次生溶蚀孔隙同时存在时，更是如此。仅具溶蚀孔隙的砂岩的储集性变化很大，可以从差到很好。（6 6）晶体再生长晶间隙、胶结物的晶间孔）晶体再生长晶间隙、胶结物的晶间孔 在许多致密砂岩中，石英的再生长明显地减少了原生的粒间孔隙，最后只在再生长的晶体之间保留了细小的四面体孔或片状缝隙(喉道)。石英再生长可以很明显地降低孔隙空间和渗透能力，有时几乎可以填满全部孔隙。第14页，共148页，编辑于2022年，星期一（7 7）裂缝孔隙）裂缝孔隙 由于构造力作用而形成的微裂缝有时可以十分发育。微裂缝呈细小片状，缝面弯曲，绕过颗粒边界，其排列方向受构造力控制。在砂岩储集岩中，裂缝宽度一般为几微米到几十微米。仅由裂缝造成的孔隙度很小，通常小于1，但能提高储集层的渗透能力。裂缝性储集层的初产量一般较高，如果没有良好的孔隙层，则产量很快就会下降。第15页，共148页，编辑于2022年，星期一图1-1-3 砂岩储集岩的孔隙类型示意图第16页，共148页，编辑于2022年，星期一三、三、碳酸盐岩的孔隙类型碳酸盐岩的孔隙类型 碳酸盐岩孔隙的分类及命名，乔奎特等按受组构控制及不受组构控制将碳酸盐岩孔隙划分为三大类十五种基本类型，如图1-1-4所示。图图1-1-4 1-1-4 碳酸盐岩的孔隙分类命名碳酸盐岩的孔隙分类命名（据（据Choquette;p.p.w.&pray,L.C.,1970Choquette;p.p.w.&pray,L.C.,1970）第17页，共148页，编辑于2022年，星期一 他们认为，大多数碳酸盐岩仅具有微小的孔隙，但其孔隙主间对油气聚集作用却不相同。不同的孔隙类型具有不同的分布特征及含油气特点。因此，对孔隙类型就会有助于勘探布署。第18页，共148页，编辑于2022年，星期一 此外，在碳酸盐沉积物的成岩及后生变化过程中，孔隙的形成、变化和消失可以造成不同类型的孔隙。（1）原生孔隙原生孔隙 这是沉积时形成的孔隙，成岩过程中可能产生一定的变化。这种孔隙主要受碳酸盐岩的结构组分所控制，其中颗粒因素是主要的。原生孔隙可分为粒间孔隙、粒内孔隙、晶间孔隙、壳体掩蔽孔隙和生物骨架孔隙等五种。第19页，共148页，编辑于2022年，星期一（2）溶蚀孔隙溶蚀孔隙 指沉积过程及成岩后由于溶解作用所形成的孔隙。地下水的溶解作用往往在沉积过程中就已开始进行，并延续到成岩作用结束。在这个阶段，地层中原生孔隙发育时，地下水大都比较活跃，并通过溶蚀而使孔隙进一步增加。成岩作用结束后，溶蚀孔隙仍可继续发育。尤其在不整合侵蚀面附近，由于处于渗流带及潜流带上部水文条件下，使得地下水在原生的孔隙发育带更为活跃。加上地表水的不断补充，因而在不整合面附近往往形成极为发育的溶烛孔隙，有时可具有极高的产能。粒间及品间溶蚀孔隙、铸模孔隙、窗格孔隙、沟道、晶洞、洞穴和角砾孔隙。溶蚀孔隙有以下几种类型：粒间及品间溶蚀孔隙、铸模孔隙、窗格孔隙、沟道、晶洞、洞穴和角砾孔隙。第20页，共148页，编辑于2022年，星期一 （3）生物钻孔和潜孔孔隙生物钻孔和潜孔孔隙 这种孔隙多在沉积及成岩过程中形成。（4 4）收缩孔隙）收缩孔隙 由于沉积物的收缩作用而形成的孔隙。（5 5）裂缝）裂缝 裂缝一般是由于构造作用或成岩作用而形成的。裂缝的长度可以由几厘米到几公里不等。宽度也可由几毫米到几十厘米，但微裂缝的宽度仅数十微米。一般说来，大裂缝延伸远，方向稳定，与油气储集关系更为密切。第21页，共148页，编辑于2022年，星期一 在一千米深度以下，裂缝宽度可能不超过0.1毫米。裂缝孔隙度通常为0.5-0.6，很少超出l-2。若一千立方厘米正方体中有10条0.l毫米宽的裂缝时，其裂缝孔隙度仅为1。据马斯凯特(Masket,M.,1949)计算，当裂缝宽度超过0.035毫米时，裂缝地层的产量就超过无裂缝地层简单径向流动系统的产量；当裂缝宽度为0.5毫米时，裂缝本身所运载的流体就占了灰岩一裂缝系统组合流量的90；当裂缝宽度大于l毫米时，绝大部分的油层流体是由裂缝通过的。碳酸盐储集岩中裂缝发育的多少及宽度对产能的影响是何等的重要。第22页，共148页，编辑于2022年，星期一第二节第二节 储集岩的孔隙度储集岩的孔隙度 孔隙空间有可能包含流体，如象水、液体或气态碳氢化合物，这些流体可以沿着孔隙空间流动。岩石被称为多孔性的和可渗透性的。一、一、储集岩孔隙度的概念储集岩孔隙度的概念 为了衡量储集岩孔隙性的好坏和孔隙发育程度，并表征岩石中孔隙总体积的大小，提出了岩石孔隙度(或孔隙率)的概念。孔隙度为岩石孔隙的总体积与岩石总体积之比，常用百分数表示。第23页，共148页，编辑于2022年，星期一图1-2-1 储集层岩石的总体积（V总）与基质体积（V基）和孔隙体积（V孔）第24页，共148页，编辑于2022年，星期一孔隙度可表示为：式中为孔隙度，；VT为储集岩的总体积；Vp为孔隙体积；Vm为基质颗粒体积。第25页，共148页，编辑于2022年，星期一 孔隙度分为:绝对孔隙度、连通孔隙度、有效(含烃)孔隙度和流动孔隙度。绝对孔隙度绝对孔隙度是指岩石中未被碎屑物质或填隙物充填的空间与岩石总体积之比。连通孔隙度连通孔隙度是指岩石中相互连通的孔隙体积与岩石总体积之比。岩石的有效岩石的有效(含烃含烃)孔隙度孔隙度是指岩石中烃类体积与岩石总体积之比。岩石的有效(含烃)孔隙度仅是连通孔隙度中含烃类的哪一部分。第26页，共148页，编辑于2022年，星期一 流动孔隙度流动孔隙度是指岩石中能够在一般压差下流动的哪一部份液体体积与岩石总体积之比。可随压差不同而改变。连通孔隙度连通孔隙度称为有效孔隙度，这两个名词在一般情况下是具有相同意义，但对于气层或稠油储层，“连通”和“有效”则不能相提并论。绝对孔隙度大于连通孔隙度，再依次是有效(含烃)孔隙度和流动孔隙度。第27页，共148页，编辑于2022年，星期一二、二、理想介质的孔隙度理想介质的孔隙度 理想介质理想介质，是指由等直径或几种等直径的球形颗粒组成的岩石。对大小均匀等直径球形颗粒组成的多孔介质的两种情况的孔隙度作了计算，=47.6%，最紧密的菱面体排列的孔隙度，=25.96%。同一种直径的颗粒所组成的理想多孔介质来，孔隙度仅是颗粒排列的函数，而与颗粒的大小无关。两种颗粒尺寸所组成的立方体填集的孔隙度，孔隙度近似为12.5%。实际储集岩孔隙中有各种填隙物，其孔隙度要比理想介质的孔隙度来得小，且变化大。第28页，共148页，编辑于2022年，星期一图1-2-2 球粒呈立方体和菱面体排列（a）立方体最宽敞（b）菱面体最紧密图1-2-3 立方体填集（两种颗粒尺寸）12.5%第29页，共148页，编辑于2022年，星期一三、三、实际岩石的孔隙度实际岩石的孔隙度 实际岩石的孔隙度较理想介质的孔隙度远为复杂。其数值可以从小于1到40左右。实际储集岩的孔隙度受胶结物的影响很大，根据我国各油气田的统计资料，实际储油气层储集岩的孔隙度范围大致为：致密砂岩 孔隙度白1-l0；致密碳酸盐岩 孔隙度1-5；中等砂岩 孔隙度自l0-20；中等碳酸盐岩 孔隙度自5-10；好的砂岩 孔隙度自20-35；好的碳酸盐岩 孔隙度自l0-20。第30页，共148页，编辑于2022年，星期一 储集岩的孔隙度与颗粒大小有密切关系。作为良好的储油岩主要是中粒和细粒砂岩。粗砂岩和粉砂岩大都是较差的储集岩。该层的孔隙度随粒度中值的增大而增大。颗粒碳酸盐岩的孔隙发育情况与砂岩相似，亦受颗粒大小、分选、形状及胶结物含量等因素的影响。第31页，共148页，编辑于2022年，星期一超毛细管孔隙超毛细管孔隙其中液体在重力作用下流动。超毛细管孔隙大到致使毛细管力不能使水明显上升和平衡。在超毛细管孔隙中流动的水可以具有很高的流速和呈现涡流。毛细管孔隙毛细管孔隙液体无论是在液体质点之间还是液体和孔隙壁之间，都处在分子引力的作用之下。为了使液体沿毛细管孔隙移动，需要有明显超过重力的力。毛细管孔隙的大小在0.50.0002毫米之间。微毛细管孔隙微毛细管孔隙其中分子问的引力很大，为了使液体移动，需要非常高的压力差。第32页，共148页，编辑于2022年，星期一四四 孔隙度的测定方法孔隙度的测定方法 在确定孔隙度时，只要求得岩石总体积、固体部份(颗粒及胶结物)的体积以及孔隙体积这三个参数中的两个，就能技式ll计算出孔隙度来。W =水的比重；P =蜡的比重，等于0.918克/立方厘米；1.样品总体积的测定1）封蜡法）封蜡法第33页，共148页，编辑于2022年，星期一 2）水银体积泵法水银体积泵法 由于水银一空气之间的表面张力很大，在常压下水银不会浸入岩石孔隙。图1-2-6 水银体积泵装置示意图第34页，共148页，编辑于2022年，星期一 1 1）比重瓶法）比重瓶法 2 2）气体压缩法）气体压缩法 其原理都是以波义耳马里奥特定律为基础的。气体首先充入标准体积室，并记录压力P1。随后切断气源，将标准体积室的气体放入样品室使之达到压力平衡。由此即可计算出岩石固体体积。图1-2-7 波义耳定律孔隙率计：确定颗粒体积 2.样品固体体积的测定第35页，共148页，编辑于2022年，星期一 3 3）浸没称重法）浸没称重法 把样品浸没在溶剂内，通过作用于岩样固体上的浮力，来测定样品的固体体积。图1-2-9 颗粒体积测定装置第36页，共148页，编辑于2022年，星期一 4 4）固体比重计法）固体比重计法 固体比重计由底瓶和带刻度的立瓶两部分组成，各种岩类的颗粒密度如表1-2-2所示。表1-2-2 各种岩类的颗粒密度数据表 第37页，共148页，编辑于2022年，星期一 1 1）饱和流体法）饱和流体法 这种方法装置简单，操作方便。在测量过程中，动作应迅速、准确，以免流体流出或挥发异致误差。3.岩样孔隙体积（VP）的测定图1-2-11 饱和流体的装置第38页，共148页，编辑于2022年，星期一图1-2-12 饱和流体测孔隙度的流程第39页，共148页，编辑于2022年，星期一 2 2）气体膨胀法）气体膨胀法 上述方法因都要使用水银，虽然测定很简便而且快速，但样品容易被水银污染。图1-2-13 波义耳定律孔隙计第40页，共148页，编辑于2022年，星期一五、五、确定孔隙度的间接方法确定孔隙度的间接方法 岩石及流体的电特性和声波传播特性，利用测井资料来求取孔隙度。对于一个给定的岩石样品，饱和100具导电性的盐水后的岩石电阻率RO和纯盐水电阻率Rw之间的比值是一个常数。这个常数是由Archie首次提出的，称为地层系数地层系数F。1.用地层系数确定孔隙度第41页，共148页，编辑于2022年，星期一 F值取决于岩石的特性和连通孔隙度的大小。实际上，由于岩石中含有具一定导电性的粘土矿物，因此F并不是精确的常数。必须注意到地层系数F一般是随含盐量的增加而增加的。如果RoRw常数，则必须引入视地层系数Fa的概念。第42页，共148页，编辑于2022年，星期一图1-2-15 不同储层性质或胶结程度时，地层系数与孔隙度（%）的关系第43页，共148页，编辑于2022年，星期一图1-2-16 地层系数与孔隙度的关系第44页，共148页，编辑于2022年，星期一3.用伽玛伽玛测井确定孔隙度2.用中子测井确定孔隙度4.用声波测井测定孔隙度第45页，共148页，编辑于2022年，星期一六、六、有效应力下的孔隙度有效应力下的孔隙度 沉积岩的孔隙度是压实程度的函数，压实的作用力是岩石埋藏最大深度的函数。某一深度D取得岩心时，岩心所承受的上覆岩层的压力为：式中D样品的实际深度，m；样品深度以上岩层的平均密度，gcm3；PR样品深度处地层流体的压力，MPa；pe样品所承受的有效上覆压力，MPa。第46页，共148页，编辑于2022年，星期一图1-2-17 中子计数与孔隙度的关系曲线第47页，共148页，编辑于2022年，星期一图1-2-18 传播时间和孔隙度的关系第48页，共148页，编辑于2022年，星期一 在实验室中测定有效应力下的孔隙度时，就要在样品周围施加有效上覆压力。该有效压力施加在样品周围，亦称为围限压力。有效上覆压力的计算实例如下：岩样深度=1524 m；上覆岩层平均密度2.26 gcm3；油田流体原始压力l 7.66 Mpa 有效上覆压力为：第49页，共148页，编辑于2022年，星期一图1-2-19 孔隙度随深度变化的关系图1-20 孔隙度随围限压力 增大而减小的曲线图1-2-21 围限压力下测定孔隙度的示意图第50页，共148页，编辑于2022年，星期一 油田埋深较浅的特点，流体压力受围岩三个方向的应力作用，因此要乘上一个系数0.85。所以 于是，在实验室中对样品施加的围限压力应达到19.43 MPa。在计算探明储量时，必须要使用在围限压力下的孔隙度值。用常规孔隙度值会使计算储量偏大。第51页，共148页，编辑于2022年，星期一七、七、裂缝孔隙度裂缝孔隙度 裂缝所占空间的孔隙度也是一种重要的孔隙度，对于裂缝性油气储集层，裂缝孔隙既是油气储集空间，又是重要的连通通道。Murray求取裂缝孔隙度的方法是：取岩层受拉张力产生弯曲裂开后的一个单元，此时该单元的裂缝孔隙度可据图上的几何形态计算出来：式中T中性面以上岩层的厚度，m；R曲率半径，m；岩层弯曲后所形成裂缝间隔之间的夹角，(度)；S半径为R、夹角为时的弧长，m。第52页，共148页，编辑于2022年，星期一图1-2-22 岩块中裂缝的简单示意图图1-2-23 岩层弯曲后断裂的单元第53页，共148页，编辑于2022年，星期一 因为SR，所以上式可简化为：在XZ坐标系中，岩层倾角还可以用dZdX来表示。当岩层倾角较小，T相对于R很小时(一般情况下，T取所研究储层厚度的二分之一。)，二阶导数d2ZdX2代表了该岩层(X，Z)点的曲率。于是有 根据岩层厚度和曲率就可以算出裂缝孔隙度。第54页，共148页，编辑于2022年，星期一八、八、平均孔隙度的确定方法平均孔隙度的确定方法 以图l2-24的孔隙度随深度变化的剖面为例，在该剖面中的孔隙值是用油层岩石取心后在实验室中测出的值。或者是用间接方法求得的孔隙度后经岩心分析值校正后的数值。图中剖面厚约10m，取样间隔大体相等，共测定(或计算)82个点。1.单井平均孔隙度的确定方法 2.油层的平均孔隙度 第55页，共148页，编辑于2022年，星期一 第三节第三节 储集岩的渗透率储集岩的渗透率 物质的可渗透与不可渗透之问并不存在明显的界限。一般所指具有渗透性或非渗透性，或者说渗透性好和渗透性差，都是相对的，而且是有条件的。这个条件就是压力。一、一、达西定律及岩石的绝对渗透率达西定律及岩石的绝对渗透率 储集岩是一种多孔介质。多孔介质的渗透性是在一定压差下使液体或气体渗透的能力。因此，所有沉积性储集岩都具有渗透能力。可以用渗透率来衡量岩石的渗透能力的大小，并且可以定量地进行测定。岩石的渗透率定义为“在压力作用下，岩石容许其孔隙中所含流体的流动能力”。1.达西定律第56页，共148页，编辑于2022年，星期一 1856年由法国工程师达西(Henri Darcy)在人工砂子所堆成储层模型中，从水在一定压差下通过人工砂子的试验中得出了计算渗透率的最初形式。达西指出：在其它因素相同的情况下，单位渗流的表面积所通过的流量QA，正比于两个端面之间的压头H，亦即或 系数K就被定义为渗透率。式中a为比例常数。这一表达式后来又作进一步研究，将流体粘度考虑在内，就引出渗透率的概念。第57页，共148页，编辑于2022年，星期一 达西定律的前提是假定：达西定律的前提是假定：1）流体和岩石之间不发生物理一化学反应；2）岩石孔隙中只存在一种流体。渗透率的大小取决于岩石孔隙的大小、形状及连通情况，亦即与孔隙结构有密切关系。在对一个区域或一个油层来评价渗透率时，不能仅仅考虑在一个点上所得的渗透率，因为岩石的渗透率还与水的流动方向、沉积特征以及岩性等有关。渗透率具有方向性。垂直方向和水平方向的渗透率也由于颗粒填集方式而不相同。第58页，共148页，编辑于2022年，星期一 2.渗透率的单位 渗透率一般采用以下两种单位。（1）CGS制单位制单位 在克、厘米、秒制单位中，流量Q的单位是厘米3秒；粘度的单位是泊或达西秒/厘米2；长度dx用厘米；面积A用厘米2；压力p用达因厘米2；此时渗透率K的度量单位是：沿长度方向积分后，得其单位为：于是，渗透率的单位是厘米2。在实用时，对于油气储集岩来说，这个单位是太大了，应用时不太方便。第59页，共148页，编辑于2022年，星期一（2）混合制单位混合制单位 由于使用CGS制单位时，渗透率的单位是厘米2，对于油气储集岩来说是过大的，为了避免用分数数值，因而采用比较实用的混合制单位。在混合制单位中，流量Q的单位是厘米3秒，粘度的单位是厘泊，面积A的单位是厘米2，长度L的单位是厘米，压力P的单位是大气压。亦即，渗透率K等于第60页，共148页，编辑于2022年，星期一 通常，孔隙介质容沂粘度为1厘泊的流体，在压力梯度为l大气压厘米的作用下，通过断面面积为l厘米2，流量为1厘米3秒时，此时所得渗透率的单位定义为l达西。在实际使用时，达西的单位仍然过大，因此常用毫达西(1达西l000毫达西)。“达西达西”和和“厘米厘米2 2”的关系为：的关系为：1公斤厘米21000克厘米29811000达因厘米2，98l是重力加速度，单位是厘米秒2。1厘泊0.0l泊001达因秒厘米2。于是渗透率的单位之间关系为于是渗透率的单位之间关系为 第61页，共148页，编辑于2022年，星期一（3）国家标准计量单位国家标准计量单位 国家标准计量单位中规定渗透率的单位是微米2(m2)。因此 l达西10-8厘米2l微米2 l毫达西10-3达西l0-3微米2 在计算中，压力的单位应采用兆帕(MPa)，而不能用大气压或公斤厘米2。两者之间的关系：lMPa9.86923标准大气压l0.19715工程大气压或者 l标准大气压O.lOl325MFal.03227工程大气压为了实用方便，规定为 地面标准条件1大气压O.l01Mpa第62页，共148页，编辑于2022年，星期一二、二、流体呈线性流动时的渗透率流体呈线性流动时的渗透率 在油气层中，流体呈多种流动方式，包括有线性流动、径向流动和球面流动。各种流动方式的流线是不一样的，因此其计算渗透率的公式也不相同。在实验室中，一股都采用线性流动的方式。流体呈线性流动时，其模型如图l-3-3所示 图1-3-3 流体在岩石中呈线性流动第63页，共148页，编辑于2022年，星期一 当岩石孔隙中由一种不可压缩流体l00地饱和，流体在岩石的横切面积A内呈均匀分布，液流呈水平流动，则达西公式为:移项后得 两端积分 简化整理得 1.不可压缩液体呈线性流动时的达西公式：第64页，共148页，编辑于2022年，星期一 当流体是可压缩的气体时，由于在不同压力下气体的体积不同，当压力从pl变化到p2时，气体的体积和流速都在变化。因此，必须考虑采用平均的体积流量Q，亦即：2.气体至线性流动时的达西公式第65页，共148页，编辑于2022年，星期一 假如把气体膨胀视作为等温过程，则按波义耳马里奥特定律，有：式上Qo在大气压力po时的气体体积流量；Q在平均压力p(p1十p 2)2时的气体平均体积流量。由上式可得出：把Q值代入式(140)中，则有 一般在实验室中，只要测出Qo、p1和p2，并测量出岩心长度L和面积A，即可计算出。第66页，共148页，编辑于2022年，星期一三、三、气体在管壁上的滑脱气体在管壁上的滑脱克林贝格效应克林贝格效应 从理论上来说，用不同的流体测定岩石的渗透率其值应当是相同的。但在实际情况下，气体和液体所测的同一块岩石样品可以得到不同的渗透率。图l-3-4是用甲烷、乙烷、丙烷和蒸馏水测定同一块岩石样品渗透率的结果，由图可见，在不同压力下，有不同的渗透率。第67页，共148页，编辑于2022年，星期一 克林贝格提出了对这一现象的解释。按照气体动力学理论，可以把分子看成是直径约为万分之一微米的微球，在大气压力下，这些微球之间的距离，大约是它们自身直径的十倍。这些分子在十分高的速度下运动(大约是声速)，并且用任意的方式碰撞。其自由运动的平均长度与压力成反比。对于稀薄气体，其平均自由行程的数值是很大的。第68页，共148页，编辑于2022年，星期一图1-3-4 气体渗透率随平均压力和气体类型的变化(据klinkenberg)第69页，共148页，编辑于2022年，星期一 当压力接近大气压力时，由于单位体积内气体分子的数量仍很多，因而大部分的碰撞仍然限于分子之间，而不是分子与管壁之间。当压力很低时，由于气体分子相互碰撞而导致的内摩擦趋于消失，这时气体流动主要是受到分子与管壁那部分碰撞的影响。此时，所出现的分子流动与粘滞流动无关，粘滞系数已不再具有意义。第70页，共148页，编辑于2022年，星期一图1-3-5 气体“滑脱效应”示意图 正是由于上述气体流动的特点，由于在低压时粘滞系数不具实际意义。因此，气体在小孔道中呈匀速流动，而液体则不然，在孔道中心的液体分子比靠近孔壁表面的分子流速要高(如图l32所示)。对比气体和流体流动，气体在孔道中的流动特征称之为气体在管壁上的滑滑脱现象脱现象。亦称为克林贝格效应克林贝格效应(Klinkenberg effect)。第71页，共148页，编辑于2022年，星期一 由上可见，在气体平均流动压力下降时，应用达西定律有愈加增大其误差的趋势。克林贝格用公式1-42将平均压力p，气测的视渗透率Ka和真实的渗透率K1联系起来，得 其中b=常数，取决于分子在P下的平均自由行程 式中c1；r孔道半径。上式中的KL为真实渗透率，亦就是气体测定的视渗透率延伸到纵坐标轴上的交点，该点也称为液体渗透率液体渗透率。第72页，共148页，编辑于2022年，星期一 经过用上式将气测渗透率进行校正，并在图l-3-4上求得液体渗透率，表明利用不同气体所测出的Ka与lp的关系，它们最终均可聚集在一点，即Kl。于是，可以把该点作为渗透率对比的依据，也就是实际的岩石渗透率，也称为克林贝格渗透率或克氏渗透率。它与用来测定渗透率的流体性质无关。第73页，共148页，编辑于2022年，星期一 为了求得克氏渗透率，还可用以下几种方法：1.R.Iffly1.R.Iffly方法方法(1956年)当p接近于0.lMPa时，有 式中C常数，单位是微米。由统计确定。如果该样品已测定毛管压力一饱和度关系曲线，则可用下式计算，即C7pe，其中pe是平均毛管压力。第74页，共148页，编辑于2022年，星期一2.Purcell2.Purcell方法方法 式中Ka气测渗透率，10-3m2；孔隙度，分数；p1/2(p1十p 2)，平均测定压力，0.lMPa；C常数。当Ka(0lO)10-3m2时；C2.26；当Ka(10一lO0)1010-3m2时，C2.42；当Ka l00lO10-3m2时，C2.72。第75页，共148页，编辑于2022年，星期一 3.Core lab3.Core lab公司的图版法公司的图版法 可直接由图l-3-6根据Ka查得KL。第76页，共148页，编辑于2022年，星期一 以上三种方法都带有经验统计性。针对所研究的油气田的储层特点，建立符合所研究储层的经验统计式。第77页，共148页，编辑于2022年，星期一四、四、流体呈径向流动时的渗透率流体呈径向流动时的渗透率 流体在岩石中呈径向流动时，类似于从一个圆柱体的排液范围流入一口井的井底，如右图所示。研究流体在圆柱体中作水平径向流动时，与线性流动主要不同点是其横截面在不断改变，由外围向内部断面逐渐变小，相应的流速也在不断改变，由外围向内部逐渐增加。图1-3-7 流体径向流入一口中心井的砂岩模型第78页，共148页，编辑于2022年，星期一 如果圆柱体的外部半径为Re，内孔半径为Rw，则不可压缩流体作稳定状态的径向流动时，其流动方程为：分离变量并积分 式中Q液体的流量，厘米3秒；K渗透率，微米2；h厚度，厘米；液体的粘度，厘泊；Re外边界的半径，厘米；Rw内边界的半径，厘米；pe排液外边界的压力，0.1MPa；pw排液内边界的压力，0.lMPa。第79页，共148页，编辑于2022年，星期一 如果流体是可压缩的气体，虽然在孔隙介质内任意一个裁面上的质量流量不变，但其体积流量则是不相同的，流量实际上是与线性流动时相同，应采用平均流量Q。对于可压缩流体的稳定流动，上式可改写为：或 式中Qo在大气压下的可压缩气体的体积流量，厘米3秒；Q在平均压力p=1/2(pe+pw)时可压缩气体的体积流量，厘米3秒。同样有：式中po=大气压力。近似等于0.1Mpa。第80页，共148页，编辑于2022年，星期一五、五、组合层的平均渗透率组合层的平均渗透率 前面的流动方程，都是指均质储层或均匀岩石的渗透率计算公式。实际的油气储集层往往是非均质的，要全面研究非均质储层的渗透率是非常复杂的，这里介绍几种简单的模式，供在实用中参考。第81页，共148页，编辑于2022年，星期一 相当于在储层中有若干平行的小层叠加而成，每个小层有不同的厚度、面积、流量和渗透率(如图135所示)，此时，该组合层的平均渗透率厌可以计算如下：因为两端压力对各小层都相同，为P1和P2。所以有：以有 因为 ，所以有：于是得 1.并联组合层线性流第82页，共148页，编辑于2022年，星期一图1-3-8 线性流的并联组合层第83页，共148页，编辑于2022年，星期一 对于并联组合层径向流 对于第一个小层，有 因为 ，所以有 于是：2.并联组合层径向流第84页，共148页，编辑于2022年，星期一图1-3-9 并联组合层的径向流第85页，共148页，编辑于2022年，星期一 储层或岩石是由一连串不同长度、不同渗透率所组成的体系。每一小层的压降不同，但通过的流量是相同的。对于串联组合层线性流来说，其平均渗透率可以计算如下：因为 Q=Q1=Q2=Q3 而 p1-p2=p1+p2+p3 L=L1+L2+L3 所以 3.串联组合层线性流第86页，共148页，编辑于2022年，星期一图1-3-10 串联组合层的线性流第87页，共148页，编辑于2022年，星期一同时 于是 因为最后得第88页，共148页，编辑于2022年，星期一Q=Q1=Q2=Q3以及 pe-pw=p1+p2+p3其平均渗透率等于 对于其中某一段，有 因为Q=Qi，于是有 由于 ，所以最后得：4.串联组合层径向流第89页，共148页，编辑于2022年，星期一图1-3-11 串联组合层径向流第90页，共148页，编辑于2022年，星期一六、六、渗透率的测定方法渗透率的测定方法 对经过抽提、洗净、烘干的岩石样品，预制成长约3厘米，直径为22.5厘米的圆柱体，在一定的温度和压力下，用空气、氮气或蒸馏水渗过岩样进行测定。仪器装置如图l39所示。图1-3-12 气测渗透率仪示意图1.气测渗透率仪气测渗透率仪在实测室中直接测定岩石渗透率的方法有以下几种:第91页，共148页，编辑于2022年，星期一图1-3-13 气测渗透率是否是层流状态的检验第92页，共148页，编辑于2022年，星期一 2.IFP2.IFP型可变压头渗透率仪型可变压头渗透率仪 该仪器由法国石油研究所推出，七十年代引入我国。由于仪器简单、测试方便而被广泛应用。仪器的外形如图l一4l所示。仪器主要由岩心夹持器、吸力球以及插入水池的定容流量管组成。流量管自上而下是由细变粗，测定某一岩样的渗透率时，只用其中一段O一0.5毫升或者0一l毫升。当液面自0下降到0.5或l毫升的刻度位置时，记录时间To利用下面的公式便可计算出样品的渗透率，即 图1-3-14 可变压头渗透率计,IFP型第93页，共148页，编辑于2022年，星期一 式中K岩样渗透率，10-3m2；B仪器常数，由出厂仪器标定；空气粘度，厘伯；A岩祥横截面积，厘米2；L岩样长度，厘米；T水面自流量管上标记“0”刻度下降到下标记“o.5”或“l”时所需的时间，用秒表记录，秒。第94页，共148页，编辑于2022年，星期一为了模拟油气自地层向井底流动，并测得更有代表性的渗透率，通常将取出的全直径大岩芯，在其中心钻一1.O或0.5厘米的圆孔，使气体自外圆流到中心孔，构成气流的径向渗流，并按径向流公式计算出样品的渗透率。测试的仪器见图1-3-15。3.径向渗透率测定仪径向渗透率测定仪第95页，共148页，编辑于2022年，星期一 全直径岩心气测渗透率仪如图l-3-16所示。由于全直径岩心的两个端面是垂直方向的，因此，通过两个端面所测定的渗透率是岩心的垂直渗透率。对于油气田开发来说，流体在地层中的流动是沿水平方向的，因此，在全直径岩心测定水平方向的渗透率时，必须在岩心的侧面开两个矩形的“窗口”，以便佼气体从一测流到另一侧，在气体流动过程中它的流线分布如图l-3-17所示。它基本上还属于线性流。4.全直径岩心气测渗透率仪全直径岩心气测渗透率仪第96页，共148页，编辑于2022年，星期一七、七、有效应力下的渗透率有效应力下的渗透率 根据岩样所承受的有效应力在岩心上施加围限压力，然后用测定渗透率的常规方法进行测定。不同的岩石性质，其渗透率随围限压力增加而下降的幅度各不相同。纯石英砂岩(图l47中的17号样品)，在30Mpa围限应力下，渗透率下降了大约17；而泥质砂岩(图147中的16号样品)，在30MPa围限应力下，渗透率可下降78一86；长石砂岩或石英一长石砂岩则居中间位置。渗透率在10MPa以前的围限应力下，其下降幅度很陡，而在10MPa以后，趋于平缓，甚至基本不变。第97页，共148页，编辑于2022年，星期一图1-3-20 渗透率随围限压力增加而降低No17纯石英砂岩No18长石岩屑砂岩No5含泥长石砂岩No15泥质长石砂岩No16泥质长石砂岩第98页，共148页，编辑于2022年，星期一 一般可以采用地面条件测定的渗透率K与在围限压力下测定的渗透率K的比值来衡量渗透率的变化，亦即使用 在使用渗透率比值或者渗透率降低百分数时，必须注明是在什么围限压力下的数值。第99页，共148页，编辑于2022年，星期一表1-3-1 样品随围限压力增大渗透率下限的数据 第100页，共148页，编辑于2022年，星期一八、八、确定渗透率的间接方法确定渗透率的间接方法 小松之斡（1978）概括了用岩石学参数和孔隙度来间接确定渗透率的若干经验式，包括：对于砂岩储集岩来说，间接确定渗透率的方法大都是根粒度分析或者薄片鉴定资料来建立经验统计式，但这些统计式又受到地区资料的局限而不能广泛推广