第二章岩石组成与岩石物理性质ppt课件.ppt

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1、一、岩石的结构 1、火成岩的结构，是由矿物晶体组成的，岩浆冷却结晶的时间越长，形成的晶体越大。,第二节 岩石的结构特点及其对强度的影响,第二章 岩石组成与岩石物理性质,2、沉积岩的结构 有两种:一是碎屑结构，二是结晶结构。 碎屑岩是由单个颗粒通过胶结物胶结而成的，其中有大量的孔隙，常见的胶结物有钙质和硅质两种。 结晶沉积岩的结构是由沉积过程中生成的晶体决定的，晶体形成一种紧密排列结构，原生孔隙小，如岩盐，也可以成为生油、储油层，主要是油气层的很好的盖层。,第二节 岩石的结构特点及其对强度的影响,3、变质岩的结构，有片状结构和非片状结构两种。片状结构是在高温高压下，由重结晶作用和各种矿物的分离作

2、用而造成的明暗矿物间互带。,第二节 岩石的结构特点及其对强度的影响,二、岩石的强度 岩石的强度主要取决于矿物强度、结构联结形式、岩石的结构和整个构造。 对于火成岩、变质岩、化学沉积岩来说，化学结构连结起主要作用，因此，其组成矿物的强度越大，岩石的强度就越大。 对于碎屑沉积岩来说，其胶结物对强度影响程度最大，即其强度主要取决于矿物颗粒间的联结强度。不同胶结物的联结强度不同：硅质铁质钙质泥质。,第二节 岩石的结构特点及其对强度的影响,岩石的物理性质是指岩石的孔隙度、渗透率、可压缩性、导电性、传热性的总称。 岩石是由固体的矿物和矿物颗粒之间的孔隙组成的，孔隙中通常有孔隙流体存在。在砂岩的扫描电子显微

3、镜照片，我们可以清楚地看到砂岩中的石英颗粒，并且还可以看到石英颗粒之间存在着流体流通的网络。岩石正是这样一种特殊的多孔介质，一种由固体矿物和流动的孔隙流体组成的多相体。,第三节 岩石的物理性质,砂岩的扫描电子显微镜照片。照片中可以看到砂岩中的石英矿物颗粒(黑色)，也可以看到它们之间的孔隙,孔隙流体的存在，对岩石性质有着极其重要的影响。例如，岩石中孔隙体积增加1，会导致岩石弹性参数变化10倍，或者更多, 也会导致岩石渗透率发生几个数量级的变化。 岩石内部孔隙及孔隙流体的存在，是石油得以生成、矿物得以富集的前提。 岩石的物理性质与其力学性质密不可分，因此，研究岩石的物理性质是岩石力学研究的一个重要

4、内容。,SEDIMENTARY ROCKS,ClasticsCarbonatesEvaporites,一、岩石的孔隙度,DEFINITIONS - SEDIMENTARY ROCK,一、岩石的孔隙度,CLASTIC AND CARBONATE ROCKS,一、岩石的孔隙度,Grain-Size Classification for Clastic Sediments,一、岩石的孔隙度,c.砂土的分类,粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%的土，且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土称为砂土,一、岩石的孔隙度,d.粉土的分类,粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%，塑性指

5、数IP10的土称为粉土,e.粘性土的分类,粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%，塑性指数IP10的土称为粘性土，粘性土根据塑性指数细分,一、岩石的孔隙度,FOUR MAJOR COMPONENTS OF SANDSTONE,碎屑,一、岩石的孔隙度,沉淀,FOUR COMPONENTS OF SANDSTONE,Geologists Classification,DUAL POROSITY IN SANDSTONE,一、岩石的孔隙度 岩石的孔隙度是岩石孔隙的总体积与岩石总体积之比，常用百分数表示。岩石的总体积V总由基质的体积V基和孔隙体积V孔两部分组成，则岩石的孔隙度表示为： = 上

6、式中，值为无因次量，称为绝对孔隙度。,一、岩石的孔隙度,在油田开发中，参与渗流的连通孔隙才是有效的，对于那些封闭孔隙，尽管其中有油气储存，但是很难开采出来，因此称为无效孔隙。 这样就把孔隙度分为有效孔隙度和无效孔隙度两种。 岩石的有效孔隙度，是指岩石中有效孔隙的体积与岩石总体积的比值，以百分数表示。有效孔隙体积是指参与渗流的连通孔隙体积，以有效、V连通分别表示岩石的有效孔隙度和连通孔隙体积，则： 有效=,一、岩石的孔隙度,CUBIC PACKING OF SPHERES,Porosity = 48%,一、岩石的孔隙度,RHOMBIC PACKING OF SPHERES,Porosity =

7、27 %,一、岩石的孔隙度,一、岩石的孔隙度,按照孔隙度值来划分或评价储集层，其标准为： 20 特好储层,一、岩石的孔隙度,Grain-Size Sorting in Sandstone,一、岩石的孔隙度,SANDSTONE COMPOSITION,Framework Grains,Norphlet Sandstone, Offshore Alabama, USA,Grains 0.25 mm in Diameter/Length,PRF,KF,P,KF = Potassium,Feldspar,PRF = Plutonic Rock,Fragment,P = Pore,Potassium F

8、eldspar is,Stained Yellow With a,Chemical Dye,Pores are Impregnated With,Blue-Dyed Epoxy,KF Q,Q,Q = Quartz,Photo by R. Kugler,Plutonic rock fragments are derived from igneous rocks, such as granite.,一、岩石的孔隙度,POROSITY IN SANDSTONE,Photomicrograph by R.L. Kugler,一、岩石的孔隙度,压缩,POROSITY IN SANDSTONE,Photo

9、micrograph by R.L. Kugler,一、岩石的孔隙度,POROSITY IN SANDSTONE,一、岩石的孔隙度,残余,自生高岭土,土坝蓄水后水透过坝身流向下游,隧道开挖时，地下水向隧道内流动,在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为渗透,二、岩石的渗透性,在压力作用下，岩石允许流体通过的性质称为岩石的渗透性。 习惯上人们常常把那些在地层压力条件下流体比较容易地沿着连通的孔隙、喉道、裂缝、溶洞流动的岩石，例如砂岩、裂缝性碳酸盐岩称为渗透性岩石；而把流体难于在其中流动的岩石、粘土或页岩、石膏、岩盐等称为非渗透性岩石。但是这种提法是不严格的，因为一方面渗透是有条件的，另一方面同一

10、种岩石的渗透能力也是不断变化的。,二、岩石的渗透性,最先研究岩石渗滤能力大小这一现象的是法国工程师达西。他利用人工砂体研究了水的渗滤。达西的实验表明人工砂体单位面积水流的体积变化率Q/A与进口和出口两个端面间的水头差H成正比，而与砂体的长度成反比。即：,二、岩石的渗透性,一、达西定律,1856年法国学者Darcy对砂土的渗透性进行研究,结论：水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比,水力梯度，即沿渗流方向单位距离的水头损失,二、岩石的渗透性,二、渗透变形,渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动，导致土体变形渗透变形问题（流土，管涌）,1.流土在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范

11、围内土 粒群同时发生移动的现象,流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处，不发生于土体内部。开挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏。细砂、粉砂、淤泥等较易发生流土破坏,二、岩石的渗透性,2.管涌在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒的孔隙，发生移动并被带出的现象,土体在渗透水流作用下，细小颗粒被带出，孔隙逐渐增大，形成能穿越地基的细管状渗流通道，掏空地基或坝体，使其变形或失稳。管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处，发展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏,二、岩石的渗透性,后来的研究者发现，达西定律(Darcys law )可以应用于其它流体，把上式中的比例常数k改写为k

12、、为流体的粘度,k为表征岩石性质的系数，即渗透率。后来经进一步修正，得到达西定律(Darcys law )的通式为：,二、岩石的渗透性,上式中： Q 为通过孔隙介质的流量，厘米3秒； A 为流体通过的横断面积，厘米2 ； 为流体的粘度，厘泊； k 为岩石的渗透率，达西； dp/dx 为单位长度上的压力降，大气压厘米。,二、岩石的渗透性,渗透率的单位是达西，它的物理意义是孔隙介质允许粘度为1厘泊的流体，在压力梯度为1大气压厘米的作用下，通过截面面积为1厘米2的流量为1厘米3秒，此时孔隙介质的渗透率称为1达西。,达西定律成立的前提条件是： (1)假设流体与岩石之间不发生物理化学反应； (2)渗滤介

13、质中只存在一种流体。,二、岩石的渗透性,二、达西定律适用范围与起始水力坡降,达西定律,讨论：,砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系,密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透;同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系,起始水力坡降,虚直线简化,v=ki,二、岩石的渗透性,实际油藏大多是油水（或气），甚至是油、气、水三相共存于孔隙中。注水开发的油田，油水不仅是共存而且还同时流动。为了研究多相流体在岩石中的渗滤能力与性质，引入了绝对渗透率、有效渗透率和相对渗透率的概念。,二、岩石的渗透性,有效渗透率Ke 当岩石为两种或多种流体饱和时，岩石允许其中某种流体渗滤能力的大小。不论此

14、时其流体流动与否。 相对渗透率Kr 岩石的有效渗透率与绝对渗透率的比值。,绝对渗透率K 岩石完全为某种流体所饱和时，岩石与流体之间不发生物理化学反应，在压力作用下岩石允许该种流体所通过能力的大小。（达西所描述的渗透率）,二、岩石的渗透性,储层岩石的孔隙空间中，总是会有油气水三相。在油层温度和压力下，岩石孔隙空间中的流体是按一定方式分布的。 储集层岩石的孔隙中，某种流体占据孔隙空间的体积百分数，称为该流体的饱和度。,三、岩石中的油气水饱和度,若储集层的孔隙中只含有油和水两相，油和水所占据的孔隙空间分别为Vo、Vw，岩石的孔隙度为，岩石中的孔隙总体积为Vp，岩石的总体积为Vb，则含油饱和度So和含

15、水饱和度Sw分别为： S0= Sw=,三、岩石中的油气水饱和度,且有：S o+Sw=1 若储集层中，除含油和水外，还含有气体，则含气饱和度为： Sg= 此时，油气水的饱和度应满足： SoSwSg1,三、岩石中的油气水饱和度,储层岩石中的含油饱和度和含水饱和度在油田的勘探开发过程中具有十分重要的作用，在油田的储量计算、油田动态分析、注水驱油效率的研究、油田剩余储量的利用以及提高最终采收率方面，它们都是不可缺少的参数。,三、岩石中的油气水饱和度,岩石的粒度组成是指构成岩石的各种大小不同的颗粒含量，以百分数表示。 粒度组成的通用分析方法是筛分析法。即采用孔径不同的一系列筛子将岩心颗粒按大小分成数组，

16、然后称量每组的质量即可得到每个粒度范围内的质量百分比。 筛孔的表示法通常是按每英寸长的孔数来表示的，称为目。 对于粒度小于0.074-0.053mm的细粒，一般用沉降分析法确定。,四、岩石的粒度组成与比表面积,筛分法,用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置。将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土质量，然后计算其占总土粒质量的百分数,四、岩石的粒度组成与比表面积,比重计法,利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量,四、岩石的粒度组成与比表面积,颗粒粒径级配曲线,纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比,横坐标表示土粒的粒径(对数坐标）,四、岩石的粒度组成与

17、比表面积,颗粒级配的描述,工程上常用不均匀系数Cu描述颗粒级配的不均匀程度,d10、d30、d60小于某粒径的土粒含量为10%、 30%和60%时所对应的粒径,Cu愈大，表示土粒愈不均匀。工程上把Cu5的土视为级配不良的土； Cu10的土视为级配良好的土,曲率系数Cc描述颗粒级配曲线整体形态，表明某粒组是否缺失情况,对于砾类土或砂类土，同时满足Cu5和Cc=13时，定名为良好级配砂或良好级配砾,四、岩石的粒度组成与比表面积,根据颗粒大小将碎屑岩分为如下三大类： 砂 岩 主要粒度组成 1-0.1 mm 细砂岩 主要粒度组成 0.1-0.0lmm 粉砂岩 主要粒度组成小于 0.0lmm 主要粒度组

18、成是指其质量百分比必须达到50-80的颗粒。,岩石的粒度组成可以决定岩石的许多物理性质。如根据各种颗粒的数量比值，可确定岩石的孔隙度、容积比重、渗透率、毛细管力等。,四、岩石的粒度组成与比表面积,岩石的比表面积是指单位体积的岩石内颗粒的总表面积。单位用厘米2厘米3表示。岩石中细颗粒越多，它的比表面就越大，反之就越小。 砂 岩 小于950厘米2厘米3 细砂岩 950-2300厘米2/厘米3 粉砂岩 大于2300厘米2/厘米3,四、岩石的粒度组成与比表面积,习题,假设有同样粒径的小球立方堆积成的岩石 当小球的直径为1mm, 请计算岩石的孔隙度和岩石的比表面积。当小球的直径为0.5mm, 请计算岩石的孔隙度和岩石的比表面积。讨论尺寸效应,当小球的直径为1mm 在1立方毫米的正方体中只有1个小球则,当小球的直径为0.5mm 在0.125立方毫米的正方体中只有1个小球则,