油层物理学成都理工ppt课件.ppt

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1、油层物理学课件,成都理工大学能源学院,第一章 储油气岩石的物理性质,第一节 储集岩的孔隙空间和孔隙类型,一、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。,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

2、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,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。,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

3、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,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。,二、砂岩储集岩的孔隙类型,粒间孔、溶蚀孔、微孔隙和裂隙。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：,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

4、、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。,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

5、不同的孔隙组合。（1）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。,（2）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）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，

6、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。,（4）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）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。,1）溶孔 不受颗粒边界限制，边缘呈港湾状，形状不规则。2）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）铸模

7、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:,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）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。,（7）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

8、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。,图1-1-3 砂岩储集岩的孔隙类型示意图,三、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1-1-4 碳酸盐岩的孔隙分类命名（据Choquette;p.p.w.&pray,L.C.,1970）,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

9、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。,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 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。,（2）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

10、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。,（3）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）收缩孔隙 由于沉积物的收缩作用而形成的孔隙。（5）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

11、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。,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

12、的重要。,第二节 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、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。,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）,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。,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。绝对孔隙度是指岩

13、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(含烃)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。,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。,二、理想介质的孔隙度,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

14、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。,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%,三、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

15、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。,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。,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

16、动的水可以具有很高的流速和呈现涡流。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。,四 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,2）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

17、入岩石孔隙。,图1-2-6 水银体积泵装置示意图,1）比重瓶法 2）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,3）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,4）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,1）饱和流体法 这

18、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,图1-2-12 饱和流体测孔隙度的流程,2）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,五、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F。,1.用地层系数确定孔隙度,F值取决于岩

19、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。,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,图1-2-16 地层系数与孔隙度的关系,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,六、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，gc

20、m3；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。,图1-2-17 中子计数与孔隙度的关系曲线,图1-2-18 传播时间和孔隙度的关系,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：,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,油田埋深较浅的特点，流体压力受围岩三个方向的

21、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。,七、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。,图1-2-22 岩块中裂缝的

22、简单示意图,图1-2-23 岩层弯曲后断裂的单元,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。,八、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

23、均孔隙度,第三节 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、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,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

24、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。,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

25、颗粒填集方式而不相同。,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 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。,（2）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，

26、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,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”和“厘米2”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,（3）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

27、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,二、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,当岩石孔隙中由一种不可压缩流体l0

28、0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：,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,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

29、面积A，即可计算出。,三、气体在管壁上的滑脱克林贝格效应,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。,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。

30、,图1-3-4 气体渗透率随平均压力和气体类型的变化(据klinkenberg),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。,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

31、，气体在孔道中的流动特征称之为气体在管壁上的滑脱现象。亦称为克林贝格效应(Klinkenberg effect)。,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。,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

32、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。,为了求得克氏渗透率，还可用以下几种方法：1.R.Iffly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。,2.Purcell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 l00lO

33、10-3m2时，C2.72。,3.Core lab公司的图版法 可直接由图l-3-6根据Ka查得KL。,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。,四、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,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

34、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。,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。,五、组合

35、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。,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,图1-3-8 线性流的并联组合层,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,图1-3-9 并联组合层的径向流,储层或岩

36、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,图1-3-10 串联组合层的线性流,同时,于是,因为,最后得,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,图1-3-11 串联组合层径向流,六、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

37、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,在实测室中直接测定岩石渗透率的方法有以下几种:,图1-3-13 气测渗透率是否是层流状态的检验,2.IFP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

38、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,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。,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,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

39、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,七、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14

40、7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。,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,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。,表1-3-1 样品随围限压力增大渗透率下限的数据,八、确定渗透率的间接方法,小松之

41、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使用。因此，各个地区都必须建立适合本地区的经验式，否则会导致很大的误差。,十、渗透率和孔隙度的关系,影响渗透率和孔隙度的地质因素有许多是共同的，大量资料表明，渗透率和孔隙度之间有一定的相关关系。渗透率与孔隙度有较好的相关性(见图l-3-21)。,图1-3-21 渗透率对孔隙度的交会图左图为道格统砂岩 右图为上石炭统砂岩(Fchtbauer,1963),各种不同颗粒直径的砂子的渗透率同

42、孔隙度之间的关系各不相同(见图1-3-22)。随着粒径变小，在同样的孔隙度下，渗透率要减小。对于每一种粒径的砂子，随着孔隙度的增大，渗透率也相应地增大。,图1-3-22 不同粒径的孔隙度和渗透率的关系图1.粗的和十分粗的颗粒 2.粗的和中等的颗粒 3.细颗粒 4.淤泥 5.粘土(Chlilngarian和Wolf,1964),每个地区有不同的情况,在成岩作用强烈、次生变化复杂的情况下，Levorsen总结了一句名言：“孔隙度和渗透率之间的定量关系是模糊的和可变的”。,十一、裂缝性岩石的渗透率,对于含有裂缝的岩石，如何估价裂缝的渗透率是一个重要的问题。一般来说，裂缝的渗透率远大于基质的渗透率。岩

43、石的总渗透率将等于基质渗透率和裂缝渗透率的总和。单一的裂缝渗透率，是指液体沿两块不渗透的平板之间的裂缝进行流动时的渗透率。据E.C鲍姆研究提出了下列计算式，即 Kf=8.43106bm2f 式中Kf=裂缝渗透率，um2；bm=裂缝的宽度，mm；f=裂缝率，小数。,但是，自然界中岩石既含有裂缝，且基质又是孔隙介质，对于这种情况，Parsons(1996)所提出的公式具有一定的代表性。他提出裂缝岩层系数总的渗透率KfT等于：,式中KfT=系统的总渗透率；Km=基质渗透率；bma和bmb=分别为a组和b组的裂缝宽度；和=分别为裂缝组与液体流动方向之间的夹角；A和B分别为a组和b组的裂缝之间的垂直距离

44、。,第四节 储集岩的油气水饱和度,作为油气生成、运移、聚集等多种因素形成的结果，在油气储集层中存在1液态烃类2气态烃类3地层水等流体，它们以各种方式分布在储集岩的孔隙空间之中。有的孔隙空间可以完全是地层水，有的则是烃类和水共存。研究孔隙空间中各种流体所占比例，也就是储集岩的油气水饱和度。它也是烃类储量计算中的一个重要参数。,1.油气水饱和度的定义,油气储集岩的孔隙中，某种流体所占的数量占总的孔隙体积的百分数，称为该种流体的饱和度。对于油气储集层来说，油所占的体积、气所占的体积以及水所占的体积占孔隙体积的百分数，分别称为含油饱和度So、含水饱和度Sw、含气饱和度Sg。,一、流体饱和度,如用公式表

45、示,即,含油饱和度So=Vo/Vp100%含水饱和度Sw=Vw/Vp100%含气饱和度Sg=Vg/Vp100%,式中Vp=孔隙体积,3；Vo、Vw、Vg=分别为油、气、水所占的体积，3。,如果孔隙中只有油和水或者只有气和水，则有 So+Sw=1或者 Sg+Sw=1 如果孔隙中油气水三相共存，则有 Sg+So+Sw=1以及 Vp=Vo+Vw+Vg 油气水饱和度是储量计算的必要参数，也是勘探中评价储层的主要依据之一，也是油田开发部署井网以及确定产量的主要依据。因此准确的确定油气水饱和度是至关重要的。,2.储层中油（气）水饱和度的分布,绝大部分储油（气）层属于沉积岩，它们最初是完全为水所饱和的。油气

46、则是以后通过从侧向或底部向储层中运移，油气的上升逐步排驱原来饱和在孔隙中的水。这个过程是受油、水孔隙系统所控制的。油柱向上移动并排驱水时所能排出的水量取决于油（气）及水的性质和岩石的孔隙大小和分布。对于一个背斜系统，石油（或气）在运移及聚集的过程中，是由流体之间的密度差所产生的“浮力”来驱使水从毛管孔隙喉道中排出，并让烃类通过孔隙系统。在油藏中的油水分布反映出毛管压力同油水两相压力差相平衡的结果。,确定水饱和度的变化是为了准确地进行储量计算，影响水饱和度的因素很多，还包括了油气性质、粘度、表面张力、温度和压力等因索，它们均可在不同程度上影响油（气）水饱和度在储层中的分布。油水在油藏不同位置储集

47、岩孔隙中的分布状态如图152所示。在油藏顶部的产油带，含油饱和度可达80左右，油呈大块分布在孔隙空间的中央，而水则分布在颗粒表面呈薄膜状；在过渡带，含油饱和度大约在50左右，油呈滴珠状分布在孔隙中央，水膜厚度加大；在含水区，含油饱和度只有10一20，油呈很小的圆滴处在孔隙中央，且与其它孔隙中的油滴不连续，而水则占据孔隙中的大部分位置。,图1-4-1 油作为非润湿相在孔隙中的分布示意图,二、几个重要的饱和度概念,按石油总公司颁发的“油气藏工程常用参数符号及计量单位”中规定：油气水饱和度要明确它所代表的意义以及用规定的符号表示。所以在实际使用时需要特别注意。1.含油、气、水饱和度 规定的符号为So

48、i、Swi、Sg。所谓原始含油、气、水饱和度是在油藏第一口井所取得的油层岩心，测试所得的油、气、水饱和度。简言之，油藏中处于原始地层压力和温度条件下油、气、水占孔隙空间的百分数称为原始含油、气、水饱和度。,规定的符号为，和。所谓平均含油、气、水饱和度有两种含义。一种是指单井储层段或产层段的平均值；另一种是指整个油层平面上的平均值。单井平均值采用厚度加权的方法，即,式中A=油层总面积，；Ak=单井所控制的油面积，；=单井平均饱和度。,2.平均含油、气、水饱和度,必须注意的是，所谓“平均”应有一个时间概念，如对原始状态的平均，则称为“平均原始含油、气、水饱和度”；如对开发过程某一时间的平均，则称为

49、“目前平均含油、气、水饱和度”；如对开发末期的平均，则称为“平均残余油、气、水饱和度”。,3.残余油、气、水饱和度 规定的符号为Sor，Sgr和Swr。油田开发的过程中，随着油层能量的下降以及油气水的采出，而最终将进入衰竭期。在达到某一经济极限时，油层便要停止开采。此时，残存在地层孔隙中的油、气、水量占孔隙体积的百分数称为残余油、气、水饱和度。4.气顶区的油、水饱和度 规定的符号为Sog和Swg。在油藏上部的气顶区中主要是天然气，但它还有部份轻馏份的油析出，固此气顶区还有油、水饱和度。,常用的符号与原始含水饱和度的符号相同Swi。油气层顶部岩石孔隙中未被最大油气浮力排出的水，称为束缚水饱和度。

50、在勘探和开发中为了方便起见，定义束缚水饱和度为“油层过渡带上部产纯油或纯气部份中岩石孔隙中的水饱和度，称为束缚水饱和度。”不同的油气藏，因其岩石和流体性质不同，油气运移条件的差异，因而束缚水饱和度亦相差很大。,5.束缚水饱和度,6.可动油、气、水饱和度 是指孔隙中油、气、水体积中在油田开发所具有的压差下，可以流动的油、气、水体积占孔隙体积百分数。可动的流体必须在孔隙空间中呈连续分布。7.不可降低的水饱和度 据Stout（1964）的定义：由于石油侵入岩石的孔隙空间，迫使水流出，使岩石这一部份体积中的间隙水变成不连续的，它将在油层岩石中残留下来作为不可降低的水饱和度。由于这一定义与束缚水饱和度的