第三章-储层岩石的物理性质

1第三章储层岩石的物理性质3-0简介石油储集岩可能由粒散的疏松砂岩构成，也可能由非常致密坚硬的砂岩、石灰岩或白云岩构成。岩石颗粒可能与大量的各种物质结合在一起，最常见的是硅石、方解石或粘土。认识岩石的物理性质以及与烃类流体的相互关系，对于正确和评价油藏的动态是十分必要的。岩石实验分析是确定油藏岩石性质的主要方法。岩心是从油藏条件下采集的，这会引起相应的岩心体积、孔隙度和流体饱和度的变化。有时候还会引起地层的润湿性的变化。这些变化对岩石物性的影响可能很大，也可能很小。主要取决于油层的特性和所研究物性参数，在实验方案中应考虑到这些变化。有两大类岩心分析方法可以确定储集层岩石的物理性质。一、常规岩心实验1、孔隙度2、渗透率3、饱和度二、特殊实验1、上覆岩石压力，2、毛管压力，3、相对渗透率，4、润湿性，5、表面与界面张力。上述岩石的物性参数对油藏工程计算必不可少，因为他们直接影响这烃类物质的数量和分布。而且，当与流体性质结合起来后，还可以研究某一油藏流体的流动状态。23-1岩石的孔隙度岩石的孔隙度是衡量岩石孔隙储集流体（油气水）能力的重要参数。一、孔隙度定义岩石的孔隙体积与岩石的总体积之比。绝对孔隙度和有效孔隙度。特征体元和孔隙度：对多孔介质进行数学描述的基础定义是孔隙度。定义多孔介质中某一点的孔隙度首先必须选取体元，这个体元不能太小，应当包括足够的有效孔隙数，又不能太大，以便能够代表介质的局部性质。iipUUUUMi)(lim)(0，)(lim)(MMMM称体积△U0为多孔介质在数学点M处的特征体元—多孔介质的质点。这样的定义结果，使得多孔介质成为在每个点上均有孔隙度的连续函数。若这样定义的孔隙度与空间位置无关，则称这种介质对孔隙度而言是均匀介质。对于均匀介质，孔隙度的简单定义为：绝对孔隙度：VVVVVGPa有效孔隙度：VVVVVVnGeP孔隙度是标量，有线孔隙度、面孔隙度、绝对孔隙度、有效孔隙度之分。区分△U△U0多孔介质孔隙度的定义φ013两类孔隙类型非常重要，一种是相互连通的有效孔隙，另一种是相对孤立的、不联通的死孔隙。相当大孔隙度由于缺乏相互连通的孔隙，使得液体无法流动，油藏工程计算中，用的就是有效孔隙度。孔隙度可以根据诱导孔隙成因的不同来划分。原始孔隙是在物质的沉积过程中形成的。而次生孔隙则在岩石沉积以后的地质过程中形成的。砂岩的粒间孔隙、某些石灰岩的鱼网状和鲕滩孔隙就是典型的原始孔隙。在页岩和石灰岩中发现的裂缝以及通常在石灰岩中发现的溶洞就是典型的次生孔隙。据有原始孔隙的岩石物性分布要比其他大部分的岩石均匀。石油工程师感兴趣的是有效孔隙。因此，要重视孔隙度的测定方法。1、现用已知密度的流体100%饱和岩样，然后测量由于饱和流体后岩石增量的重量来确定——有效孔隙。因为饱和的流体只能进入相互连通的孔隙空间。2、用砚钵或碾锥压碎岩样样本，从而确定岩心样本中的真实固体部分的体积——绝对孔隙，因为所有的孤立孔隙空间在压碎过程中均会消失。二、评价指标定性评价孔隙度（%）可忽略差较差较好好很好0-55-1010-1515-2020-25〉25三、测定实验室为了确定岩样的体积、孔隙体积和颗粒体积，采用多种方法。常用：气体法、液体法和颗粒密度法等。近年来，根据波义尔定律，利用气体法测量孔隙度占了绝对优势，主要原因：简单可靠，误差精度控制在0.5%之内。三、孔隙度加权平均4油藏岩石一般在垂直方向孔隙度有较大变化，但在与岩石层面平行的方向上变化不大。在这种情况下，可用算术平均孔隙度或厚度加权孔隙度来描述油藏的平均孔隙度。而沉积条件的变化则会引起油藏某一部分的孔隙度与另一部分的孔隙度相差很远。则用面积加权或体积加权的孔隙度来表示平均孔隙度。算术平均：ni/；厚度加权平均：iiihh/；面积加权平均：iiiAA/；体积加权平均：iiiiihAhA/53-2岩石流体的饱和度一、基本定义1、饱和度定义：储层岩石孔隙中某种流体所占的体积百分比。表征孔隙空间被某种流体占据的程度。1,,gwoPiiSSSwgoiVVS所有饱和度是基于孔隙介质而不是总油藏体积。2、原始含油饱和度：油藏投入开发前所测得的原始含油体积占岩石孔隙体积的百分数。poioiVVS原生（束缚）水饱和度：oiwiSS1原生（束缚）水饱和度比较重要，主要它占据了油气之间的空间，一般来说，它并不是在整个油藏中均匀分布，因为它随着渗透率、岩性以及自由水面的高度而变化。另一种特殊的相饱和度是临界饱和度，它与每种油藏流体有关。每种相临界饱和度的定义不同。二、临界油饱和度Soc如果油要流动，其油饱和度必须超过某一特定值，也就是临界油饱和度，在这种饱和度以下，油不流动。三、残余油饱和度Sor在原油系统的油气注入驱替过程中，将有剩余油存在，并用大于临界油饱和度的残余油饱和度Sor来描述。这些石油在数量上用一大于临界油饱和度的值来表征。这种饱和度的值就称为残余油饱和度。当被润湿相驱替时，残余油饱和度通常与非润湿相有关。6四、可动油饱和度Som定义为：可动油占据孔隙体积的百分比，ocwcomSSS1wcS——原生水饱和度；ocS——临界油饱和度。五、临界气饱和度Sgc当油藏压力降至泡点压力以下时，气体逐渐从油相中分离出来，随油藏压力的进一步下降，气体饱和度上升，当气相饱和度超过某一特定饱和度时，气体开始流动。这种饱和度的值就称为临界气饱和度。六、临界水饱和度Swc临界水饱和度、原生水饱和度和不可降低的水饱和度经常互换使用，并用它们来定义水保持不流动时的最大饱和度。七、平均饱和度利用层段厚度ih和层段孔隙度i加权来计算平均饱和度。niiinioiiiohShS11；niiiniwiiiwhShS11；niiinigiiighShS11八、测定方法（1）油基泥浆密闭取心分析法：通过高压密闭油基泥浆钻井，将油层的岩心取出，可以避免泥浆对岩心中流体的冲洗侵害，能保持地层岩心中流体的原始状态，在实验室对岩心进行专门仪器的蒸馏与冷却，测定冷却后束缚水的体积量。wioiPwwiSSVVV17（2）、测井资料解释法：利用测井资料，先确定原始含水饱和度，在确定原始含油饱和度。著名的阿尔奇（Archie）公式：nmtwwiRaRS/1)(Rw——地层水的电阻率，m.；Rt——地层的真电阻率（使用深电阻率测井），m.；m——胶结指数；1.4-2.8，一般使用2.0；对于软地层m=2.15；对于硬地层m=2.2；对于裂缝性地层m=1.4；对于碳酸盐地层m=1.87+0.19Φ；n——饱和指数，变化范围为1.4-10,一般取2.0,和m的指数相同。（3）、最小孔吼半径法：利用压汞法测毛管力，并计算不同毛管力下的孔吼半径大小，最高的毛管压力，对应于最小的孔吼半径和最低的含水饱和度（束缚水饱和度）。83-3岩石的渗透率一、岩石的绝对渗透率1、定义渗透率是储层岩石让流体通过的能力。1856年法国工程师HenryDarcy公布了他稳态试验的结果，后人把他的成果归纳和总结，称之为达西定律(DarcyLaw)。达西稳态线性关系是：udLAdPKLuPAKqPALquK达西单位制：Q—cm3/s；A——cm2；L——cm；u——mPa.s；P——atm；K——um2(达西)Darcy定律流量表达式：sin21gLPPKAQDarcy定律微分形式：singLPKvDarcy定律矢量形式：gPKv，kzjyix2、渗透率含义渗透率K是Darcy定律中的比例系数，它是反应多孔介质结构特性的一个参数表示为（L是沿流动方向）：singLPvK渗透率(k)是流体通过多孔介质能力的重要量度。它是表征多孔介质孔隙特征的重要9参数。渗透率定义为单位时间内，在单位压力梯度下，粘度为1个单位的流体通过单位横截面积孔隙介质的体积流量。渗透率单位取决于表示达西定律中的各量的单位。但渗透率在量纲上与面积量纲相同，在SI标准单位制中渗透率的单位是μm2（平方微米）。岩石的渗透率是一个二阶对称张量，一般来说储层岩石不是各向同性的，而是各向异性的。就砂岩储层来说，除了水平和垂直方向的渗透率有差异外，在平面上各个方向上的渗透率往往也有差异。有时，储层砂岩在水平方向上各方向的渗透率差异不大，可以认为是水平方向各向同性。当岩石中存在天然裂缝时，渗透率的各向异性更为突出。3、评价指标定性评价孔隙度（mD）特致密致密较致密好很好极好0.01-0.10.1-11-1010-100100-100010004、Darcy定律适用范围(1)单相流体饱和；(2)流体与岩石不发生任何物理和化学反应；(3)稳态层流（粘性流）。（4）有关限制：包括速度限制、密度限制。速度上限（高速情形）：Fanning摩擦系数对Renolds数关系曲线f～Re图v△P/△L△P/△Lv10Reynolds：vdRe，Kd50.171Fanning：sin222gzPvdf整个曲线大致分为三段，第一段Re5左右是斜率为-1的直线段，第二段约在范围5Re100左右有一个二次曲线过渡段，第三段是一个水平线段。第一段：在双对数坐标中有ln(Re)-ln(C))ln(f，Re/Cf，sin2/2gzPCdv由此得出结论，在Re5（一般认为是1~10）的范围内Darcy定律是适用的。第二段：过渡区范围内粘性力仍起主要作用（但逐渐减弱至惯性力起主要作用），流动仍然是层流，其后逐渐为湍流。运动方程为2sinCvvKgdLdP或ngdLdPCqsin第三段：在Re100的情形下，流动变为湍流。Ahmed&Sunada（1969）用多种非固结多孔介质进行研究，认为在较高速度下有以下关系式：nvvKgdLdPsinLog(f)Log(Re)f=1000/ReBakhmeteff&FeodorffBurke&PlummerMavis&WisleyRoseSunders&Ford11其中β为非达西流因子，n与多孔介质特性有关。速度下限（低速情形）：Bingham流体特性和低压气体（1）Bingham流体特性dxdPvdxdPdxdPKv,0,（2）低密度亦即低压气体，Klinkenberg（1941）效应和分子扩散。克林肯伯格（Klinkenberg，1941）发现，用空气作为流体测定的渗透率总是大于液体测得的渗透率。他提出，液体在砂粒表面的速度为零，而气体在砂粒表面的速度不为零。也就是存在滑脱，这种滑脱导致了在给定的压降下气体有较大的渗透率，他还发现，对于给定的多孔介质，计算的渗透率随平均压力[上游压力加下游压力除2]的增大而减少。实验室一般利用干气（空气、氮气或氦气）进行岩石渗透率的测定(适用方便，容易获得，和稳定，与岩石基本不发生反应的特点)。早期的达西试验，利用液体测定，液体在固液边界处的流速为0，而利用气体测量时，在边界层上气体的流速不为0，这就是“滑脱效应”。Klinkenberg（克林肯贝格）通过大量实验，研究了“滑脱效应”。（1）岩石的渗透率与所使用的气体性质和测试的压力有关。在相同的测试压力下，利用分子量小的气体，测定的渗透率高；对于同一气体，则测试的平均压力愈低，渗透率越高。这一现象表明，分子量低的气体比分子量高的气体，具有较大的“滑脱效应”。并且，低平均压力下的“滑脱效应”要大于，平均压力下的“滑脱效应”。但是，无论是利用哪一种气体测定的岩心渗透率，当平均压力的倒数等于0，不同气体所测到的渗透率与P/1的直线，在纵轴上的截据相等。，该截据点的渗透率称为绝对渗透率，也叫等值液体渗透率。通过理论和大量实验研究，Klink