孔隙度及渗透率测量方法ppt.ppt

第4章 孔隙度、渗透率测量方法 主讲人: 韩学辉 博士(后) 1 主要内容 4.1储层的概念研究储层孔隙度和渗透率的意义 4.2储层孔隙度的基本概念及测量原理 4.3储层绝对渗透率的基本概念及测量原理 4.4孔隙度和渗透率之间的关系 4.5实验测量孔隙度、渗透率的工程应用 2 4.1储层的概念研究储层孔隙度和渗透率的意义 4.1.1储层的概念 在自然界中，并非所有的岩石均能储存油、气。在石油地质学中， 把能够储存油气并能使油气在一定压差条件下流动的岩石称为储层。 根据上述定义可知，储层必须具备两个条件：即孔隙性和渗透性。 二者作为储层的充分必要条件，缺一不可。如页岩就很难作为储层。 岩性 孔隙性 油气注入 油气流出 渗透性 骨架性质 油气储集能力 油气运移能力 储层 储层概念图解 3 按储层的定义，可将储层的孔隙性和渗透性称为储油物性。其中：储 层的孔隙性包含孔隙类型和孔隙结构两个方面的内容，它们的特征决定 了油气在其中分布的特征和储存的数量；储层的渗透性是在孔隙性以及 骨架双重影响下，含油气储层中不同流体运移能力的表现(隐含了相对渗 透率的概念)，决定了储层开发后的产液性质和能力。 孔隙性渗透性 岩性 孔隙类型 孔隙结构 物性 绝对渗透率 相对渗透率 岩矿组合 结构、构造 储层 油气注入 含油气储层 (饱和度) 含油性 油气产出 产层 储层要素及概念延伸 4 4.1.2研究储层孔隙度和渗透率的意义 1)作为孔隙结构参数之一的孔隙度，表征了储层容纳油气的能力(体 积)，是含油气饱和度估算、容积法等储量评价的重要参数之一。 2)渗透率表征了含油气储层运移能力，是储层产液性质以及产能评价 的重要参数。 因此，储层孔隙度和渗透率的评价对含油气储层的勘探和开发而言具 有重要的意义。 地层? 岩性 砂岩 泥岩 石灰岩 ? 含油性 so sw sg 油层 气层 水层 物性评价含油性评价油水层划分 储层评价的一般流程 ? 渗透层 干层 渗透层识别岩性划分 试油 试水 资料 物性 k 5 4.2储层的孔隙度的基本概念及测量原理 储集层的孔隙性在石油与天然气地质学中是指储集 层中孔隙空间的形状、大小、连通性与发育程度。地壳中 不存在没有孔隙的岩石，可是不同的岩石，其孔隙大小、 形状和发育程度是不同的。石油和天然气在地下是储存在 岩石的孔隙中的。因此，岩石的孔隙发育程度将直接影响 岩石中储存油气的数量。 为了度量岩石孔隙的发育程度，提出了孔隙度(率)的 概念。孔隙度指岩石孔隙体积与岩石体积之比值(以百分 数表示)。根据研究目的不同，孔隙度又可分为绝对(总) 孔隙度、有效孔隙度。 6 4.2.1绝对(总)孔隙度 岩石中全部孔隙体积称为总孔隙或绝对孔隙。总孔隙(vp)和岩石总体 积(vt)之比(以百分数表示)就叫做岩石的总孔隙度或绝对孔隙度(t)。可用 公式表示如下： t=vp/vt100% vt=vp+vg 孔隙度反映储集层储集流体的能力。储集岩的总孔隙度越大，说明 岩石中孔隙空间越多，但是它不能说明流体是否能在其中流动。岩石中 不同大小的孔隙对流体的储存和所起的作用是完全不同的。 vg vp vt 岩石岩石体积模型 总孔隙度的概念模型 7 4.2.2按孔隙大小(孔径或裂缝的宽度)的孔隙分类 根据岩石中孔隙大小及其对流体作用的不同，可将孔隙划分为 三种类型: 1)超毛细管孔隙：孔隙直径大于0.5mm或裂缝宽度大于0.25mm者。在此类 孔隙中，流体可在重力作用下自由流动，也可以出现较高的流速，甚至出现 涡流。岩石中的大裂缝、溶洞及未胶结的或胶结疏松的砂岩的孔隙大多属于 此类。 2)毛细管孔隙：孔隙直径介于0.5-0.0002mm之间，裂缝宽度介于0.25- 0.0001mm之间者。在此类孔隙中，无论是在液体质点之间，还是液体和孔隙 壁之间均处于分子引力作用之下，由于毛细管力的作用，流体不能自由流动 。只有在外力大于毛细管阻力的情况下，液体才能在其中流动。微裂缝和一 般砂岩的孔隙多属此类。 3)微毛细管孔隙：孔隙直径小于0.0002mm，裂缝宽度小于0.0001mm者。在 此类孔隙中，流体与周围介质分子之间的引力往往很大，要使流体移动需要 非常高的压力梯度，这在油层条件下一般是达不到的。因此，实际上液体是 不能沿微毛细管孔隙移动的。泥页岩中的孔隙一般属于此类型。 8 4.2.3有效孔隙度 因此，从实用的角度出发，只有那些彼此连通的超毛细管 孔隙和毛细管孔隙才是有效的油气储集空间，即有效孔隙。因 为它们不仅能储存油气，而且可以允许油气渗滤；而那些孤立 的互不连通的孔隙和微毛细管孔隙，即使其中储存有油和气， 在现代工艺条件下，也不能开采出来，所以这些孔隙是没有什 么实际意义的。为了研究孔隙对油、气储存的有效性，在生产 实践中，人们又提出有效孔隙度(率)的概念。 有效孔隙度(e)是指岩石中参与渗流的连通孔隙总体积 (ve)与岩石总体积(vt)的比值(以百分数表示)。可用下式表示： e=ve/vt100% 9 显然，同一岩石的绝对孔隙度大于其有效孔隙度，即 te。对未胶结的砂层和胶结不甚致密的砂岩，二者相差 不大；而对于胶结致密的砂岩和碳酸盐岩，二者可有很大的 差异。一般有效孔隙度占总孔隙度的40%75%(据f.k. 诺斯， 1984)。 在含油气层工业评价时，只有有效孔隙度才有真正的意 义，因此目前生产单位一般所用的都是有效孔隙度。习惯上 把有效孔隙度简称为孔隙度。 vg vp vt 岩石岩石体积模型 有效孔隙度的概念模型 ve 10 4.2.4孔隙度测量的基本原理 孔隙度就是指岩石孔隙体积与岩石外表体积的比值。 式中： 为岩样总体积， 为岩石孔隙体积， 为岩石骨架体积， vg vp vt 由孔隙度定义，孔隙度的实验测量过程可拆解为测量岩样 总体积、孔隙体积、骨架体积中的某2个的过程。 岩石体积模型 11 1)岩样总体积测定 (1)游标卡尺法 原理：几何学知识。 适用条件：几何形状规整的岩样 实验器材：游标卡尺(0.02mm) 方法：以圆柱体为例 a长度l测量：平行于圆柱体轴向，在柱体周边，每 隔1/4周长测1次长度，取4次测量的算术平均值。 b直径d测量：垂直于圆柱体轴向，在两个端面上， 互相垂直各测2次，取4次测量的算术平均值。 计算公式： 12 (2)封蜡排液法 原理：阿基米德定律。 适用条件：外形不规则或者有孔洞的岩样。 实验器材：天平(0.001g)、烧杯、支架、吊网、温度计、 恒温水浴、坩埚、石蜡、蒸馏水。 方法： a清理干净岩样，称其质量m1； b放入一定温度(6090)石蜡中涂封，称取封蜡后质量m2; c浸没在水中称质量m3。 计算公式： 为蒸馏水密度，g/l； 式中： 为石蜡密度，g/l。 13 岩样(视)密度： 注意：岩样密度测量方法采用封蜡排液法。 14 (3)液体饱和排液法 原理：阿基米德定律。 适用条件：外形不规则或规则的饱和岩样，饱和液体不会使骨 架矿物膨胀改变孔隙度。煤油法是其中一种。 实验器材：天平(0.001g)、烧杯、支架、饱和岩样的液体(通常 是盐水或煤油)。 方法： a在空气中称取饱和样m1; b浸没在饱和溶液中称质量m2。 计算公式： 为饱和溶液密度，g/l。式中： 15 2)岩样骨架体积测定 氦气法 原理：波义耳-马略特定律 。 适用条件：较规则的圆柱形岩样、块状样。 仪器设备：氦孔隙度仪、氦(氮)气、气压计、标准块。 方法： 已知室 岩心室 压力表 阀门 (1)方法原理 气体在体积vk与所测压力 pk下等温膨胀到未知室体积v 中，膨胀后测量最终平衡压 力p，这个平衡压力取决于未 知体积量v，未知体积v可以 用波义耳定律求得，有： vvk pk p 16 对于低压真实气体，在弹性体积中作等温膨胀，考虑到 器壁的压变性，忽略一些次要因素，计算由下式表示： 为当地当时大气压(mpa)；g为体系的压变系数。 可知，若已知pk、vk、g，待测体积只是平衡压力p 的函数，只要测定平衡压力p就可以了。 式中， 17 (2)vk、g的标定 测量a岩样杯中装满钢块时的平衡压力p1； b从杯中取出第一号钢块后的平衡压力p2； c从杯中取出第三号钢块（装进第一号钢块）的平衡压力 p3。 有： 岩心室 标准钢块， 体积已知。 标定方法 a 岩心室 标准钢块， 体积已知。 b 2 3 4 1 2 3 4 岩心室 标准钢块， 体积已知。 c 2 1 4 18 由以上方程组，有 令 ： 19 式中： 为第一次取出的第一号钢块体积； 为第二次取出的第三号钢块体积。 20 (3)骨架体积的确定 a未知室不装岩样时得到的平衡压力为p1，未知空间体积： b未知室里装上岩样时得到平衡压力为 p2，未知室的空间 体积: c 骨架体积: 21 3)孔隙体积的测定 (1)氦孔隙计法 原理、方法等大致同氦气法测量骨架体积，不同的是使用哈 斯勒夹持器，而不是岩心室。 这时，气体会进入孔隙，因此压力的变化会反映孔隙体积。 岩心 哈斯勒(hassler)夹 持器 氦孔隙计测量孔隙体积的示意 气体入口 22 (2)液体饱和法 原理：确定岩样饱和后增加的质量，由密度定义计算孔隙体积。 适用岩样：渗透性好(容易饱和)的岩样。若含粘土矿物，应选 用煤油做饱和流体。 仪器设备：天平、抽真空加压饱和装置、蒸馏水等溶液。 方法： a称取烘干样质量m1； b抽真空加压饱和岩样，称取质量m2。 计算公式： 为饱和溶液密度，g/l。式中： 23 4)孔隙度测量方法 孔隙度的实验测量过程可拆解为测量岩样总体积、孔隙 体积、骨架体积中的某两个的过程。 由于测量总体积、骨架体积、孔隙体积的方式多样，因 此确定岩样孔隙度的测量方式也多样。实践中，可根据实验 的目的采用多种方式。 比如：若岩样需进行archie参数的测量，孔隙度可用液 体饱和排液法和液体饱和法测量孔隙度；单纯测量孔隙度的 块状岩样，也可使用该方法。若使用柱塞岩样，推荐使用 氦气法分别测量骨架体积和孔隙体积测量孔隙度。 24 5)孔隙度测量的质量控制 (1)测量方法严格按标准sy/t5336-1996标准执行; (2)结合仪器按操作规范执行; (3)使用标准样做测前测后检查,若符合不确定度要求,两次检查 间测量结果可靠; (4)无标准样时,可通过重复测量检查,要求: a抽查10%(明)或5%(暗),若有30%超过允许不确定度要求，找出原因后重测 整批样品； b同一块样品重测，绝对不确定度不超过1%(1pu)，孔隙度小于10%样品， 绝对不确定度不超过0.5%(0.5pu)。 25 4.3储层绝对渗透率的基本概念及测量原理 储层的渗透性是指在一定的压差下，岩石允许流体通过 其连通孔隙的性质。换言之，渗透性是指岩石对流体的传导 性能。严格地讲，自然界的一切岩石均具有相互连通的孔 隙，在漫长的地质年代里，在足够大的压差条件下都具有一 定的渗透性。通常我们所称的渗透性岩石与非渗透性岩石是 相对的。渗透性岩石是指在地层压力条件下，流体能较快地 通过其连通孔隙的岩石，如砂岩、砾岩、裂缝灰岩、白云岩 等等。如果流体通过的速度很慢，通过的数量有限，即为非 渗透性岩石，如泥页岩、石膏、岩盐、致密灰岩等等。 储集层的渗透性决定了油气在其中渗滤的难易程度。它 是评价储层产能的主要参数之一。岩石渗透性的好坏是用渗 透率来表示的。根据生产实践的需要，人们提出了绝对渗透 率、有效渗透率和相对渗透率(以后再介绍)的概念。 26 4.3.1由darcy公式推导的绝对渗透率 当岩石为某一单相流体饱和时，岩石与流体之间不发生任何 物理-化学反应(不压缩)，在一定压差作用下，流体呈水平线性 稳定流动状态时所测得的岩石对流体的渗透率，称为该岩石的 绝对渗透率。 据达西公式，渗透率可写为： 式中: 为渗透率，达西( )； 为液体的体积流量， ； 为岩样两端的压差， ； 为液体的粘度，厘泊 (0.001 )； 为岩样的横截面积， ； 为岩样的长 度， 。 从理论上讲，岩石的绝对渗透率只反映岩石本身的特性，而 与测定所用流体性质及测定条件无关。 27 名称kqlap 量纲m2cm3/smpascmcm2105pa 常用量纲问题 注意：经常可见渗透率的不同表达方式，主要表现在常系数上，应注意 两个问题： 压力，用mpa还是bar； 渗透率，用达西还是毫达西。 通常，考虑到实验条件的方便(不污损岩样)，常用气 体作为渗透率测量的介质。与液体渗透率相对，使用气体 测量的渗透率常被称为气体渗透率。 28 若流体为气体时，由于气体在压差作用下流动的过程中，体 积会发生膨胀，流量在流动的各截面上是变化的，公式可写 为： 式中， 为气体在平均压力 下的流量, 为气体的粘度. 为进口端的绝对压力, 为出口端的绝对压力。 根据气体等温状态下的气体状态方程，对于出口端压力和流量有： 为大气压力； 为大气压力下的气体流量。 4.3.2气体渗透率 29 假设出口端是开放的，即为大气压力，有： 有 30 气体渗透率的特点 实验研究发现： 1)同一岩样，气体渗透率和液体渗 透率二者不同，气体渗透率值大于液体 渗透率值，特别在低速渗流(等同于低压 差)时二者的差别越明显； 2)气体渗透率自身也不是恒定不变 的：同一岩样，同一种气体，在不同的 平均压力下，所测得的绝对渗透率是不 同的。低平均压力下测得的渗透率较 高，高平均压力下测得的渗透率较低； 同一岩样在相同的平均压力下，用不同 气体(空气、氦气)测得的绝对渗透率也是 不同的。通常密度大的气体测得的渗透 率值偏低；不同等级(低、中、高)渗透率 岩样，平均压力和气体渗透率的关系曲 线的斜率不同，一般中渗透岩样的曲线 斜率比低和高渗透率岩样的斜率要大。 kg,m2kg,m2 h2 空气 co2 高渗岩样 中渗岩样 低渗岩样 不同气体条件下的气体渗透率 不同渗透性岩样的气体渗透率31 4.3.3气体“滑脱”效应和克氏渗透率 1) 气体“滑脱”效应 “滑脱”效应是指气体在岩石孔隙中的一种不同 于液体渗流的特征。气体在细小孔道中流动时，靠近 管壁的气体分子的运动速度与管子中心部位气体分子 的运动速度一致。而液体在细小孔道中流动时，在孔 壁存在一层不流动的分子薄膜，沿孔壁的流动速度低 于孔中心流动速度，即孔中心部位流速最大，越靠近 孔壁流速越小直到接近于零。这一效应是造成气体渗 透率大于液体渗透率现象的直接原因。 同时，由于滑脱效应与分子自由程有关，所以与 气体的性质和稀薄程度(宏观上对应绝对压力)有关。 气体分子量越小，平均压力越小，滑脱现象越明显， 所测得渗透率越偏大。这是造成不同性质气体、不同 压力条件下测量气体渗透率变化规律的主要原因。当 压力趋向于无穷大时，气体性质越来越接近液体，其 流动状况与液体的情况接近，则不再出现滑脱现象， 渗透率趋近于一个常数。 v v 小孔道中的气体匀速流动 小孔道中的液体流动 32 2)克氏渗透率 为了消除气体“滑脱”效应对气体渗透率测量的影响， klinkenberg提出了克氏渗透率的概念，即平均压力为无穷大 时的气体渗透率。可见，克氏渗透率表征了气体性质接近液 体性质时的渗透率，与液体渗透率大致相等。由定义，可知 克氏渗透率与气体渗透率的关系为： 式中，为表征气体性质和岩石孔隙结构的常数。 33 可见：气体渗透率大于 等于克氏渗透率；气体渗透 率与 呈正线性关系。 在直角坐标系中，若纵轴为 气体渗透率 ，横轴为平均 压力 的倒数，截距为克氏 渗透率 ，斜率为 。 当 为无穷大时， =0， 气体渗透率与克氏渗透率相 等。 不同气体条件下的气体渗透率 kg,m2 34 3)克氏渗透率实验确定方法和应用意义 在实际测量过程中，可以通过改变平均压力 ，测量对 应的气体渗透率 ，绘制 与 的关系曲线，用线性拟 合，取 时的 (即曲线在轴上的截距)作为克氏渗透 率 ，斜率 。 克氏渗透率较好地克服了气体“滑脱”效应对气体渗透率 测量的影响，为比较和综合不同性质气体、不同压力条件下 气体渗透率测量结果建立了统一的标准。并且，由于与液体 渗透率的数值比较接近，也有利于对那些分别使用气体和液 体测试的渗透率数据进行比较和综合研究。因此，克氏渗透 率是气体渗透率的最佳表征参数，应是使用气体介质进行渗 透率测量的最终结果。 35 4.3.4渗透率测量原理 原理： 对于液体，可使用： 对于气体，可使用： 测量时转换为克氏渗透率。 说明：测前应注意柱塞岩样的制备质量。 使用游标卡尺测量直径和长度时要检查岩 样。若不合格，需重新切、磨、抛岩样(参见 第二章)。如有人为产生裂缝，测量没有意义。 气体渗透率测量装置 1气瓶；2减压阀；3干燥过滤器；4温度计；5 微调压稳压阀；6进口标准压力表；7岩样；8 岩心夹持器；9出口标准压力表；10出口控制 阀；11气体流量计。 36 4.3.5渗透率测量的质量控制 1)测量方法严格按标准sy/t5336-1996标准执行; 2)结合仪器按操作规范执行; 3)使用标准样做测前测后检查,若符合不确定度要求,两次检查 间测量结果可靠; 4)无标准样时,可通过重复测量检查,要求: (1)抽查10%(明)或5%(暗)，若在相同压差、气体流动方向下有30%超过允许 不确定度要求，找出原因后重测整批样品； (2)同一块样品重测，绝对不确定度不超过5%(k0.01m2)或15% (k0.01m2) 。 37 4.4 按孔隙度、渗透率划分的储层级别 储层按孔隙度分级(行业标准) 分类 碎屑岩 孔隙度(%) 非碎屑岩基质孔 隙度(%) 特高30 高253010 中1525510 低101525 特低102 38 分类油藏空气渗透率(md)气藏空气渗透率(md) 特高1000500 高5001000100500 中5050010100 低5501.010 特低51.0 储层渗透率分类(行业标准) 39 4.5孔隙度与渗透率的关系 储集层的孔隙度与渗透率之间通常没有严格的函数关 系，因为影响它们的因素很多。岩石的渗透率除受孔隙度 的影响外，还受孔道截面大小、形状、连通性以及流体性 能的影响。例如，粘土岩的绝对孔隙度可以很大(30-40%) ，但其渗透率却可以很低；裂缝发育的致密灰岩虽然其绝 对孔隙度较低，但它却可以有很高的渗透率，以致常成为 高产油气层。 尽管岩石的孔隙度和渗透率之间没有严格的函数关系， 但它们之间还是有一定的内在联系，因为岩石的孔隙度和 渗透率一般皆取决于岩石本身的结构与组成。凡具有渗透 性的岩石均具有一定的孔隙度。大量实际资料也表明：岩 石的孔隙度与渗透率之间有一定的相关关系，特别是有效 孔隙度与渗透率的关系更为密切。 40 0.1 0.5 1 1 0.5 0.1 0.01 0.05 10 100 1000 5 5 50 500 k10-3m2 孔隙度与渗透率关系曲线 (据fijch