（石油与天然气工程专业论文）储层渗流特性及模拟研究.pdf

储层渗流特性及模拟研究 霍玉雁( 石油与天然气工程) 指导教师：李爱芬( 教授) ，马力宁( 高级工程师) 摘要 储层岩石是一种典型的多孔介质，其孔隙的几何、拓扑特性表现 出巨大的复杂性和随机性。对储层岩石中多相渗流特性的研究，对认 识油气的形成、提高油气采收率具有重要作用。毛细管压力曲线和相 对渗透率曲线是表征储层孔隙结构、渗流特性的两个重要参数。目前， 对储层孔隙结构及其渗流规律的研究主要有：理论研究、实验研究以 及基于各种模型的模拟研究三种方法。由于理论研究难以适应储层岩 石的非线性，实验研究对孔隙的某些参数难以直接观察和定量表征， 因此，模拟研究被广泛采用。 本文首先简介了获取储层孔隙结构特征以及渗流规律的实验研究 方法，然后介绍了在储层岩石物理特性研究中所使用的几种主要的模 型：毛细管模型、格子气自动机模型、悬浮模型的基本思想、原理、 模拟的步骤、方法以及优缺点等，重点介绍了计算机网络模型的建立、 模拟的原理和参数求取的方法。最后，在对某一特定的储层岩样进行 孔隙结构分析的基础之上，利用计算机网络模型研究了该储层的毛细 管压力曲线特征，并通过改变模型参数研究了不同因素对毛细管压力， 特别是对相对渗透率曲线的影响及规律。 关键词：孔隙结构，毛细管压力曲线，相对渗透率，微观模拟 f l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c so ff l u i d si nr e s e r v o i rr o c k a n di t ss i m u l a t i o n h u oy u y a h ( o i la n dg a sf i e l dd e v e l o p m e n te n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl ia i - i t na n ds e n i o re n g i n e e rm al i n i n g a b s t r a c t t h er e s e r v o i rr o c ki sat y p i c a lp o r o u sm e d i a ，w h o s ep o r eg e o m e t r y a n dt o p o l o g yc h a r a c t e r i s t i c sr e v e a lg r e a tc o m p l e x i t ya n dr a n d o m t h e s t u d yo ft h em u l t i p h a s ef l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s i s v e r yi m p o r t a n tt o u n d e r s t a n dt h ef o r m i n go ft h eo i la n dg a s ，t oe n h a n c et h er e c o v e r yo fo i l a n dg a s c a p i l l a r yp r e s s u r ec u r v ea n dt h er e l a t i v ep e r m e a b i l i t yc u r v ea r e t w oi m p o r t a n tp a r a m e t e r sd e s c r i b i n gt h ep o r ea n df l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s o ft h er e s e r v o i r u pt on o w , t h em e t h o d ss t u d y i n gt h ep o r ea n df l o w i n g c h a r a c t e r i s t i c so ft h er e s e r v o i ri n c l u d et h e o r e t i c a ls t u d y ，e x p e r i m e n t a l s t u d ya n ds i m u l a t i o ns t u d y b e c a u s et h e o r e t i c a ls t u d yh a sg r e a tt r o u b l e st o d e a l i n gw i t hr e s e r v o i r sn o n l i n e a r i t y , a n de x p e r i m e n t a ls t u d yc a r ln o t m e a s u r es o m ep a r a m e t e r sa n dd os o m eq u a n t i t a t i v ed e s c r i b i n g ，s i m u l a t i o n s t u d yh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h er e s e a r c h a tf i r s t ，t h ea r t i c l ei n t r o d u c e ss o m ee x p e r i m e n t a ls t u d ym e t h o d s g e t t i n gr e s e r v o i r sp o r ec h a r a c t e r i s t i c sa n df l o w i n gl a w t h e ni n t r o d u c e s s e v e r a ls i m u l a t i o nm o d e l si n c l u d i n gc a p i l l a r ym o d e l ，l a t t i c eg a sm o d e la n d b e a d s u s p e n d i n gm o d e l ，w h i c ha r ew i d e l yu s e di nt h er e s e r v o i rs t u d y i n g i n t r o d u c et h e i rb a s i cp r i n c i p l e ，s i m u l a t i o ns t e p sa n dw a y s ，a n dt h e i r a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s i n4 t hc h a p t e r , d e t a i l e d l y i n t r o d u c e c o m p u t e r n e t w o r km o d e l s b u i l d i n g ，s i m u l a t i o np r i n c i p l e a n dt h e c o m p u t i n go ft h ec a p i l l a r yp r e s s u r ec u r v ea n dt h er e l a t i v ep e r m e a b i l i t y c n r v e a tl a s t ，b a s e do nt h es t r u c t u r ea n a l y s i sf o rt h eg i v e nr e s e r v o i rr o c k ， i i s t u d yi t sc a p i l l a r yp r e s s u r ec u r v ea n dt h er e l a t i v ep e r m e a b i l i t yc u r v eu s i n g c o m p u t e rn e t w o r km o d e l t h r o u g hc h a n g i n g s i m u l a t i o n p a r a m e t e r s ， d i f f e r e n te f f e c t so nt h e c a p i l l a r yp r e s s u r e c u r v ea n dt h er e l a t i v e p e r m e a b i l i t yc u r v eh a v eb e e ns t u d i e d k e y w o r d s ：p o r es t r u c t u r e ；c a p i l l a r yp r e s s u r ec u r v e ；r e l a t i v ep e m r e a b i l i t y ； m i c r o c o s m i cs i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名：垂鱼麈 厉咕年o 月功日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国祗油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：整当廑加西年月功日 导师签名：兹麟 耐年协月2 。日 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 第1 章前言 储层岩石是自然界中广泛存在的一种多孔介质，由于储层岩石的 孔隙空间高度无序，经典的研究方法，如：统计学、拓扑学很难对这 种复杂性进行定量描述。目前，在储层岩石的研究中广泛采用的方法 有：实验的方法和微观模拟的方法。实验的方法只能够在大尺度上研 究宏观参数及其变化规律，对于微观参数，实验的方法很难解决。由 于单纯借助宏观手段，在对储层岩石物理特性的解释和预测中存在着 一些疑点，因此人们对多孔介质的微观结构进行了深入的研究，以期 能够通过研究微观结构来认识和理解宏观现象及其规律。正如在原子、 分子物理方面借助于物质的微观结构，人们在对物质宏观特性的解释 方面取得了显著的成就一样，对多孔介质微观孑l 隙结构的研究在理解 和解释多孔介质的特性及其规律上有着非常重要的作用。 1 1 储层岩石孔隙特征及描述参数 储层岩石是由固体颗粒以及颗粒之间的孔隙构成的。储层岩石中 吨 的孔道构成完全是随机的，而且孔道之间的连通状况高度无序，孔隙 的尺寸大小不一、内表面参差不平。因此，从总体来看储层岩石的孔 隙结构呈现出巨大的复杂性和随机性。发生在储层岩石中的渗流过程 实际上是流体在岩石内部孔隙空间中的逐渐占据的过程，换一句话说， 7 l 隙介质内的渗流规律主要取决于7 l 隙的空间分布和几何特征，因而， 研究储层岩石的孔隙结构，对研究储层岩石中的复杂渗流规律具有重 要的意义。 中国而油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 对储层物理特性的研究，关键问题在于怎样比较真实地反映其孔 道的结构，这是储层物理特性研究的基本点雎，钔。只有把储层的结构弄 清楚了，才有可能进一步地研究流体在其间流动所具有的各种物理、 化学特性。对储层物理特性孔隙结构的研究，主要是指对其孔隙、喉 道的几何形状、大小、分布，以及相互之间连通性的研究。因而，怎 样描述孔隙喉道的大小、分布及几何形态是多孔介质孔隙特征研究的 中心问题。 所谓孔隙结构参数是指完全由介质的孔隙结构决定的参数。为了 描述储层岩石孔隙结构的特征，必须选择合适的参数。储层的孔隙特 征参数可以分为几何参数和拓扑参数两大类。几何参数主要包括孔隙 尺寸、形状、孔隙度以及比面等，拓扑参数主要包括维数、配位数、 连通度等。 1 1 1 孔隙几何参数“” 在介绍孑l 隙几何参数之前，有必要况明一下，储层岩石中孔隙和 喉道这两个概念。由于实际岩石的微观孔隙结非常复杂，孔隙大小形 状各不相同，因此很难给孔隙和喉道下一个确切的定义。在储层物理 以及多孔介质的研究中通常将相对较大的空隙称为“孔隙”，在孔隙与 孔隙之间起连通作用的狭长的空隙称为“喉道”。 ( 1 ) 孔隙尺寸 孔隙、喉道的尺寸反映了岩石孔隙空间的大小。由于岩石孔隙、 喉道的尺寸大小不尽相同，通常用分布函数来描述。大多数的研究均 表明储层岩石的孔隙尺寸通常满足单峰正态分布，对于一些特殊的储 层可能满足双重或者多重分布。孔隙、喉道尺寸的实验室测定方法有： 中国石油大学( 华东) 硕十论文 第1 章前言 毛管压力曲线法、吸附等温线法和薄片分析方法等。 ( 2 ) 孔隙形状 孔隙的形状也是储层孔隙的重要的几何参数。通常由于粘土吸附、 胶结、溶解等作用，储层岩石的孔隙空间往往曾显出极不规则几何形 状，在实际的理论与模拟研究中，为了处理与定量计算的方便，通常 将其抽象为一些理想的几何形状，如圆柱形、收敛一发散型等。 ( 3 ) 孔隙度 孑l 隙度是指岩石中未被固体物质填充的孔隙体积虬与岩石总体 积圪的比值，常用字母表示。对于不同类型的孔隙介质，孔隙度可 从接近于零至接近于1 变化。金属和某些火成岩的孔隙度非常小，而 纤维和各种泡沫材料的孑l 隙度则非常大。在储层岩石中砂岩的孔隙度 通常为1 0 一2 0 。 孔隙的种类较多，按照岩石中孔隙的发育程度可以将孔隙分为： 超毛管孔隙、毛细管孔隙和微毛细管7 l 隙。超毛管孔隙的孔径大于 5 0 0 “m ，流体在重力作用下可以自由流动，岩石中的大裂隙、溶洞和 疏松的砂岩孔隙多属于此类。毛细管孔隙的孔径在5 0 0 o 2 p m 之间， 由于毛细作用，液体不能够作自由流动。微毛细管孔隙的孔径小于 0 2 脚z ，在这类孔隙中分子之间的作用力很大，要使液体能够在孔隙 中自由流动需要非常高的压力梯度，在通常的油藏条件下一般无法达 到。 从油藏开发的角度来看，人们感兴趣的是既能够储集油气，在一 定条件下又能够让油气从其中通过的孔隙。因此，人们将孔隙度分为： 绝对孔隙度。、有效孔隙度丸和流动孔隙度力。绝对孔隙度丸即为 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 前面所定义的孔隙度；有效孑l 隙度。是指除封闭孔隙以外的有效孔隙 同总孔隙体积的比值；流动孔隙度是指除封闭孔隙和盲孔以外的流 体能够在其中流动的孔隙体积同总孔隙体积的比值。 ( 4 ) 比面 多孔介质的比面( 积) 定义为单位体积多孔介质内孔隙的总表面 积，常用字母s 表示： j ：一a ( j 1 ) v 、7 比面反映了多孔介质骨架的分散程度，比面越大，颗粒就越细， 骨架的分散程度就越大。因此有的时候也按照比面的大小来对岩石进 行分类。 岩石骨架表面对流体面言实际上是起着边界的作用，比面的大小 决定着岩石的许多表面性质，影响着流体在油藏中的流动能力和渗透 性，影响着固体颗粒在岩石表面的吸附等等。 1 1 2 孑l 隙的拓扑参数。6 拓扑参数是描述孑l 隙的空间拓扑特性的参数，常见的参数有：维 数、连通度等。对于维数我们很容易理解，下面简要介绍一下连通度。 连通度是指无冗余的闭合回路数，它度量t ：l 隙的复杂连通程度。 冗余回路是指那些因变形而改变，或者不经过封闭面便缩减成一点， 或者没有经过模型新区的任何通路的回路。拓扑结构基本理论表明： 封闭表面或者形状的连通度c 等于它的亏格g ，亏格是指最大的切线 数。从而有下面的关系式： g = c = b m + n( 1 2 ) 4 中国石油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 6 ：分支数，z ：节点数，：独立网络数。 另外，在微观模拟中使用较多、同连通度相当的个拓扑参数是 配位数z ，某点处的配位数z 定义为在该点处汇合的分支数。配位数 越大，表明该多孔介质的连通性越好，配位数越小，表明该多孔介质 的连通性越差。 1 2 储层渗流特性的描述 12 1 毛细管压力 毛细管压力2 ，2 ，7 ，2 2 】是研究多相渗流的基本参数，它是非润湿相饱 和度的增函数，或润湿相饱和的减函数，它综合地反映了储层的孔隙 结构特性、流体特性。毛细管压力定义为： 只【击+ 击】 ( 1 - s ) 其中，r 、也是任意曲面的两个主曲率半径，盯为表面张力，该公式 是毛细管压力的基本公式，以其为基础可以推导出其它不同形状的毛 管中毛细管压力的表达式。最初测定毛细管压力主要是为了确定束缚 水饱和度，随着研究的深入，人们逐渐认识到，有关储层的几乎所有 参数均可以从毛细管压力中获取，如：残余油饱和度、孔隙度、渗透 率、相对渗透率、润湿性以及孔隙大小及分布等。因此毛细管压力在 储层研究十分重要，被广泛地用于油气勘探、开发中，如：确定岩石 的孔隙结构、评价储层储集性的好坏、研究油气采收率等。 毛管力为毛细管中相界面两侧非湿相流体压力与湿相流体压力之 差。毛管力方向指向弯液面的凹方向，大小取决于两种流体之间的界 中国石油大学( 蜡东) 硕士论文 第1 章前言 b ：分支数，月：节点数，n ：独立网络数。 另外，在微观模拟中使用较多、同连通度相当的一个拓扑参数是 配位数z ，某点处的配位数z 定义为在该点处汇合的分支数。配位数 越大，表明该多孔介质的连通性越好，配位数越小，表明该多孔介质 的连通性越差。 1 2 储层渗流特性的描述 12 1 毛细管压力 毛细管压力 i , 2 , 7 , 2 2 】是研究多相渗流的基本参数，它是非润湿相饱 和度的增函数，或润湿相饱和的减函数，它综合地反映了储层的孔隙 结构特性、流体特性。毛细管压力定义为： 只一隆击 m ， 其中，r 、飓是任意曲面的两个主曲率半径，o - 为表面张力，该公式 是毛细管压力的基本公式，以其为基础可以推导出其它不同形状的毛 管中毛细管压力的表达式。最初测定毛细管压力主要是为了确定束缚 水饱和度，随着研究的深入，人们逐渐认识到，有关储层的几乎所有 参数均可以从毛细管压力中获取，如：残余油饱和度、孔隙度、渗透 率、相对渗透率、润湿性以及孔隙大小及分布等。因此毛细管压力在 储层研究十分重要，被广泛地用于油气勘探、开发巾，如：确定岩石 的孔隙结构、评价储层储集性的好坏、研究油气采收率等。 毛管力为毛细管中相界面两侧非湿相流体压力与湿相流体压力之 差。毛管力方向指向弯液面的凹方向，大小取决于两种流体之间的界 差。毛管力方向指向弯液面的凹方向，大小取决于两种流体之间的界 中国不啪火学( 华东) 硕十论文 第1 章前言 面张力、毛细管半径和岩石的润湿性。目前，测定毛管力的方法有4 种：半渗隔板法、离心机法、压汞法和吸附法。压汞测试法在储层孔 隙结构研究中的应用最广泛，现己列入各油田的油层物性常规分析项 目。 1 22 相对渗透率 渗透率原本是用于表示在流体的渗透作用下，孔隙介质的导流能 力。显然，按照这种定义，渗透率的大小不仅同孔隙结构有关，而且 还同流体的性质、渗流机理有关。为了体现多孔介质本身的结构特征， 人们引入了“比渗透率”的概念，比渗透率同流体以及渗流机理无关， 比渗透率通常简称为“渗透率”，用字母k 表示。根据达西定律，可 以得到渗透率的公式为： k ：丝 ( 1 4 、 - 4 a p 上面的式子是在单相流中、利用达西定律求渗透率的一个公式。 虽然在公式中含有、p 等外界参数，但是就公式本身而言，世是 一个只由岩石本身性质决定、而同口、p 无关的比例常数。 在多相流的情况下，有相渗透率( 有效渗透率) 以及相对渗透率 的概念。相( 有效) 渗透率是指在多相共存或者流动时，其中某一相 流体在岩石中流动能力的大小。油、气、水的相( 有效) 渗透率分别 用k 。、k 。、k 。表示。同一岩石的有效渗透率之和总是小于该岩石的 绝对渗透率，这是由于在多相共存时，各相问会发生相互干扰，流体 不但要克服粘滞阻力，而且还要克服毛管力、附着力以及由于液阻现 象产生的附加阻力等。因此，相渗透率不仅反映了储层本身的性质， 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 而且还反映了流体性质以及油、水在岩石中的分布以及它们三者之间 的相互干扰。 在实际应用中人们广泛使用的是相对渗透率，即某相流体的有效 渗透率同绝对渗透率的比值，它是衡量某一种流体通过岩石的能力大 小的直接指标。油、气、水的相对渗透率分别定义为： k 。= k 。k( 1 - 5 ) k w = 世g 五 ( 1 6 ) k 。= k 。k ( 1 - 7 ) 在实际应用中往往需要作出相对渗透率同含水饱和度之间的关系 曲线相对渗透率曲线。相对渗透率曲线是研究多相渗流规律的基 础，它是油田开发计算、动态分析、确定储集层中油、气、水的饱和 度分布等的重要资料，因此，相对渗透率的计算也是储层特性研究的 重要内容。 1 3 储层渗流特性的研究方法 储层孔隙特征及渗流规律的研究方法大致可以分为两大类：实验 性的研究方法和理论模型模拟的研究方法。 1 3 1 实验性的研究方法“- ” 实验的方法，主要是指利用各种仪器对样品进行实验、分析，从 而获碍对孔隙结构、孔道连通性以及孔喉大小分布规律的整体性认识。 早在2 0 世纪9 0 年代，l i n 等人用显微技术将真实多孔介质的孔 道结构用照片记录下来，然后利用单线图来表示孔道的连接状况。经 中国币i 油人学( 华东) 硕士论文 篼l 章前言 过这样的处理之后能够比较真实地反映出研究样品的孔道结构。当然， 通过对显微图片的观察也可以获得孔隙大小、孔隙形状、孔径分布等 的特征。另外，还可以根据立体投影学的理论将不同截面上的图形转 化成相应的三维空间结构。 对于规则的孔隙结构，可以利用拓扑学的基本理论，很容易地计 算出它的连通度( 反映了连通性) 。然而，实际的多孔介质肯定是不规 则的。在实验中，通常采用连续剖面上的分支一节点图来确定连通度 【2 l 。连续平行剖面必须放置得足够近，以使得每条毛细管分支能把一 个剖面和另一个剖面连接起来。如图1 一l 所示。 ( - ) t b ， 图1 1 用平行剖面确定连通性 除了拓扑学中的连通度可以用来描述孔隙的连通性以外，人们通 常也采用配位数z 来表示孔隙之间的连通性。配位数定义为在一节点 会合处的分支数，在实际应用中广泛使用的是平均配位数。图1 2 给出了几种二维网络及其配位数。 嘲蒸幽 ( a ) 六边形z = 3( b ) 六重三角形z = 6 ( c ) 双四边形z = 3 图1 - - 2 几种二维网络及配位数 研究孔隙大4 、的分布，不仅能够更好地认识多孔介质自身的结 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 构、均质程度，而且还可以认识孔隙的相对大小对油水运动规律的影 响。由于孔隙形状的不规则，孔隙大小的测量本身是一件精确度较低 的事情，再加之孔隙数目的庞大，因而孔隙大小分布的测量比较困难。 目前大多采用统计、分析的方法进行研究。常用的方法有：压汞法、 吸附等温曲线法以及样品定量体视学法。 1 3 2 理论模型模拟的方法” 实验方法由于受到现有实验技术、实验仪器的限制，其精度不可 能很高，即使目前先进的断层扫描仪也无法分辨具有纳米级孔道的多 孔催化剂的结构。其次，多孔介质本身的复杂结构是无法或者说很难 用几张照片便能真实地反映的，因而实验方法的可行性、繁杂度也是 影响实验方法应用的个因素。 在研究中，当实验或者对某些参数的观察难咀实现时，我们就应 该发挥理论模型的优越性，进行理论模型的研究和计算机模拟。以往， 对多孑l 介质的理论模型研究是基于平行孔束模型( 毛管模型) ，对孔道 的几何形状是按照圆筒孔或平行板孔组合而成的“孔一喉模型”或者 “腔一喉模型”进行分析的。这种理论模型的最大问题在于用其表示 的多孔介质的特征与真实多孑l 介质的孑l 道结构相去甚远，所以无法比 较客观地、真实地反映多孑l 介质孔道间的连接状况以及对各种物理、 化学过程的影响。因而这种模型多用于对多孔介质的某些宏观参量的 研究，如：孔隙率、比表面积等，而对多孔介质的孔道和孔表面的几 何形状不足以完全说明，更无法描述由纵横交错的孔道所构成的多孔 介质空间结构的拓朴性质。这种过分理想化的模型导致了在多孔介质 研究中出现了物理意义含糊的监折因子。计算机网络模型有望从微观 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 的角度对各种参数进行控制，可以克服上述模型的缺陷。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章储层孔隙、渗滚特性的实验研究 第2 章储层子l 隙、渗流特性的实验研究 储层中未被固体物质占据的空间称为孔隙或者空隙。不同的储层， 以及同一储层的不同位置，其孔隙的大小、形状和发育程度各不相同。 由于储层岩石的孔隙既是地下流体存储的场所，又是流体流动的通道， 因此，储层岩石孔隙的大小、形状、连通性及其发育程度直接影响着 地下流体的数量和产液能力，极大地影响着流体的渗流过程与规律。 准确掌握储层岩石孔隙结构信息，对于正确评价储层的储集性能和开 采价值，搞清楚孔隙结构的差异对储层宏观流动特性的影响作用，以 及研究和认识储层规律具有重要的作用。随着计算机与显微技术的快 速发展，储层岩石孔隙结构的研究发展很快，研究领域在不断地扩大， 研究方法也在不断地更新。研究储层岩石的空隙结构实际上是研究储 层岩石孑l 隙的大小、形状、孔隙连通性、孔隙的类型、孔隙壁的粗糙 程度等孔隙的几何、拓扑特征，以及孔隙的构成方式。不同的实验方 法可能会研究到上述孔隙的几种特性，下面就目前在储层岩石孔隙特 性研究中常用的方法作介绍。 2 1 储层子l 隙特征的实验研究m 2 2 ”日 储层孔隙结构指的是岩石所具有的孔隙和喉道的几何形状、大小、 分布和位置。前人在定量评价孑l 隙结构这领域作了许多研究工作， 形成的比较成熟的方法主要都是在实验室条件下使用的。实验室方法 归纳起来可分为两大类：一类为直接观测法，包括岩心观测、铸体薄片 法、图像分析法、扫描电镜法等；另一类为间接测定法，此类方法中 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章储层孔隙、渗流特性的实验研究 较为成熟的主要是压汞毛管压力法。除了实验室方法以外，目前还可 以利用地球物理测井资料特别是核磁共振测井资料定量评价储层孔隙 结构。 2 1 1 铸体薄片法“”1 将灌注了染色树脂的岩石切成薄片，在显微镜下观察研究的方法 称之为铸体薄片法。此方法主要测定孔隙的形状、大小、分布、喉道 类型及j l 喉连通性等参数。用它可以直接观察到孔隙、喉道及其相互 连通的二维空间结构，如果有计划地、从各个方向来切取较多的薄片， 也可以了解孔隙的三维空间结构。应用显微镜或图像分析法进行研究 铸体薄片，可以获得以下有用资料：( 1 ) 孔隙类型及喉道类型：( 2 ) 孔隙 大小及其分布；( 3 ) 面孔率；( 4 ) 孔喉配位数：( 5 ) 孔喉平均直径比等。 可以用镜下统计方法或图像分析方法直接测量孔隙的大小和分 布，包括不同类型孔隙的大小及其分布等，并可绘制孑l 隙分布直方图 和频率曲线图，求取以下参数：最大孔径值和最小孔径值；孔径 中值，即累积频率曲线上5 0 处的孔径值；孔径平均值；孔隙分 选系数。 应用铸体薄片可清楚地观n ：l 隙之间的连通情况，并可计算孔喉 配位数。孔喉配位数是指连接每一个孔隙的喉道数，通常以统计结果 的平均数来表示。 孔隙平均直径与喉道平均直径的比值，反映孔隙和喉道之间的大 小差别，也是孔隙连通性的一种重要反映。其算法如下式所示： 孔喉平均直径比= 瓮差篓需蓑圭磊差器季器 中国括油大学( 华东) 硕士论文 第2 章储层孔隙、渗流特性的实验研究 21 2 压汞毛管压力法 压汞法又称水银注入法。此方法是目前最准确、最成熟的定量评 价岩石孔隙结构的实验室方法，毛管力曲线如图2 一i 所示。 水银对岩石是一种非润湿相流体，通过旅加压力使水银克服孔隙 喉道的毛细管阻力而进入喉道，继而通过测定毛细管力来间接测定岩 石的孔隙喉道大小分布。如图2 2 所示。其基本假设是，将所有复杂形 状的喉道断面都用一个等效的圆面积来近似，这样，每一支喉道都相 应的看作为一支毛细管，岩石中的喉道组合则看成为组毛细管束。 基于这种假设所测定的孔喉大小分布称为视孔喉大小分布。 在压汞实验中，连续地将水银注入被抽空的岩样孔隙系统中，注 ? 入水银的每一点压力就代表一个相应的孔喉大小下的毛细管压力。在 ；。 这个压力下进入孔隙系统的水银量就代表这个相应的孔喉大小所连通 的扎隙体积。随着注入压力不断增加，水银不断进入更小的孔隙喉道。 譬 在每一个压力点，当岩样达到毛细管压力平衡时，同时记录注入压力 j ， ( 毛缅管力) 和注入岩样的水银量，据此可计算岩样的孑l 喉大小分布。 p c 图2 1 岩样的毛细管压力曲线 ! 垦互塑奎堂! 兰垒! 堡主丝奎 塑! 童堡星! ! 堕：堡鎏鐾些塑壅竺堡塞 图2 - 2 岩样的孔隙体积分布 孔隙喉道半径与毛细管力( 在压汞中相当于注入压力) 呈反比关 系，因此，根据压汞过程中的水银注入压力，使可计算相应的孔喉半 径，而在这个注入压力下进入岩样孔隙系统的水银体积，即是相应的 ， 孔隙喉道所连通的孔隙体积。在实际应用中，常用含水银饱和度( 即含 汞饱和度) 来表示某一注入压力下相应孔隙喉道所连通的孔隙体积占 总孔隙体积的百分数。 根据实测的水银注入压力与相应的岩样含水银体积，经过计算求 得水银饱和度值和孔隙喉道半径值后，就可以绘制毛细管压力、孔隙 喉道半径与水银饱和度的关系曲线，即毛细管压力曲线，如图2 1 所示。 毛管压力曲线反映了在一定驱替压力下水银可能进入的孔隙喉道 的大小及这种喉道所连通的孔隙体积。因此应用毛细管压力曲线可以 对储集层的孔隙结构进行研究。毛细管压力曲线的形态主要受孔喉分 布的歪度( 亦称偏斜度) 及孔喉的分选性两个因素所控制。所谓歪度是 指孔喉大小分布中是偏于粗孔喉还是偏于细孔喉。偏于粗孔喉的称为 粗歪度，偏于细孔喉的称为细歪度。对于储油( 气) 岩来说，歪度越粗 越好。孔喉分选性则是指i l 喉大小分布的均一程度。7 l 隙大小分布越 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章储层孔隙、渗流特眭的实验研究 集中则表明其分选性越好，在毛管压力曲线上就会出现一个水平的平 台。而当孔喉分选较差时，毛管压力曲线就是倾斜的。 在坐标系中，歪度越粗、分选越好，则毛细管压力曲线越靠左下 方，平缓段越长而且曲线凹向右方：反之，歪度越细、分选越差，则 毛细管压力曲线越向右上方偏移，曲线凹向左方。根据大量曲线形态， 从统计学的观点可将毛细管压力曲线分成六种，它们具有不同的分选 性和歪度组合，如图2 3 所示。 1 一未分选：2 一分选好；3 分选好，粗歪度；4 分选好，细歪厦； 5 一分选不好，略细歪度；6 分选不好，略粗歪度 图2 3 不同分选性和歪度下的典型毛细管压力曲线 在研究储集岩孔隙结构时，除应用毛细管曲线形态外，更重要的 是从毛细管压力曲线及其衍生图件( 如孔隙喉道频率分布直方图) 中提 取定量特征参数。孔隙喉道半径频率分布直方图反映不同大小孔喉的 分布特征，如图2 4 所示。 日目因困口困 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章储层孔隙、渗流特性的实验研究 图2 4 孔隙喉道半径频率分布直方图 作图方法是沿毛细管压力曲线作水平横的平行线，并以此平行线 读得毛细管压力，由辟= 2 g c o s o ，可求得不同毛细管压力所对应的 半径。两条水平线所对应的饱和度差值即为两平行线所对应孔道的百 分数，并以直方图形式表示。孔喉半径累积频率分布曲线反映不同大 小孔喉的累积频率分布特征。在实际作图中，只须将毛细管压力曲线 向右转9 0 度，即把孔喉半径标度由纵坐标变为横坐标，水银饱和度则 对应于累积孔隙体积百分比，如图2 5 所示。 | 。 纠 一耋 r i ! !| | i 、 、 ：；lk 图2 5 毛细管压力曲线孔隙半径累计频率分布曲线 1 6 芒r丝簟 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第7 章储层孔隙、渗流特性的实验研究 应用毛细管压力曲线及其衍生图件，用图解法和统计法可求取以 下特征参数： ( 1 ) 最大孔喉半径和排驱压力 最大孔喉半径是水银进入孔隙时最先突入的喉道值，即沿毛细管 压力曲线的平坦部分作切线与孑l 隙喉道半径轴相交所对应的孔隙喉道 半径值。排驱压力是指孔隙系统中最大连通孑l 隙喉道所对应的毛细管 压力。其物理意义是，在用非润湿相排驱润湿相时，非润湿相的前沿 曲面突破最大孔隙喉道而连续的进入岩样并将润湿相排驱出去时的压 力值，亦即使非润湿相在孔隙中连续运动的初始压力。 排驱压力与岩石渗透率有密切关系。一般来说，渗透率高的岩样， 其排驱压力值就低；渗透率低的岩样，其排驱压力就高。孔隙度高、 渗透率低的岩样，其排驱压力一般也较高，这类岩石虽然储集空间较 大，但是由于连通孔隙的喉道较为狭窄，所以其排驱压力相应偏高。 对于渗透率小于l o x l 0 。胛，孔隙度大于8 的样品，排驱压力值一般 在( 1 一1 0 ) 1 0 5 只，甚至更高。在研究排驱压力的同时，必须注意与 排驱压力相应的曲线平坦部分所占饱和度的百分数和睦线的斜度。斜 度越小、平坦部分越大，则表示最大连通的孔隙喉道的集中程度越高， 即岩石的分选性越好，岩石的孔隙结构越均匀。 ( 2 ) 孔喉半径中值和毛细管压力中值 孔隙喉道半径中值( r ：。) 是当水银饱和度为5 0 时所对应的孔喉半 径值。它是孔喉大小分布趋势的量度。毛管压力中值( 只。) 是当水银饱 和度为5 0 时所对应的毛细管压力值。它是毛细管压力分布趋势的量 度。在实际生产中，民可作为油气产出能力的标志。p 5 0 越大，则表 史国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章储层孔隙、渗流特性的实验研究 明岩石越致密( 偏向于细歪度) ，生产石油的能力下降； 民越小，则 表明岩石对油的渗流能力越好，具有高的生产能力。 ( 3 ) 孔喉半径平均值和孔喉均值 表征孔喉半径的平均值有两个参数，个为平均孔喉半径( r ，) ， 它是基于正态分布数学模型而计算的孔喉平均值，另一个参数为孔喉 均值( ) ，它是基于地质混合经验分布( 孔喉大小是多种地质成因所 造成的非正态分布) 所计算的孔喉平均值。孔喉半径平均值的表达式如 下所示： r 。：芒立堕 ( 2 1 ) 式中量。，r ：。，r 。分别为毛细管压力曲线中水银饱和度为1 6 、5 0 、 8 4 所对应的孔喉半径值。孔喉均值的表达式如下所示 = 丛 ( 2 2 ) i = 1 其中，为孔喉半径分布函数中某一区间平均孔喉半径，墨为对应于 r 区间内的水银饱和度。 ( 4 ) 孔喉峰值 孔喉峰值为孔喉半径频率分布曲线上的峰值，即所占体积分数最 多的孔喉半径。如果出现两种或多种主要的孔喉大小，那么频率曲线 为双峰型或多峰型，有两个或多个峰值。 ( 5 ) 孔喉分选系数 反映孔喉大小分布集中程度的参数，表示孔喉大小分布的均一程 度。孔喉大小愈均一，则其分选性愈好，孔喉分选系数愈接近于0 ，则 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章储层孔隙、渗流特性的实验研究 毛细管压力曲线就会出现个水平的平台，其累积频率曲线就十分陡 峭。当孔喉分选较差时，毛细管压力曲线倾斜，而累积频率曲线平缓。 孔喉分选系数的计算公式为： s p =黔j ( 2 - 3 ) ( 5 ) 孔喉歪度 孔喉歪度表示孔喉频率分布的对称参数，反映众数相对的位置， 众数偏粗孔喉一端称粗歪度，偏于细孔喉端为细歪度。对于储集层来 说，偏粗为好。 2 1 3 核磁共振法“j ”- ” 可以在实验室通过核磁共振岩心分析仪测得岩心的核磁共振t 2 谱，利用核磁共振t 2 分布也可以定性的反映出岩石孔隙结构的好坏。 实验表明，核磁共振t 2 谱与孔喉半径分布曲线( 毛管压力曲线的衍生图 件) 在幅值和形态上很相近。研究表明，t 2 谱也可以转化为毛管压力曲 线。但由于转抉系数的确定依赖于实验室测量手段，该方法还只能限 于在实验室条件下评价岩石孔隙结构。 可以通过对岩心压汞资料和与岩心深度相对应的实际核磁测井资 料( 主要是t 2 几何均值) 的统计对比分析，建立起t 2 几何均值与压汞参 数如喉径均值、分选系数、均质系数等的函数关系，再利用t 2 几何均 值求取孔隙结构参数，定量评价储层孔隙结构。t 2 几何均值与压汞参 数之间存在一定的相关性，这种方法利用了这种相关性，具有一定的 实用价值。但是t 2 几何均值与压汞参数之间的相关性的强弱将直接决 定该方法的实际效果的好坏，而且这种相关性的强弱受什么条件影响 中国石油大学( 华东) 硕士论文箱2 章储层孔隙、渗流特性的实验研究 目前也没有定论，因此这种方法的实际应用也存在一定的区域局限性。 此外，还可以直接借助核磁共振测井软件对核磁测井资料进行处 理，连续评价储层孔隙结构的优劣。利用核磁测井处理软件对数据进 行处理后可以获得的与储层孔隙结构相关的信息包括：核磁渗透率、 核磁孔隙度、各种大小的孔隙在总孔隙中的含量、可动流体饱和度、 束缚流体饱和度及储层连续的t 2 谱分布。但是有一点需要指出，目前 对于此方法在评价各类储层孔隙结构的应用效果上还缺少一个全面的 客观的评价结论，其软件实现所依赖的解释模型的适用性与可靠性还 有待于实践的进一步检验。比如其求取束缚流体饱和度与可动流体饱 和度的理论基础是t 2 截止值理论，而关于t 2 截止值理论一直存在争议。 另外，计算核磁渗透率模型也不只一个，它们的适用条件也值得探讨。 除了上述方法之外，如果能够借鉴利用毛管压力曲线定量研究孔 隙结构的方法，尝试直接从t 2 谱中提取反映其形态和幅值的特征参数 来定量表征岩石孔隙结构，那么我们就可以把这种新方法与核磁共振 测井技术结合起来，大范围、连续、准确的获得更多的描述储层孔隙 结构的信息。而且当我们对储层孔隙结构的信息掌握的更多时，我们 就可以利用测井资料精细描述储层孔隙结构，各类地球物理信息的真 伪及有效性也就很容易识别，这在孔隙结构较复杂的储层( 如低孔低 渗储层) 的测井评价中尤为重要。 2 2 渗流特性的实验研究 2 2 。1 毛管压力曲线 毛管压力同湿相或者非湿相饱和度之间的关系曲线称为毛管压力 曲线，它是研究渗流特性中重要的资料。毛细管压力的排驱压力同时 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章储层孔隙、渗流特性的实验研究 反映了储层孔隙的最大喉道半径的大小和储层渗透性的好坏，饱和度 中值反映了渗透性和产液能力的高低。在实验研究中，测定毛细管压 力的主要方法有：压汞法、半渗透隔板法以及离心法。压汞法在第 节压汞毛管压力法中也有介绍，这里主要介绍半渗透隔板法以及离心 法。 ( 1 ) 半渗透隔板法： 半渗透隔板法测定毛细管压力的主要部件是带有半渗透隔板的金 属漏斗，又称为岩心室。隔板的孔隙小于岩心孔隙，当用非润湿相流 体饱和隔板后，由于毛管压力的阻碍作用，在外加压力没有超过隔板 孔道的穿透毛管压力之前，隔板只容许润湿相流体通过，而非润湿相 流体不能通过。 i 实验时从最小压力开始逐渐升高压力，随着驱替压力的升高，非 润湿相将通过越来越细小的孔道，润湿相排出的越来越多。也就是说， 随着驱替压力的升高，非润湿相饱和度逐渐升高，润湿相饱和度逐渐 降低。在实际测量时，每达到一个设定的压力值后，需要等待系统稳 定后，再进行读数，记录压力值和相应的累计排水体积，然后再进行 下一个压力点的实验，依此类推，直到达到最高压力为止。 根据实验所获得一系列压力值和相应的累计排水体积，可以绘制 出饱和度同压力之间的关系曲线，即驱替毛管压力曲线。 半渗透隔板法测定毛管压力曲线，比较接近模拟油藏条件，测量 的精度较高，因而是一种经典的、常用的方法。但是其最大的缺点在 于测试时间太长，达到平衡、稳定的速度非常缓慢。 ( 2 ) 离心法 离心法是以高速离心机所产生的离心力，代替外加的排驱压力， 从而达到非润湿相驱替润湿相的目的。在离心法测定中，将一块饱和 2 l 中国石油人学( 华东) 硕士论文 第2 章储层孔隙、渗流特性的实验研究 润湿相流体的岩样装入充满非润湿相流体的离心管中，把离心管放在 离心机上，离心机以一定的速度旋转。由于两相流体的密度不相同， 在相同的旋转半径和角速度下，润湿相和非润湿相流体所产生的离心 力不相同，两个离心力的差值同储层孔隙内流体两相之间的毛管压力 相平衡。在离心力的作用下，润湿相被甩离孔隙，而被非润湿相所代 替，将离心力以压力表示，则两相之间的离心力的差值就是非润湿相 排驱润湿相的排驱压力。 通过观察闪烁仪可以记录下平衡时驱出的水的体积，由此可以计 算出该离心力下的饱和度。逐渐增大离心机的转速，即平衡时的毛细 管压力，记录下相应的排出液体的体积，就可以获得毛细管压力同润 湿相( 或非润湿相) 饱和度之间的关系曲线。 2 2 2 相对渗透率的实验测定 相对渗透率测定的方法比较多，总体来说可以分为实验室的直接 测量和根据其它资料和经验公式进行的间接计算。相对渗透率的实验 测定( 直接法) 可以分为稳态法和非稳态法。 ( 1 ) 稳态法 稳态法测定毛细管压力的原理是基于稳定流动时的达西定律。试 验时，将经过抽提烘干并饱和水( 或者油) 的岩心放入岩心夹持器内， 测定水相或者油相的单相相对渗透率。然后用两个恒速微量泵以不同 的排量分别使水和油通过岩心。当岩样进出口两端的油水量相同时， 表明岩心中两相的流动已经达到了稳定状态，通过压力传感器测出岩 样两端的压差，通过油水计量器测出油水的流量。然后改变泵入岩心 的油水比例，也就是改变了岩心中油水的饱和度，多次重复，可以获 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章储层孔隙、渗流特性的实验研究 得一系列油水的流量q 。和q 。相应的压差尸，然后可以利用公式计 算出油水各相的相渗透率。 为t n 定相对渗透率，每次测量的时候必须同时测量岩心中油水 的饱和度，测量油水在岩心中的饱和度是稳态法测量中比较困难的问 题，目前通常采用的方法有：物质平衡法、称重法、电阻率以及示踪 剂方法等。 ( 2 ) 非稳态法 非稳态法测量相对渗透率的理论基础是贝克莱列维尔特前沿 推进理论。非稳态法假定在水驱油的过程中，油、水饱和度在岩石中 的分布是水驱油时间和距离的函数。因此，油水在孔隙介质中的的渗 流能力，也就是油水的相对渗透率也是随着时间和分布的变化而变化 的，油水在岩石某一横截面上的流量也随时间的变化而变化。这样， 只要在水驱油的过程中能够准确地测量出恒定压力时间的油水流量或 者恒定流量时压力的变化，便可