提高采收率 第二章+油层岩石的物理性质幻灯片.ppt

第一节储层岩石骨架性质第二节储层岩石的孔结构及孔性第三节储层岩石的压缩性第四节储层岩石的流体饱和度第五节储层岩石的渗透性第六节储层岩石的敏感性第七节储层岩石的热传导性、导电性及放射性，第二章油层岩石的物理性质，油气储层为地下深部多孔岩层， 油气地下储层空间特征储层多孔介质的结构、性质是研究和掌握决定油气储层特征、油气储量和储量、油气井特征的储层物性，是认识储层、评价储层、保护和改造储层的基础，是提高油田开发和采收率的必备基础知识。 第一节储层岩石的骨架性质，地壳由岩浆岩、变质岩和沉积岩三种岩石组成。 在这三种岩石中，沉积岩复盖陆地表面积的75%，霸盖海底几乎复盖100%。 世界上发现的油田99.9%分布在沉积岩中。 也就是说，油气藏岩石的99.9%为沉积岩，需要研究油层矿物成分对提高采收率技术的影响，了解沉积岩的形成、油气藏的形成和油气水的分布规律。 石油和天然气储层主要是沉积岩储层，但沉积岩分为碎屑岩和碳酸盐岩储层，世界上主要含油气储层多为碎屑岩储层，包括各种类型的砂岩、砾岩、砂砾岩和泥岩。 碎屑岩储层分布广，物性好，是主要储层岩石。 图2-1、图2-2、图2-3、碎屑岩是碎屑物质压实、粘着的岩石。 碎屑颗粒之间不仅有粘结物，而且有一定的空隙，石油和天然气储存在空隙中。 1、碎屑岩按碎屑粒大小分为砂砾(100l.0mm )砂岩(1.00.1mm )粉砂岩(0.10.01mm )，粘土岩是主要由粘土矿物构成的岩石。 粘土矿物是粒径小于0.01mm的极细物质，其主要矿物成分为高岭石、蒙脱石、水云母等。 粘土岩分布范围广，约占沉积岩总量的60%。 粘土岩由于粒子细小，渗透性差，一般不能成为储油岩，因为它是重要的生油岩，其中含有大量油物质有机质。 有时粘土岩的裂缝发达，成为储集岩。 2、粘土岩、3、化学岩、化学岩又称“化学沉积岩”。 母岩风化产物中的溶解物(真溶液或胶体溶液)被运送到湖泊或海洋盆地，化学沉积，成岩作用形成的岩石，如铝质岩、铁质岩、锰质岩、硅质岩、磷质岩、碳酸盐岩、盐岩等。 岩石本身是岩盐矿、钾盐矿、石膏矿、芒硝矿、石灰石矿、白云石矿、铁矿、锰矿、铝土矿等重要的沉积矿床。 油田最常见的化学岩是碳酸盐岩，碳酸盐岩堆积在广阔的海底，分布面积大，厚度大。 另一方面，岩石粒度构成的砂岩性质不同，形状不同，大小不同的砂岩通过粘着物粘着而成。 储层的性质主要受粒子大小、形状、排列方式、粘结物成分、数量、性质及粘结方式的影响。 (1)由粒度和粒度构成的概念岩石粒子的大小称为粒度，用其直径表示(单位： mm或m )。 岩石的粒度组成是指粒径范围不同的粒子占全部粒子的百分比，通常以质量百分比表示。 (2)粒度组成的显示方法1 .粒度组成的显示方法之一表2-1所示的粒度组成也可以作为曲线图显示使用，曲线图法可以用不同的曲线图显示粒度分布。 直方图、累积图、频率图等。 矿山常用的是粒度组成分布曲线和粒度组成累积分布曲线。 粒度组成分布曲线表示各种粒径粒子所占的百分比，即岩石中粒度粒子的含量。曲线峰值越高，表明该岩石以某粒径粒子为主，岩石粒度组成均匀的曲线峰值越接近右侧，表明岩石中粗粒子越多。 相反，曲线的峰越接近左边，表示岩石中的微粒子越多。 在粒度组成的累积分布曲线中，上升段越陡，表示岩石粒子越均匀。 利用该曲线，可以从几个特征点求出粒度参数，定量分析岩石粒度组成的均匀性. 1 )与不均匀系数a的累积分布曲线上的累积质量的60%对应的粒径d60和与累积质量的10%对应的粒径d10之比称为不均匀系数。 也就是说，(2-1)砂岩粒子的不均匀系数一般在120之间。 比较累积分布曲线，粒度越均匀，不均匀系数越接近1。 2 )粒度中值d50。 与累积分布曲线上质量的50%相对应的粒径，单位mm。 以上表现是我国和前苏联国家矿山常用的表现方法。 2 .粒度组成的显示方法之二是我国和欧美等国，粒度分布曲线常采用图2-3所示的显示方法，从大粒子开始。 图23(b )的横轴为值尺度，第I种粒级直径取以2为对数的值： (2-2)，在图2-3粒度分布累积曲线的第二种描绘法中，为了定量地计算粒度组成的均匀度和特征，导入了以下的粒度参数(参照表2-4 )。 表2-4粒度参数，1 )粒度中央值Md和平均粒径Mz，根据粒径中央值Md提出了累积曲线上50%对应的粒径，学者推力提出了mm作为粒径【对应于图23(a )】，学者叉和沃德提出了粒径用价值表示的单位【对应于图23(b )】。 平均粒径的提案是因为包括粗糙度、细度两侧的粒度变化在内的整体平均粒径的定义式如表2-4所示。 2 )筛选系数So和标准差1的筛选系数表示粒子大小的均匀度，桁架取两个特征点定义筛选系数： (2-3)，式中的P25、p25分别为累积分布曲线上与25%、75%对应的粒径、mm。 根据轨迹的约束，筛选S=12.5的S=2540在筛选中等S4.0为筛选差，提出了交叉和ward按照正态分布的标准偏差的大小来划分粒子筛选性的等级。 该方法包括粒度组成累积分布曲线上从粗到细的区间，包括曲线的开头和末尾的特征，用该参数评价粒子的选择性效果是理想的，是比较常用的粒度参数之一。 由表2-5可知，标准偏差越小岩石的选别性越好。 其式是与(2-4)、式中第I个粒级(即累积曲线上95%、84%、16%、5% )对应的值. 表2-5标准偏差分选等级(交叉和沃德，l957 )，3 )偏差用于判别粒度分布的非对称度(定义式如表2-4所示)。 正态分布为左右对称，实际砂岩粒度分布不完全对称，根据峰的偏向性，粗(正)偏向状态：峰偏向粗粒度侧，即粒子以粗粒为主，5K1的值为正值，也称为粗应变状态。 细(负)偏压状态：峰偏向细粒度侧，即粒子以细粒为主，5K1的值必须为负值，也称为细变形状态。 叉子以偏置值SK1将偏置分为负偏置-1-0.3、负偏置-0.3-0.1、对称-0.10.1、正偏置0.10.3、正偏置0.31这5个等级。 4 )尖度(尖度)是测量粒度分布曲线尖度，以粒度分布的中央部和两端部的展开比，其定义式如表5-4所示。 民叉认为KG0.67是平的。 0.670.9是平坦的，0.91.11中等(正规)，1.111.56是尖锐的，1.563.0是尖锐的，3.0是非常尖锐的。 二、岩石比面1 .比面的概念及其研究意义岩石骨架的分散性可以用岩石的比表面积(也称为比面)来描述。 比面是指单位体积的岩石内空隙的总内表面积或单位体积的岩石内骨架的总表面积。其式如下： S=A/V(25)、式中s-岩石比面、cm2/cm3； a岩空隙的总内表面积，cm2； v一岩石的外形体积(或视体积)，cm3。 粒子彼此点接触时，岩石的细孔的总内表面积为全部粒子的总表面积。 例如，由半径为r的球体构成的多孔介质的比面为S=84R2/(4R)3=/2R。 显然，r越小，孔介质的比面越大。 同样，砂岩的砂粒越细，比面越大，骨架的分散度越高。 砂岩的粒度较小，其比面较大，各种砂岩的比面如表2-6所示。 表2-6、岩石空隙的表面是流体流动的边界，因此比面的大小可以决定岩石的多种性质，它对储层中的流体流动有很大的影响。 岩石与流体接触时产生的表面现象、岩石中流体的流动阻力、岩石的渗透性、骨架表面对流体的吸附量等与比较有关。 岩石比面的大小除受粒度影响外，还受粒子排列方式、粒子形状、粘结物含量等影响。 例如，球形粒子的比面小于扁平圆形粒子，粒子间的粘着物含量少时比面大。 比面的定义也可以用单位质量岩石的总内表面积来表示。 砂岩的单位质量比面积约为5005000cm2/g，页面的比面积约为l000000cm2/g(l00m2/g )。 在实际应用和公式推导中，使用粒子骨架体积Vs或空隙体积砚来定义比面。 即，(2-6)、式中以Ss岩石骨架体积为基准的比面、cm2/cm3； 以Sp岩石的细孔体积为基准的比面，cm2/cm3。 以上3个不同的意义比面间的关系为，(2-7)、-核空隙率、小数。 式中，通常岩石比面是指以岩石的表观体积为基准的比面s，三、砂岩的粘结物和粘结类型的砂岩是粒子通过粘结物粘结而形成的，在提高采收率中粘结物的性质对注入作业剂有很大影响。 1、粘结物性质储层岩石粘结物为碎屑颗粒以外的化学沉淀物，一般为结晶或非结晶自生矿物，砂岩中含量不超过50%。 粘着粒子，变成坚硬的岩石。 粘结物含量增加，岩石储油能力和渗透能力差。 砂岩中粘结物的成分、数量和粘结类型影响着砂岩的致密性、孔隙性、渗透性等岩石物性。 胶结物成分中最常见的是泥质和灰质，其次是硫酸盐和硅质。 1 )泥质(粘土)粘着物、泥质是沉积岩粒度分析中粒度小于0.01mm的物质的总称。 粘土是天然的土状细粒的集合体，与少量的水混合有可塑性。 其化学成分主要为氧化硅、氧化铝、水和少量铁、碱金属和碱土金属氧化物。 粘土矿物是指构成粘土主体的矿物。 根据粘土矿物的特点，定义为细微分散的含水层状硅酸盐和含水非晶硅酸盐矿物的总称。 综上所述，储层岩石的粘土矿物是粘土的主要组成部分，粘土是泥质的主要组成部分。 砂岩中粘土含量在10%以上，有的达到20%，是导致储层物性恶化和油田开发后储层伤害的主要原因之一。 油气储层中常见的粘土矿物以高岭石、蒙皂石、橄榄石、绿泥石、混合层等含水层状硅酸盐为主，在一些特殊的地质环境下可见海泡石等链状硅酸盐矿物。 粘土矿物，2种基本结构单元：硅四面体和铝八面体，2种基本结构单元片：硅四面体片和铝八面体片，高岭石的化学式为Al2O32Si022H2O。 晶体结构由硅四面体片和铝八面体片组成，通常称为l:1型粘土矿物。 高岭石片结构中，一面为氧层，另一面为氢氧层，氢氧层具有强极性，晶片之间容易形成氢键。因此，范德华力和强氢键力在两个相邻晶体层之间的综合作用使两个相邻晶体层紧密结合，水分子难以进入晶体层之间。 所以高岭石是一种比较稳定的非膨胀性粘土矿物，在结构单元中电荷平衡，电性弱。 蒙脱石的化学式为2Al2O38Si022H2O晶体结构，两个硅氧化四前置晶片夹着一个铝氧化八前置晶片构成，通常称为2:1型粘土矿物。 各硅四面体的尖顶指的是铝八面体，铝八面体晶片和上下2层硅四面体晶片之间通过共同的氧原子键形成晶体层。 蒙脱石晶体层的上下两面是硅四面体的氧层，相邻的两晶体层间没有氢键，仅通过弱的分子间力连接，层间连接极弱，水分子容易进入晶体层间，产生水合膨胀，因此蒙脱石是膨胀性强的粘土矿物。 伊利石的晶体结构类似蒙脱石，由两个硅氧四先驱晶片夹住一个铝氧八面体晶片构成一个晶体层，通常称为2:1型粘土矿物。 与蒙脱石的不同之处在于，在硅氧化四面体上大量发生了硅石中的晶格置换，即Si4被Al3置换，结晶不足的正电荷被k补偿。 埃里结构中的k位于相邻两个晶体层的两个四面体晶片之间，嵌入上下两个四面体晶片的氧原子的六边形网眼中，阻止水分子进入晶体层内。 另外，k和晶格置换发生的位置相近，相邻的晶体层和k产生强静电引力，使各晶体层紧密接触，即使存在水分子，晶体层也难以分离，不会引起晶体层的膨胀。 因此，伊利石是一种弱膨胀粘土矿物，其膨胀性介于高岭石和蒙脱石之间。 绿泥石的结构是在两个硅四面体片之间夹着一个铝八面体片构成云母层，在相邻的两个云母层间有一个氢氧化镁晶体层(蓝点)。 氢氧化镁晶体层为八面体晶片，Mg2被Al3取代，氢氧化镁晶体层带正电的云母层中的硅氧四面体内的Si4被Al3取代，云母晶体层带负电。 氢氧化镁晶体层和云母晶体层间通过静电力连接。 另外，氢氧化镁的氢氧化物与云母层的氧形成强氢键。 因此，绿泥石晶体层一般具有膨胀性。 绿泥石是非膨胀型粘土矿物，粘土矿物中的水根据其存在状态可分为吸附水(吸附在粘土矿物的表面)、层间水(存在于粘土矿物的单位结晶层间)、构造水(以经基形式存在于格子内部) 3种。 在上述3种水中，吸附水和层间水与矿物的结合松弛，一般可以在100200的温度下脱离，但脱格子中的结构水的温度高达400800。 油气储层中的粘土矿物根据成因可分为两类。 一种是陆源粘土矿物。 它是砂质同时堆积的粘土，多构成砂岩粒间的杂基和泥质纹层，由于在搬运和堆积过程中磨削，一般缺乏良好的晶形。 另一种是自生粘土矿物。 它是在沉积和成岩过程中形成的，一般在筛选、陆源粘土少、渗透性好的孔隙性储层砂岩中发育，通常具有良好的晶形，其晶体程度与储层孔隙的发育程度有关。 陆源粘土矿物的生产状况如图2-7所示，包括分散状基质、棉状凝块、旧泥岩和同期泥质岩块和团块、泥质纹层和渗出水的残留物等。 成岩压实过程中，粘土粒子变形挤压人类岩石孔隙，减少砂岩孔隙率。图2-7陆源粘土矿物的生产状况(据秦积舜等，2001 )以及自生粘土矿物在砂岩的空隙中的生产状况，如图2-8所示，分散质点式、薄膜式和交联式，对储层的渗透性有不同的影响。 图2-8的自生粘土矿物的生产状况，(1)分散质点式：粘土矿物作为分散质点填充在砂岩的粒间空隙中，其中自生高岭石最为典型。高岭石是完全伪六边形的自形晶体，或者是由这些自形晶体构成的页状、蠕虫状等不同形态的集合体，填充在砂岩的粒间空隙中。 分散质点式粘土可能对储层产生两种影响：另一方面，由于粘土质点充填在粒间空隙中，不仅岩石的空隙率减少，而且原始粒间空隙变成许多松散粘土质点分割的微细空隙，岩石的渗透性降低。 另一方面，由于填充在空隙中的粘土质点松弛，与砂粒的附着力差。 因此，在油田的开发过程中，这些质点有可能随