油层物理-杨胜来-油层物理学6.ppt

1、,第六章储层岩石的流体渗透性,第一节 达西定律及岩石绝对渗透率,第一节 达西定律及岩石绝对渗透率,压差,流量 或流速,第一节 达西定律及岩石绝对渗透率,A砂柱截面积，cm2； L砂柱长度，cm； 通过砂柱的流体粘度，mPas； P流体通过砂柱前后的压力差，atm； K比例系数，称为该孔隙介质的绝对渗透率，D。,式中：Q在压差P下，通过砂柱的流量，cm3s；,达西定律常用的单位制见表61。渗透率具有面积的因次，它代表多孔介质中孔隙通道面积的大小。渗透率越高，孔道总面积越大，液体在其中流动越容易，渗透性也越好。,第一节 达西定律及岩石绝对渗透率,达西定律的适用条件,达西定律有一定的适用条件，当渗流

2、速度增大到一定值之后，除产生粘滞阻力外，还会产生惯性阻力，此时流量与压差不再是线性关系，这个渗流速度值就是达西定律的临界渗流速度（图62曲线1）。若超过此临界渗流速度，流动由线性渗流转变为非线性渗流，达西定律也不再适用。图中压力梯度超过b，则为非达西流。,对于低渗致密岩石，在低速渗流时，由于流体与岩石之间存在吸附作用，或在粘土矿物表面形成水化膜，当压力梯度很低时，流体不流动，因而存在一个启动压力梯度（图62中a点）。,第一节 达西定律及岩石绝对渗透率,图62,第一节 达西定律及岩石绝对渗透率,第二节 气测渗透率及气体滑动效应,气测渗透率的计算,气测渗透率的典型实验流程见图64。气源由高压氮气瓶

3、供给，经减压阀和恒压器后，上游压力保持稳定，气体通过岩心，岩心两端产生一定的压力差。待气体流动稳定后，测量岩心两端压差及出口流量，即可按上式计算气测渗透率。,图64,第二节 气测渗透率及气体滑动效应,气体滑脱效应,气测渗透率时，由于气-固间的分子作用力远比液固间的分子作用力小，在管壁处的气体分子仍有部分处于运动状态；另一方面，相邻层的气体分子由于动量交换，可连同管壁处的气体分子一起沿管壁方向作定向流动，管壁处流速不为零，形成了所谓的“气体滑动效应”。克林肯贝格(Klinkenberg)发现了气体在微细毛管孔道中流动时的滑动效应，故称“克氏效应”。,第二节 气测渗透率及气体滑动效应,第二节 气测

4、渗透率及气体滑动效应,第二节 气测渗透率及气体滑动效应,第三节 影响岩石渗透率的因素,一、沉积作用 1、岩石骨架构成、岩石构造 2、岩石孔隙结构的影响 二、成岩作用 1、地层静压力的影响 2、胶结作用 3、溶蚀作用 三、构造作用与其它作用,岩石的颗粒粒度、颗粒分选性、胶结物和层理等特性对渗透率均有影响。实验室研究发现，疏松砂岩的粒度越细，分选性越差，其渗透率越低，如图68所示。,第三节 影响岩石渗透率的因素,粒度细、孔隙半径小，则岩石比面大，渗透率低。孔隙的连通性、迂曲度、内壁粗糙度等对岩石的渗透性也有影响（如图69、图610所示）,第三节 影响岩石渗透率的因素,第三节 影响岩石渗透率的因素,

5、地层静压力的影响 弗特等人用纯净干燥砂岩样品在实验室内做压实实验，测得KpKi (Kp为当前有效覆压P下的渗透率，Ki为起始有效覆压下的渗透率)与有效覆压P的关系。实验表明：作用于岩样上的压力越大，测得的渗透率越小；当有效覆压超过一定值(例如20MPa)时，渗透率就急剧下降（图611）。对泥质砂岩，其渗透率减小更明显。,第三节 影响岩石渗透率的因素,胶结作用,无论早期成岩阶段，还是晚期成岩阶段，胶结物质的沉淀和胶结作用都使孔隙通道变小，孔喉比增加，粗糙度增大，因而使渗透率降低（图612、图613）。,第三节 影响岩石渗透率的因素,第三节 影响岩石渗透率的因素,第三节 影响岩石渗透率的因素,第四

6、节 岩石渗透率的测定与计算,室内测定岩石渗透率 1、常规小岩心的渗透率测定 2、常规小岩心空气渗透率的测定 3、全直径岩心渗透率的测定 （1）水平渗透率的测定 （2）垂向渗透率的测定 （3）径向渗透率的测定 利用测井资料估算渗透率 按平均孔隙半径r和孔隙度计算岩石渗透率 平均渗透率的计算方法,常规小岩心空气渗透率的测定,我国目前广泛使用的是“流量管气测渗透率法”（或称空气压水法测渗透率），它所用的仪器主要由两部分组成（如图614所示）：（1）夹紧岩心用的岩心夹持器，（2）插于水池内的流量管。,第四节 岩石渗透率的测定与计算,式中： k渗透率，毫达西 B流量管常数，厘米3/大气压； L岩心长度，

7、厘米； 空气粘度，厘泊； A岩心截面积，厘米2; T水面从ho下降到hx所需时间，秒。,常规小岩心空气渗透率的测定计算公式,第四节 岩石渗透率的测定与计算,（1）水平渗透率的测定,第四节 岩石渗透率的测定与计算,（2）垂向渗透率的测定,第四节 岩石渗透率的测定与计算,（3）径向渗透率的测定,第四节 岩石渗透率的测定与计算,（3）径向渗透率的测定,第四节 岩石渗透率的测定与计算,在矿场生产实际中，钻取岩心的费用很高，因此也利用测井曲线来间接获取储层渗透率。其测定原理为：束缚水饱和度Swi与岩心渗透率有关，一般岩石孔径越小，Swi越高，渗透率K越低；同时对砂岩来说，孔隙度高的岩层，渗透率一般也好。

8、因此可由测井得到的孔隙度和束缚水饱和度Swi的资料估算出储层的渗透率，如图618所示。,利用测井资料估算渗透率,第四节 岩石渗透率的测定与计算,第四节 岩石渗透率的测定与计算,在测井解释中，常用下列形式关系式估算渗透率：,式中：a、b、c是与岩石孔隙结构及流体性质有关的常数,第四节 岩石渗透率的测定与计算,按平均孔隙半径r和孔隙度计算岩石渗透率,式中：K渗透率，m2 r岩石孔道半径，m 孔隙度，小数 迂曲度，小数 实际储油岩石孔道半径r多介于110m之间，11.4。,第四节 岩石渗透率的测定与计算,四、平均渗透率的计算方法,1、算术平均,第四节 岩石渗透率的测定与计算,2、加权平均法,第四节

9、岩石渗透率的测定与计算,厚度加权,面积加权,体积加权,3、并联（多层纵向不均一）地层的总渗透率 （1）直线渗流,第四节 岩石渗透率的测定与计算,（2）平面径向渗流,并联时直线渗流与平面径向流计算公式相同。,第四节 岩石渗透率的测定与计算,4、串联地层的总渗透率 （1）直线渗流,第四节 岩石渗透率的测定与计算,(2)、径向渗流,第四节 岩石渗透率的测定与计算,第五节 裂缝性、溶孔性岩石的渗透率,1、纯裂缝岩石的渗透率 (1)纯裂缝岩石的孔隙度 (2)纯裂缝岩石的渗透率计算 2、裂缝-孔隙双重介质岩石的渗透率 3、溶孔的渗透率,一、纯裂缝岩石的渗透率,第五节 裂缝性、溶孔性岩石的渗透率,裂缝的密度

10、n定义为：岩心端面上裂缝的总长度l与端面面积之比，即：,裂缝的孔隙度f ：,式中：b裂缝宽度，cm； f裂缝孔隙度，小数； Kf裂缝渗透率，cm2。 若用达西单位制，上式变为： 式中：b裂缝宽度， cm； f裂缝孔隙度(又称裂缝性系数)，小数； Kf裂缝渗透率，m2。,二、裂缝-孔隙双重介质岩石的渗透率,第五节 裂缝性、溶孔性岩石的渗透率,裂缝-孔隙岩石的渗透率等于基质渗透率与裂缝渗透率之和，即：,图624 溶孔的描述,三、溶孔的渗透率计算,式中：h溶孔性岩石的孔隙度； r溶孔的半径；cm L长度，cm N断面上溶孔的根数； A溶孔型岩样的断面面积，cm2。,第五节 裂缝性、溶孔性岩石的渗透率

11、,图625平行毛管束模型,实际岩石中的孔隙空间多是由不规则的孔道组成的，毛管束模型将其简化为孔隙空间由等直径的平行毛管束所组成的理想岩石，如图625所示。,第六节 岩石结构的理想模型及应用,一、毛管束模型,毛管渗流定律,假设一长为L，内半径为ro的毛细管，其中流体的粘度为，在压差(P1P2)下作层流或粘滞性渗流。若流体可以润湿毛细管壁，则在管壁处液体的流速为零，在管中心处的流速最大，距离管中心相同距离r处的流速相同，如图626所示，因此可以看作是具有同一流速的圆筒层面。不同圆筒层面之间的粘滞力为：,第六节 岩石结构的理想模型及应用,图626粘性流体在毛管中的流速分布,第六节 岩石结构的理想模型

12、及应用,第六节 岩石结构的理想模型及应用,液体在毛细管中作粘滞性渗流时的流量公式“泊稷叶(Posenille)”定律。,二、网络模型,毛细管束模型与实际岩石孔隙结构尚有一定的差距，该模型表现出一些不足，为此人们提出了网络模型。网络模型使用大量毛细管以及毛细管群组成的网络来模拟实际孔隙，因此更接近实际岩石孔隙网络。,简单地说网络模型，是由线（直线或曲线）和汇点组成的空间网络结构。孔隙结构网络模型可以是一维、二维或是三维的。,第六节 岩石结构的理想模型及应用,在一维网络模型中（图627），孔隙直径呈规则或不规则的变化，相当于一根变直径的毛细管,一维网络模型,第六节 岩石结构的理想模型及应用,二维网

13、络呈某种格子状（图628），网络中以随机方式改变孔与孔之间的连通性，线的排列可以是非规则的，也可以是对称形的。网络中的线相当于孔隙，而线的交点（可以称为“节点”）代表实际岩石的孔隙的交汇点。两邻近“节点”的连线为岩石中的喉道。配位数是网络中与点相连的键数。网络中没有端部封死的孔隙。孔隙尺寸，如孔径、孔长等参数都可以定义。在二维网络中，只能有一相是连续的，而另一相必定是间断的；而在三维网络中,可以同时出现两个连续相。,二维网络模型,第六节 岩石结构的理想模型及应用,第六节 岩石结构的理想模型及应用,图629是理想的三维网络模型，图中每一条线代表着一根孔隙，可以想象，每个节点上，几根或哪根孔隙流入

14、或流出都不是固定的。可以说网络中的流动相当复杂。实际上，组成网络的孔隙以各种不同的形状和尺寸不规则地分布着，通常没有规则几何形状。因此，要想建立像毛细管束模型一样的解析关系式是不可能的，求解的方法一是从统计学意义方面进行描述，二是借助计算机技术的发展，通过计算机编程进行计算，实现对渗流过程的定量预测。对孔隙介质建立网络模型可以实现对多孔介质的毛细管压曲线、渗流特征、两相与多相渗流特征的描述。,三维网络模型,第六节 岩石结构的理想模型及应用,图629 三维网络模型示意图,第六节 岩石结构的理想模型及应用,第七节 砂岩储层岩石的敏感性,储层岩石中存在着某些敏感性矿物，油气田开发过程中，储层与外来流

15、体接触时、或某些地下条件变化时，可能导致地层渗透率降低，即造成储层伤害。 为了防止这种现象的发生，必须掌握这些敏感性规律，在油气田正式投入开发前，必须对储层岩心进行各种敏感性评价实验，以确定储层与外来流体接触时，对储层可能造成的伤害程度。,第七节 砂岩储层岩石的敏感性,对于砂岩：敏感性矿物主要是胶结物质 1、泥质胶结粘土胶结物 2、硫酸盐胶结物（CaSO4.H2O） 3、灰质胶结,一、砂岩胶结物中的各种敏感矿物,1、粘土矿物遇水膨胀特性 蒙皂石 混合层粘土 伊利石 高岭石 绿泥石,第七节 砂岩储层岩石的敏感性,一、砂岩胶结物中的各种敏感矿物,1、粘土矿物遇水膨胀特性 （1）粘土矿物的结构特点

16、粘土矿物是高度分散的含水的层状硅酸盐和含水的非晶质硅酸盐矿物的总称。 粘土矿物的基本构成单元是晶体，晶体经平面延伸形成晶片，晶片经纵向重叠形成晶层，晶层平面延伸和纵向重叠构成了粘土矿物。,一、砂岩胶结物中的各种敏感矿物,晶层之间联结的牢固性随粘土矿物类型的不同而不同，以OH和O原子联结的高岭石最牢固。 以O和O原子联结的蒙皂石其晶层之间联结得最弱。因此水分子和它的阳离子很容易进入蒙皂石晶层之间。 另外，由于粘土矿物晶层边角的破键和晶格内高价金属被低价金属置换（如Al3+被Mg2+、Si4+被Al3+）等，形成晶层构造单元的电荷不平衡，从而使粘土矿物晶层之间和边角上吸附有一定数量的阳离子（交换性

17、阳离子）。,一、砂岩胶结物中的各种敏感矿物,（2）粘土矿物的主要晶体、晶片、晶层 A、硅氧四面体 B、硅氧四面体晶片 C、铝氧八面体 D、铝氧八面体晶片 E、晶层,硅氧四面体一个硅离子（Si4+）在中心，等距离地配置4个氧离子（O2），紧密结合起来构成四面体。4个氧离子各带一个负电荷，其中3个氧离子构成一个平面，正好四个面，故称为四面体(图630)。,第七节 砂岩储层岩石的敏感性,如图631所示，高岭石属于1:1层型八面体的层状硅酸盐，为三斜晶系。单元晶层由一片四面体晶片和一片八面体晶片结合而成，单元晶层上、下两面的组成不同。上面全由氢氧根离子组成，下面全由氧离子组成，层间电荷为零，所以层间无

18、阳离子。氢氧根离子和氧离子直接重叠，相邻两层间除有范德华引力外，还有一定比例OH原子团形成的氢键力将相邻两晶层紧密结合起来，使水不易进人晶层之间。即使有表面水化能撑开晶层，也不足以克服其晶层间大的内聚力，所以高岭石是比较稳定的非膨胀性粘土矿物，一般不易水化。,第七节 砂岩储层岩石的敏感性,蒙皂石、伊利石类：其晶层结构示意图如图632，它由两片四面体晶片夹一片A1-O-OH八面体晶片结合成一单元结构(TOT型)。其结构特点是单元结构层内的高价阳离子(A13+、Si4+)能被低价阳离子(Mg2+、Ca2+、Na+等)部分置换，如A13+被Mg2+置换，Si4+被Na+置换。这种阳离子交换的结果：一

19、是由于高价被低价置换后形成正电荷亏损，粘土带负电，需由吸附在晶体外表和晶层间的可交换阳离子(Mg2+、Ca2+、Na+等)来中和平衡；二是阳离子交换后引起电荷不均匀，为阳离子交换提供了十分有利的条件。,第七节 砂岩储层岩石的敏感性,第七节 砂岩储层岩石的敏感性,第七节 砂岩储层岩石的敏感性,第七节 砂岩储层岩石的敏感性,岩心电镜图片X200摄像,第七节 砂岩储层岩石的敏感性,（5）不同粘土矿物对储层的潜在影响 从粘土的不稳定特征分析结果可以知道，不同类型的粘土矿物的不稳定机制不同。 A、蒙皂石：蒙皂石粘土胶结物对储层的最大伤害是它对水有极强的敏感性，尤其是钠蒙皂石，遇水后体积可膨胀至原体积的6

20、00%1000%，从而引起储层渗透率的明显降低。,（5）不同粘土矿物对储层的潜在影响 B、高岭石： 高岭石是砂岩储层中最常见且含量较高的粘土胶矿物，常以书页状、蠕虫状等形态充填在砂岩空隙中。高岭石对储层的潜在影响有以下两个方面： 充填粒间孔隙，使原来的粒间孔隙变成微细的晶间孔隙。由于晶间孔隙极细微，对渗透率的贡献很小，从而降低了岩石的渗透率。 高岭石集合体对岩石颗粒的附着力很差，在流体剪切力的作用下，高岭石矿物颗粒极易从岩石颗粒上脱落和破碎，并随流体在孔隙中移动，造成高岭石微粒堵塞岩石孔隙喉道。,C、伊利石：伊利石是形态最复杂的粘土矿物。以成因而论可将其形态分成两大类：鳞片状和纤维毛发、条片状

21、。前者一般分布于颗粒表面，主要通过减小孔隙的有效渗流半径而影响储层的渗透率；后者对储层的影响复杂得多，通常分为三个方面： 纤维状、毛发状伊利石在孔隙中交错分布，使原始的粒间孔隙变成大量的微细孔隙，使孔隙结构变得复杂，储层渗透率显著降低。 这些伊利石具有很大的比表面积并强烈地吸附水，使岩石具有很高的束缚水饱和度。 受流体剪切力作用，这些伊利石易破碎，并被运移至孔隙喉道处形成堵塞，而导致储层渗透能力的下降。,（5）不同粘土矿物对储层的潜在影响 D、绿泥石： 绿泥石常以柳叶状吸附在颗粒表面，或以绒球状集合体充填于孔隙中。在孔隙中也呈架桥式生长。 储层中的绿泥石是一种富含铁的粘土矿物。绿泥石遇酸后溶解

22、并释放出铁，当酸消耗尽时，会形成氢氧化铁的胶体沉淀。由于这种三价铁胶体颗粒较大，很容易堵塞孔隙喉道，从而伤害储层。,测定粘土膨胀大小常用粘土膨胀仪 (图636)。它由半渗透隔板漏斗和微量计量管组成，隔板下面装有所需测试的液体(例如水)，上面垫有滤纸。测试时，取一定量的粘土(约0.1g)放在滤纸上，其吸液程度可由计量管读出，而粘土膨胀体积可由带刻度的漏斗中读出。,（6） 粘土膨胀程度,用“膨润度” 表示粘土膨胀程度与大小，它是粘土膨胀的体积占原始体积的百分数。粘土的膨润度除与粘土本身的性质有关外，还与水的性质有关，通常淡水使粘土膨胀最厉害(图635 )。,第七节 砂岩储层岩石的敏感性,硫酸盐胶结

23、物及其脱水特性,石膏被加热时，当温度达到一定程度后（如64）便有结晶水从石膏中析出，但速度很慢，温度超过80100后，结晶水便很快地析出；随着温度继续升高，石膏中结晶水的析出速度成倍增加。图637为石膏脱水与温度的关系曲线。常规岩心分析和特殊岩心分析中，岩心洗油、烘干时必须考虑到石膏的脱水特性。,第七节 砂岩储层岩石的敏感性,3、灰质胶结物（酸敏矿物）及特点 灰质胶结物主要是由碳酸盐类矿物组成。 例如石灰石(CaCO3)、 白云石(CaMg(CO3)2)、 钠盐(Na2CO3)、 钾盐(K2CO3)和 菱铁矿(FeCO3)。,酸化增产措施： 碳酸盐矿物的特点之一是能与酸反应，因而称为酸反应矿物

24、。多数碳酸盐矿物与酸反应后，不易生成沉淀物质，所以不会对地层造成伤害，还会使渗透率提高。采油工程中，为提高油井产能和水井的注入能力，往往向采油地层中挤注酸液的工艺方法来改造地层。这种工艺方法的本质就是利用酸和盐的反应，溶蚀碳酸盐矿物，提高地层岩石的孔隙性和渗透性。现场上是否采用酸化地层的工艺提高产能，主要取决于地层岩石中碳酸盐的含量。对于常规的砂岩地层，碳酸盐含量大于3时才能采用酸化工艺改造地层。,C、储层保护 所谓酸敏矿物是指与酸反应，并生成沉淀导致孔道堵塞进而引起渗透率降低的那些矿物。 胶结物中的富铁绿泥石、黄铁矿(FeS2)和菱铁矿(FeCO3)等等均属于此类酸敏性矿物。 菱铁矿与酸反应

25、生成沉淀物，其反应式为：,C、储层保护 富铁绿泥石与酸反应后，粘土将膨胀，此外富铁绿泥石溶于酸液后，当pH值介于56时，Fe+2呈胶体沉淀，会伤害油层，Fe(OH)3是一种片状结晶，其体积比较大，可以堵塞孔喉， Fe2+呈胶体沉淀，其反应式为： 为了防止地层中Fe2+和Fe3+的沉淀，可在酸化液体中加入铁的整合剂和净氧剂等添加剂，减少Fe(OH)3生成，保护油气层。,二、 储层敏感性的评价方法,储层敏感性包括速敏性、水敏性、酸敏性、盐敏性等。,油层物理学 复习提纲 基本概念：,二、单位制与常用单位换算（重要物理参数、公式） 三、计算题 （1）实际气液在两相平衡状态下的组成及数量的计算 （2）泡

26、点、露点的计算；（3）闪蒸分离计算 （4）绝对渗透率的计算；（5）克氏渗透率的计算 （6）裂缝渗透率的计算 （7）平均孔隙半径、渗透率、比 面、孔隙度之间的关系及计算 （8）孔隙度计算 （9）平均渗透率的计算,四简要论述题 1、原油的物理性质性质； 2、原油的品位分类； 3、烃类体系的相态图； 4、地层水水型的判断法； 5、天然气水合物形成的条件； 6、岩石物理性质； 7、达西定律 ； 8、气体滑脱效应,五 论述题： 1 简述石油天然气的化学组成。 2 油气藏按流体性质分为哪几种？典型地层流体的气油比、密度等；典型油气藏的相图. 3什么是泡点、什么是露点？ 4 什么是一次脱气（接触脱气）？什么

27、是多次脱气（微分脱气） 5 什么是天然气相对密度、天然气体积系数、天然气压缩因子？ 6 什么是原油的饱和压力、原始气油比、体积系数？ 7试述地层流体划分的类别及主要指标 8不饱和油藏原油PVT实验中，各参数（Rs，Bo，Bt，o）随压力变化规律 9简述确定天然气压缩因子的具体步骤。 10简述确定天然气组成的实际意义。 11高、低收缩率原油的高压物性及相图有何差异? 12简述泡点压力前后原油高压物性是如何变化的。从中你能得出影响原油高压物性的主要因素是哪些? 13一次脱气和多级脱气对所测定的地层油体积系数及溶解气油比有何影响?一般计算溶解气油比以哪种脱气方式为准?,五 论述题： 1储油岩石有哪几类？ 2什么是岩石的孔隙度、渗透率，写出其定义式。牢记各物理量单位。 3什么是超毛细管孔隙、毛细管孔隙、微毛细管孔隙？ 4什么是绝对渗透率、相对渗透率？ 5什么是储层的流体饱和度、原始含油饱和度、残余油饱和度？ 6什么是地层水饱和度？什么是束缚水？什么是束缚水饱和度？ 7平面径向流的油井产量如何计算？ 8影响孔隙度的因素； 影响渗透率的因素。 9粒度组成分析方法有哪些?基本原理是什么? 10岩石胶结类型有哪些?如何划分胶结类型?依据是什么? 11什么叫岩石的绝对渗透率?测定岩石绝对渗透率的条件是什么? 12岩石颗粒的粗细对比面大小有何影响? 13什么是气体滑动效应?它对所