油层物理课件(成都理工大学).

油层物理课件成都理工大学能源学院第四章岩石特殊物理性质第一节地层条件下的孔隙度一、概念油田开发前，产层上覆岩石和流体自重所产生的应力（外压）、产层中的流体压力（孔隙内压）以及岩石骨架所承受的压力（外压与内压的差值）处于平衡状态。油田投入开发后，随着产层中的流体被采出，油层压力不断下降，平衡遭到破坏，从而使外压与内压的差值（压差—有效应力）变大。孔隙体积的减少（ΔVP）与地层岩石体积大小或实验岩样外表总体积（VT）的大小、地层压力的降低幅度（ΔP）以及岩石本身的弹性压缩系数Cf有关：pVCVTfp上式可改写成：pVVCpTf/1式中,Cf——岩石的压缩系数，10-4MPa-1；VT——岩石总体积，cm3；ΔVP——油层压力降低ΔP时，孔隙体积减小值，cm3。当油层压力每降低单位压力时，单位体积岩石中孔隙体积的减小值。因此，岩石压缩系数的大小，表示岩石弹性驱油能力的大小，又称为岩石弹性压缩系数。常规岩石孔隙度可通过测定岩石的压缩系数CP，采用公式pPCe0即可将实验室条件下所测的孔隙度值转换为地层条件下的孔隙度。在用物质平衡方法计算储量时要用到孔隙体积压缩系数，特别是对于不饱和油藏，这个系数更加重要。二、实验室测定方法1.测定装置图4-1-1单轴压缩仪按加载方式的不同，实验室岩石压缩系数的测定有三种装置：单向压缩仪、三轴压缩仪和流体静力压缩仪。1）单向压缩仪（图4-1-1）这种加载方式与地层岩石受压状况非常相似：岩石只在垂向上发生形变，横向形变趋于零。因此，该装置可直接测量相应地层有效上覆压力下的岩石压缩性。图4-1-2三轴压缩仪2）三轴压缩仪（图4-1-2）三轴压缩仪可根据需要任意控制垂向压力和横向压力，以模拟各种不同的承压条件（见图）。三轴压缩仪可直接精确测量岩石在地层条件下的压缩，并可计算岩石泊松比。但试验程序、控制较复杂，对岩样形状要求很高，难以作大量的样品测量。3）流体静力压缩仪（图4-1-3）流体静力压缩仪是采用静水压力加载（如图4-1-3），各方向受到相同压力作用，这与在上覆地层压力下垂向上产生形变、横向形变趋于零的情况不同。所以测量值要通过转换才能与上述方法进行对比。这是目前应用广泛的实验装置。图4-1-3流体静力压缩仪三轴压缩仪上述三种装置，孔压流体都是用的液体（盐水），孔隙体积的变化量是通过测试时从岩心中排出液体的体积来反映，而一般试验时从岩心中排出的流体体积量比较少，所以对计量装置的计量精度要求很高。图4-1-4孔隙体积变化装置4）氦气孔隙体积压缩仪（图4-1-4）装置如图所示。它主要由围压系统、岩心室、精确标定的微量泵、气源、压力控制、调节装置几部分组成。这种方法测出的孔隙体积变化，与同样条件下液体饱和法测出的孔隙体积变化基本一致。这种方法的主要优点是：压力平衡时间短，测量快速；岩石不接触液体，也不存在与矿物发生反应对孔隙体积测量的影响。此外，在引进英国罗伯逊公司常规氦气孔隙度仪的基础上，设计并改装了能提供50MPa有效上覆压力的岩石氦气孔隙体积压缩系数、渗透率测定仪（见图4-1-5）。该仪器由标准容器、上覆压力源、控制显示单元、孔隙压力源、高压岩心室及有关管汇组成。它可提供50MPa有效上覆压力作恒定孔隙压力下的孔隙度和孔隙体积压缩系数测定，且操作简单，测试准确可靠。图4-1-5有效应力的氦气岩石孔隙体积压缩、孔隙度测定装置2.有效上覆压力的计算：不同地区有效上覆压力的计算可根据下式：LrPDP100式中，P——有效上覆压力，MPa；D——岩心的实际深度，m；r——上覆岩石的平均密度，g/cm3；PL——孔隙压力，MPa。3.实验测定方法实验室测定一般用长度5~6cm，直径2.5cm岩心，先用有机溶剂冼净烘干，套上热缩管，然后放在夹持器内，以1.4MPa的环压密封岩心。用氦气法测定岩样孔隙体积及孔隙度，然后抽空饱和盐水。1）岩心烘干，测定孔隙度；2）岩心抽空饱和水；3）岩心周围施加密封压力，然后升温至油藏温度，恒温至少1小时，然后按选定的压力间隔，逐渐提高环压至设计的有效上覆压力，记录相应压力点所挤压出水的体积，将此值与上覆压力做图。图4-1-8和表4-1-1表示有效上覆压力和孔隙度与孔隙体积压缩系数间的关系。从图表中可以看到：原始孔隙度小的压缩系数大，原始孔隙度大的压缩系数小，因而对于低渗透油气田更应该开展此项实验工作。图4-1-8孔隙体积压缩系数与有效上覆压力及孔隙度的关系Ф=4.6%Ф=7.1%Ф=11.0%07.014.021.028.035.0有效上覆压力（MPa）孔隙体积压缩系数（10-6）表4-1-1岩石孔隙体积压缩系数测定数据表样品号有效上覆压力（MPa）孔隙体积（cm3）岩石体积(cm3)孔隙度（%）孔隙体积压缩系数（10-4MPa-1）实测值换成单轴应力状态值A1.365.9978.727.66.525.9378.667.520.5812.5512.635.8678.597.518.9611.5718.505.8078.537.414.859.0625.095.7478.477.313.388.1631.355.7078.437.312.207.4437.955.6578.387.210.886.6344.615.6178.347.29.705.9251.445.5878.317.14.265.29B1.362.1658.003.76.522.1357.973.743.2226.319.262.0957.933.642.7826.1714.102.0457.883.542.4825.8720.111.9957.833.435.4321.6126.991.9557.793.429.9918.2334.151.9157.753.324.8415.1442.051.8857.713.318.6611.3948.641.8657.683.212.357.5355.521.8557.673.23.231.97第二节地层条件下的渗透率一、地层条件下的渗透率岩石的渗透率是地应力的函数，相对于孔隙度，渗透率随埋藏深度的增加而减小的程度远远超过孔隙度的变化。模拟地层条件下岩石渗透率的测定是根据岩样所处的深度计算有效应力值，在岩心周围施加这一压力和温度，然后采用常规的渗透率测定方法进行测定。资料的整理一般可以采用地面条件下测定的渗透率K与地层条件下测定的渗透率K’的比值来衡量渗透率的变化：用小数表示渗透率比值KK%KKK渗透率降低百分数二、压力和温度对渗透率的影响怀特等人用纯净干燥砂岩样品作压实实验，测得Ki/K（Ki为目前压力下的渗透率，K为起点压力下的渗透率）与上覆有效应力p的关系，得到如图4-2-1所示结果。从图中不难看出，当作用于岩样上的压力越大时，渗透率相应减小，当压力超过某一数值（20MPa）时，渗透率K就急剧下降。对泥质砂岩，渗透率减小得更厉害，甚至降为零。有效上覆压力（MPa）图4-2-1渗透率降低与有效上覆压力的关系曲线A胶结砂岩B易碎的（疏松的）砂岩C未胶结砂岩初始渗透率（小数）不同的岩石由于粒度和组成，尤其是泥质含量的差异，其渗透率随压力增加而下降的幅度各不相同。纯石英砂岩（图4-2-2中的17号样品），在30MPa围限应力下，渗透率下降了大约17%；而泥质砂岩（图4-2-2中的16号样品），在30MPa的围限应力下，图4-2-2渗透率随有效应力增加而降低围限压力MPa渗透率降低%渗透率可下降78%~86%；长石砂岩或石英—长石砂岩则居中间位置。从图4-2-2中还可以注意到，渗透率在10MPa以前的围限应力下，其下降幅度很陡，而在10MPa以后，趋于平缓，甚至基本不变。总之，压力、温度的升高，总是使岩石的渗透率降低。因此，研究岩石的渗透率，则更应该研究和测定岩石在地层条件下的渗透率，以反映岩石在地下的真实面目。第三节有效应力下的孔喉大小分布突破压力是在油气运移定量计算中的关键参数之一。尤其是二次运移和油气柱的定量计算中，都使用了突破压力这一关键参数。但是，随着对突破压力研究的深入，对实验室测试技术的要求也越来越高。目前四面进汞的压汞技术并不符合地层中油气流动的实际情况，所测得的是“视孔喉分布”，采用排驱压力作为二次运移和油气柱的定量计算显然也是不合适的。如果将样品的侧面和一个端面用塑料封住，则可形成单向进汞，使之更接近油气流动的实际情况。此时，测得的压汞曲线就会有明显的差异。1.测试仪器成都理工大学设计研制了测定岩石在地层条件下突破压力的水平单向流动压汞仪（图4-3-1）。图4-3-1有效应力下的水平单向流动压汞仪仪器主要由提供注入压力的高压注入计量汞、隔离装置、水银计量和压力显示单元（A）提供上覆有效应力的高压泵及高压显示单元（B），能承受70MPa上覆应力的高压进汞岩芯室（D）及判断水银突破的电子显示单元和真空系统（C）等部分组成。地层压力条件下孔分布测定包括：（1）地层条件下的孔隙度测定；（2）地层条件下的孔分布测定。2.资料解释应用图4-3-2是两块不同孔隙结构特征岩芯的实测毛细管压力—水银饱和度关系曲线。其中a为溶孔十分发育的白云岩，b为常规砂岩。图4-3-2不同孔隙介质的毛管压力曲线图中A点为水银突破点，它所相应的压力叫做突破压力。它是水银进入岩芯并突破岩芯时所需的最小压力。由于岩芯处于有效应力，并模拟了地层情况下烃类物质作单向运移的实际情况，故称为有效应力的真实突破压力。图中A’点叫做水银二次突破，它反映了烃类物质突破基质孔隙系统所需的最小驱动力，其相应的毛细管压力被称为二次突破压力。出现两次突破是双重孔隙介质系统的特征。对于双重孔隙介质而言，A点称为一次突破点，一次突破压力反映了次生孔隙空间被水银突破时所需的最小毛细管驱动力，其进汞量反映了在有效应下次生孔隙空间的容积大小，它与地层情况下岩芯体积之比，叫做该岩芯的次生孔隙度。地层条件下的水平单向流动压汞曲线的其他特征值与常规压汞的确定方法一致。3.毛管压力曲线的特征地层条件下水平单向流动压汞得到的注入曲线位于常规压汞曲线的上方并普遍向上抬起，它反映了岩石孔隙空间在上覆压力作用下的缩小（见图4-3-3）。图4-3-3有效应力下的单向流动压汞和常规压汞孔喉大小分布和渗透率贡献图变化幅度最大的是排驱压力，其次是饱和度中值压力和最小非饱和孔隙体积百分数，这是温、压对孔隙结构影响所造成的。第四节地层岩石的电阻率一、电阻率1.概念一种物质的电阻是指该物质阻止电流通过的能力。通常，干燥的储集油气层岩石是不导电的。当储层岩石孔隙中充满（或部份充满）了地层水时，岩层就变成导电的。地层水之所以有导电能力，是因为水中溶解了盐分。盐在水中会电离出正离子和负离子，在电场作用下，离子产生运动，从而传导了电流。显然，地层水中盐浓度愈大，则地层传导电流的能力愈强，电阻则愈小。泥质（指粘土矿物及其束缚和吸附的水）也使地层具有导电性。泥质颗粒表面导电性的大小取决于泥质的成分、含量与分布情况，以及地层水的组分和相对含量。电阻率是描述物质中电荷迁移难易程度的物理量，它是边长为1M的立方体物质的电阻。在物理学中，导体的电阻可用如下公式表示：ALR式中，R——导体的电阻，欧姆；L——导体的长度，米；A——导体的横截面积，平方米；ρ为导体的电阻率，它描述导体的物理物质，即是说，长度、直径一样的导体，其电阻的大小取决于导体的材料组成，只与材料有关。对上式变形后可得到：LRA/式中，A、L是导体的外观几何尺寸，实验室测定岩石的电阻率，通常是在室温和近似1个大气压条件下测定。为了使测定的结果能反映地层实际，测试必须在油层温度和上覆压力下进行。LLRRewoLeaAL图4-1-1电阻率测试的孔隙介质模型100%含盐水饱和度岩样的电阻率Ro正比于地层水的电阻率Rw，反比于含水总量（即孔隙度）Ф，正比于岩样的迂曲度Le/L，如图4-1-1所示。即式中，Le——岩样内孔隙长度；L——岩样长度。2.电阻率测定装置实验室有多种测量岩石电阻率的装置。测试时需要测定岩石外观几何尺寸、岩石内流体的饱