02第二章储集层和盖层

第二章储集层和盖层§2.0储集层和盖层我们时常从书本里或新闻节目中了解到，油田开采过程中发生井喷、喷出黑色的油柱或长舌状的火焰（人工点燃气体后），我们还知道，我国大庆油田自1959年被发现（松基3井）至今已有近五十年的历史，累计采油近20亿吨，而大庆油田仍通过磕头机源源不断地采出石油，保持较高产量的连续多年稳产，人们不禁要问，难道地下真有“油湖”或“油河”？人类历经两千多年来对油气的利用和探索，特别是经过近代150年来的油气勘探、开发实践，始终没有发现地下的“油湖”或“油河”的存在，却证实地下的石油、天然气都是储存在岩石的空隙中。我们把凡是具有连通空隙、能使流体储存并在其中渗滤的岩石(层)，称为储集岩(层)。并非所有的储集层中都储存了油气，如果储集层中储存了油气，就称为含油气层，业已开采的含油气层称为产油气层。储集层是油气聚集成藏的基本要素，其物理性质及其分布、发育特征直接影响甚至控制着地下油气分布状况、储量和产能。§2.1.1储集层的物理性质储集层的物理性质通常包括其孔隙性、渗透性、孔隙结构，含油气层还包括其含油气饱和度等。一、储集层的孔隙性储集层的孔隙性是指空隙形状、大小、连通性与发育程度。岩石中的空隙按其形状可分为孔隙和裂缝两大类。孔隙是三维发育的，裂缝主要是二维延展的。较大的孔隙则笼统地称为孔洞或洞穴，“孔”与“洞”没有严格界限，一般界限为1-4mm。按照孔隙大小可分为三种类型：超毛细管孔隙、毛细管孔隙和微毛细管孔隙（表2-1）。表2-1孔隙/裂缝大小分类表孔径类型孔隙直径（mm）裂缝宽度(mm)超毛细管0.50.25毛细管2×10-40.510-4～0.25微毛细管2×10-410-4（1）超毛细管孔隙：管形孔隙直径大于0.5mm，裂缝宽度大于0.25mm者。在超毛细管孔中液体能在重力作用下自由流动。岩石中的大裂缝、溶洞及胶结疏松砂岩的孔隙大多属于此类；（2）毛细管孔隙：管形孔隙直径介于0.0002mm-0.5mm之间、缝宽介于0.0001mm-0.25mm之间者。在毛细管孔中，由于液体质点之间及液体与孔隙壁之间均处于分子引力的作用下，故其中的液体在重力作用下不能自由流动。要使液体沿毛细管孔移动，需要明显超过重力的外力去克服毛细管阻力。一般砂岩的孔隙属于此类；（3）微毛细管孔：管形孔隙直径小于0.0002mm或裂缝缝宽小于0.0001mm者。在这类孔隙中分子间的引力往往很大，在油层条件下其中的液体是不能沿微毛细管孔移动的。泥页岩中的孔隙大多属于此类。岩石孔隙的发育程度用孔隙度来表示。孔隙度可分为总孔隙度（绝对孔隙度）、连通孔隙度和有效孔隙度。总孔隙度(Φt)也称绝对孔隙度，系指岩石中全部孔隙体积(Vt)与岩石体积(Vb)之比值(以百分数表示)，即连通孔隙度(Φc)是指岩石中相互连通的孔隙体积(Vc)和岩石体积(Vb)之比(以百分数表示)，即有效孔隙度（Φe）是指岩石中参与渗流的连通孔隙即超毛细管孔隙和毛细管孔隙之和（Ve）与岩石总体积（Vb）之比(以百分数表示)，即由于储层中，特别是碳酸盐岩储层中，存在孤立的与其它孔隙不连通的“死孔隙”，因此很显然，总孔隙度＞连通孔隙度＞有效孔隙度。在含油气层工业评价时只有有效孔隙度才有真正的意义，因此习惯上把有效孔隙度简称为孔隙度。砂岩储集层的有效孔隙度变化在5％-30％之间，一般为10％-20％；碳酸盐岩储集层的孔隙度一般小于5％。Levorsen(1954，1967)按孔隙度的大小将砂岩储集岩分为5级(表2-2)。表2-2砂岩孔隙度评价级别砂岩孔隙度（%）评价1234520—2515—2010—155—100—5很好好中等差无价值岩石的裂缝发育程度用裂缝孔隙度表示。裂缝孔隙度（φt）又称裂隙率，是指裂缝体积（Vf）与岩石体积(Vb)之比(以百分数表示)，即（2－4）§2.1.2储集层的物理性质不同的裂缝模型，裂缝孔隙度有不同的计算公式：①板片裂缝模型（图2-1）图2-1板片裂缝模型岩石发育一组相互平行的裂缝。设裂缝的间距为d，裂缝宽度为e，则板片模型裂缝性储集层的裂隙率(Φf)可用裂缝宽度和裂缝间距表示(Nelson，1985)：式中d为平行裂缝之间的平均间距；e为裂缝的平均有效宽度。②火柴杆裂缝模型（图2-2a）设两组裂缝相互垂直，裂缝间距分别为d1和d2，裂缝宽度分别为e1和e2，则火柴杆模型裂缝性储集层的裂隙率(Φf)按下式计算：当裂缝间距平均为d，裂缝宽度平均为e时，则：（2－6）③立方体裂缝模型（图2-2b）图2-2裂缝模型图a)火柴杆式b)立方网格式设有三组相互垂直的裂缝，其间距分别为d1、d2和d3，裂缝宽度分别为e1、e2和e3，则立方体模型裂缝孔隙度按下式计算：当裂缝间距平均为d，裂缝宽度平均为e时，则：④圆柱状褶皱的裂缝模型（图2-3）图2-3圆柱状褶皱的裂缝模型构造成因为主的裂缝可根据地层曲率半径和地层厚度来汁算其裂隙率(VanGolf—Racht，T．D.1982)。设圆柱状褶皱岩层某点内径曲率半径为R，岩层厚度为T，对于小扰度情形（TR)，则因为地层的倾角很小，裂缝孔隙度进一步近似按下式计算：R为该岩层弯曲的曲率半径，为曲率(为倾角)。裂缝孔隙度的值一般小于0.5％，最大值不超过2％。溶蚀裂缝孔隙度可大于2％。裂缝孔缝度虽然不大，但对渗透率的贡献十分重要。⑤非圆柱状褶皱的裂缝模型设非圆柱状褶皱岩层某点两个内径主曲率半径分别为R1和R2，岩层厚度为T，对于小扰度情形（TR1和R2)，则圆柱状褶皱的裂缝的裂缝孔隙度按下式近似计算：§2.1.3储集层的物理性质二、储集层的渗透性储集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。由于任何岩石都具有一定的连通孔隙，因此均具有一定的渗透性。通常所谓的渗透性岩石是指在地层条件下，流体能较快地通过其连通孔隙的岩石，如砂岩、砂砾岩、粉砂岩、裂缝灰岩、白云岩等。如果流体通过的速度很慢，通过的数量有限，就称非渗透性岩石，如泥页岩、石膏、岩盐、致密灰岩等。所以，这里所渭的渗透性与非渗透性是相对的。储集层的渗透性决定着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。渗透性好坏用渗透率表示。实验表明，当单相流体通过多孔介质沿孔隙通道呈层状流动时，遵循直线渗透定律。可用达西定律来描述，其简单表达式如下：式中K――岩石的渗透率，国际单位m2、cm2、μm2，或实用单位d、md，其中1md≈1×10-3μm2；――为单位时间的体积流量，cm3/s；为岩样两端压差，MPa；――液体的粘度，10－3Pa·s；――液体通过岩石的截面积，cm2；L――岩样的长度，cm。因此，渗透率表示在一定压差下，液体通过岩石的能力由于比例系数K，是一个二阶张量。流体流速（V）方向的渗透率为：上式中，p为压力(压强)，l为流体流速方向线度。需要特别指出的是，Vl是岩石中流体的（平均）渗滤速度，通常不是流体的真实流速。Kl是岩石中流体的（平均）渗透率。单相流体充满孔隙并且流体不与岩石发生任何物理或化学反应时所测得的岩石渗透率称为绝对渗透率。绝对渗透率与流体的性质无关，只反映岩石本身的特性。由于目前主要采用空气或氦气测定储层的绝对渗透率，故又称气体（空气或氦气）渗透率。储集层的渗透率值一般变化在0.001—1μm2之间，最高可达几μm2。калинко(1983)按渗透率大小将储集层分为7级(表2-3)。对石油和天然气储集层评价的标准是不一样的。表2-3储集层渗透率分级级别渗透率评价油层气层1234567＞10001000—500500—100100—1010—11—0.1＜0.1极好好中等较差差—可能不渗透常规储层低渗透储层致密储层自然界储集层孔隙中的油、气和水往往不是呈单相的，而是两相甚至三相同时存在的。各相流体之间存在着互相干扰，因而在多相流体共存时，岩石对其中每一相流体单独渗流作用与该相流体单相存在时的渗流作用有很大区别。为此提出有效相渗透率和相对渗透率的概念。在多相流体共存时，岩石对其中某一相流体的渗透率叫做该相流体的有效相渗透率。油、气、水的有效相渗透率分别用Ko、Kc、Kw表示。相对渗透率是指多相流体共存时某一相流体的有效相渗透率与岩石绝对渗透率之比，通常用Ko/K、Kc/K、Kw/K分别表示油、气、水相的相对渗透率。岩石对某一相流体的有效相渗透率总是小于其绝对渗透率，所以相对渗透率变化在0-1之间。有效相渗透率和相对渗透率不仅与岩石的结构有关，而且还与流体的性质和饱和度有密切关系。一般地说，每一相流体发生渗流时都有一个临界饱和度值，当其饱和度低于其临界饱和度时，不发生渗流，有效相渗透率和相对渗透率为零；饱和度达到临界值时，才能渗流，而且随着饱和度的增加，其有效相渗透率和相对渗透率增加，直至全部被它饱和时，其有效相渗透率等于绝对渗透率，相对渗透率等于1为止。图2-4、图2-5是在实验室里用松散砂子测得的油、气、水相对渗透率与它们的饱和度的关系曲线。图2-4油气饱和度与相对渗透率的关系曲线图(转引自Levorsen，1954)图2-5油水饱和度与相对渗透率的关系曲线图（转引自Levorsen，1954）§2.1.4储集层的物理性质对于裂缝性储集层，其渗透率（Kf）可用裂缝宽度(e)和裂缝间距(D)来描述(Parssons，1966)，但不同裂缝模型其渗透率表达时不一样：①单个裂缝渗透率按布辛列克方程：Vx=-(e2/12)×(1/μ)×dp/dx结合公式(2-12)，则得：Kf=e2/12（2－13）式中Vx为流体在X方向的渗流速度（图2-6）。②板片状裂缝模型裂缝渗透率推广布辛列克方程，在Z和Y方向的渗流速度（图2-7左）：Vz=-(e2/12)×(1/μ)×(dp/dz)×(e/d)Vy=-(e2/12)×(1/μ)×(dp/dy)×(e/d)Vx=0则：Kfz=Kfy=e2/12×(e/d)=e2/12×ΦfKfx=0（2－14）图2-7板片状和火柴杆状渗流模型③火柴杆状裂缝模型裂缝渗透率推广布辛列克方程，在Z、Y和X方向的渗流速度（图2-7右）:Vz=－(e2/12)×(1/μ)×(dp/dz)×(e1/d1+e2/d2)Vy=-(e2/12)×(1/μ)×(dp/dy)×(e1/d1)Vx=-(e2/12)×(1/μ)×(dp/dx)×(e2/d2)当e1=e2、d1=d2时则：Kfz=e2/12×ΦfKfx=Kfy=e2/12×(e/d）=e2/24×Φf（2－15）④立方体裂缝模型裂缝渗透率推广布辛列克方程，在在Z、Y和X方向的渗流速度（图2-8左）：Vz=-(e2/12)×(1/μ)×(dp/dz)×(e1/d1+e2/d2)Vy=－(e2/12)×(1/μ)×(dp/dy)×(e1/d1+e3/d3)Vx=－(e2/12)×(1/μ)×(dp/dx)×(e2/d2+e3/d3)当e1=e2=e3、d1=d2=d3时则：Kfx=Kfy=Kfz=e2/12×(2e/d)=e2/18×Φf（2－16）⑤任意方向一组裂缝的渗透率设一组裂缝平面与压力梯度方向（如：Z方向）夹角为α（图2-8右），则Z方向的渗流速度：Vz=－(e2/12)×(e/d)×cos2α×(dp/dz)×(1/μ)所以，Kfz=e3/(12×d)×cos2α（2－17）附：证明如下（s代表单个裂缝，其他符号同前文）：因为：Vts=-(e2/12)×(dp/dl)×(1/μ)dp/dl=(dp/dz)×cosαVzs=Vts×cosα所以：Kzs=(e2/12)×cos2α又因为：Kfz=Kzs×e/d所以：Kfz=e3/(12×d)×cos2α图2-8立方体和任一方向裂缝渗流模型⑥任意方向多组裂缝的渗透率设n组裂缝平面与压力梯度方向（如：Z方向）夹角为αi，同理，Z方向的总渗透率：Kfz=∑ei3/(12×di)×cos2αi(i=1ton)⑦圆柱状褶皱的裂缝渗透率设圆柱状褶皱岩层某点内径曲率半径为R，裂缝间距为D，岩层厚度为T（图2-9），对于小扰度情形（TR)，则平