油藏物理-第六章

《油藏物理》课程油藏物理第二篇储层岩石的物理特性第六章储层岩石的流体渗透性一、砂岩的粒度组成孔隙度(porosity)评价储层的储集性;饱和度(saturation)评价储层中的含油气性如何描述岩石让流体通过的能力？Q与哪些因素有关？Q1、Q2哪个更大？问题液体渗流与气体渗流的异同？渗透率(permeability)表征岩石让流体通过的能力。它是油气田开发、油藏工程动态分析的关键储层物性参数LP1P2Q1Q2AA第六章储层岩石的流体渗透性本章内容达西定律及岩石绝对渗透率气测渗透率及气体滑脱效应影响岩石渗透率的影响因素岩石绝对渗透率的实验室测定岩石绝对渗透率的估算第六章储层岩石的流体渗透性本节重点：Darcy公式及其单位制体系绝对渗透率定义及测定条件气测渗透率实验流程及其计算公式分析气体滑脱效应对气测渗透率的影响及其修正方法本节难点：气测渗透率计算公式的推导分析气体滑脱效应对气测渗透率的影响及其修正方法第六章储层岩石的流体渗透性达西定律描述流体在多孔介质中的宏观流动规律，是油气藏工程计算的核心定律1.Darcy实验及达西定律装置：如图条件：单相流目的：考察影响流量的因素一、达西定律及岩石绝对渗透率Darcy通过实验发现：(1)水通过等粒径填砂柱时，水流量Q：与砂柱截面积A成正比与砂柱两端进出口压差△P成正比与砂柱长度L成反比与流体粘度μ成反比(流体不同时)(2)改变填砂柱的粒径，则流体流量不同，引入比例系数KLPAKQ建立Darcy定律LPAQ一、达西定律及岩石绝对渗透率达西定律单位时间内流体通过多孔介质的流量Q与加在多孔介质两端的压力差△P和介质的截面积A成正比，与多孔介质长度L和流体粘度μ成反比当其他条件相同时，粒径不同其流量也不同PALQK比例系数，达西(D)，称其为多孔介质的渗透率只与多孔介质结构有关，而与流体性质无关K大→Q大，岩石允许流体通过的能力大K可定量评价岩石渗透性的大小一、达西定律及岩石绝对渗透率LPAKQ一、达西定律及岩石绝对渗透率注意：矿场用混合单位制，即：△p用atm，不用MPa(1atm＝0.0981MPa≈0.1MPa)（混合制）Darcy定律是流体渗流的基本定律Darcy定律对单相和多相渗流都适用Darcy定律适用于松散砂柱、胶结砂岩及其它多孔介质中流体渗流公式中系数K只与多孔介质结构有关，而与流体性质无关，称其为多孔介质的渗透率LpAKQDarcy定律的前提是假定：1）流体和岩石之间不发生物理一化学反应；2）岩石孔隙中只存在一种流体。在对一个区域或油层来评价渗透率时，不能仅仅考虑在一个点上所得的渗透率，因为岩石的渗透率还与水的流动方向、沉积特征以及岩性等有关。渗透率具有方向性。垂直方向和水平方向的渗透率也由于颗粒填集方式而不相同。一、达西定律及岩石绝对渗透率2.岩石绝对渗透率K(permeability)不与岩石发生任何物理化学反应的不可压缩流体，100%饱和岩心后，在线性渗流条件下测得的岩石渗透率为岩石的绝对渗透率PALQK注意单位(1)岩石绝对渗透率K的单位岩石K法定计量单位：D（达西）矿场常用mD（毫达西），1D＝1000mD★储层岩石的渗透率一般为5～1000mD问题：K与Q、△P、A、L、μ是否有关？一、达西定律及岩石绝对渗透率→K与Q成线性：K大→Q大，岩石允许流体通过的能力大；→K可定量评价岩石渗透性的大小。(2)1D的物理意义在长度L＝1cm，截面积A＝1cm2的岩心中，粘度为1cP的流体在1atm的压差下流过岩心流量Q＝1cm3/s时，称岩石渗透率为1D（达西）1D＝1μm2，岩石K具“面积”因次PALQK2282823μm1cm10cm1002.1atm1cm1cm1cP1/s)cm1(D13.使用达西定律的流速条件渗流速度：由达西方程dLdPKLPKAQvv为达西速度或渗流速度，是假设过水断面处处有流体通过时的平均速度，单位cm/s真实速度：vwvw据→△P与Q为线性关系→Darcy定律是线性渗流LpAKQ3.使用达西定律的流速条件图中△P＞△Pmax时→Q～△P为非线性，不满足Darcy公式的比例关系使用条件：流体为线性渗流，其渗流速度＜临界流速vc＜线性渗流的判断方法＞作图法：Q—△P为过原点直线，则为线性流雷诺数Re法据卡佳霍夫公式：一般砂岩储层的临界Rec为0.2－0.3实际Re＜Rec，则为线性流动（层流）2/35.17KvRe1、岩石绝对渗透率的测定条件不与岩石发生任何物理化学反应的不可压缩流体，100%饱和岩心后，在线性渗流条件下测得的岩石渗透率为岩石的绝对渗透率流体与岩石性质稳定，不发生任何物理化学反应；单相不可压缩流体稳定渗流；流量与压差之间成线性关系（保持线性渗流）岩石的绝对渗透率是岩石的固有性质，与测定条件无关只有严格满足上述三个条件测得渗透率才为岩石绝对渗透率二、岩石绝对渗透率的测定原理注意：理论上：油、气、水都可作K的测定流体实际上：除线性流动条件外，其它条件在实验室条件下难以严格满足。例如：油测时，物理吸附→孔隙表面形成油膜→孔隙空间↓→岩石K↓水测时，水敏性矿物膨胀→岩石K↓；气测时，气体膨胀、流量变化→Darcy公式不能用气体滑脱效应→岩石K↑据Darcy公式用任何流体测定岩石K都存在误差二、岩石绝对渗透率的测定原理2、岩石绝对渗透率的测定方法方法：行业标准规定使用气体测量岩石K，即：低压下用干燥空气或氮气通过岩心，测定K原因：气体性质较稳定，不易变化不与岩石表面作用而改变孔隙大小气体测岩石K的误差容易校正气体膨胀→流量不稳定校正气体分子扩散→气体滑脱效应校正二、岩石绝对渗透率的测定原理3.气测渗透率的计算公式——流量不稳定校正二、岩石绝对渗透率的测定原理分析：在等温条件下，气体通过岩心：→沿压降方向（岩心长度）发生膨胀；→气体体积流量Q在各断面处不等，但每一断面上的流量符合Darcy定律；→气体因P而膨胀引起的流量变化由状态方程求出（等温过程）(1)气测K公式推导假设气体粘度μ、岩心长度为L，截面积A，岩心两端压力P1、P23、气测渗透率的计算公式①设在微单元dL上，气体具稳定的体积流量。在dL上用Darcy公式的微分式（混合单位制）：dLdpKAQdLdpAQK/1②沿岩心长度方向，气体发成恒质量等温膨胀，据波-马定律（PV＝常数）：3、气测渗透率的计算公式常数PQQP002式中：Q岩心某断面处的气体体积流量Q0大气压p0下的体积流量PQPQ00常数PVVPVPVP002211③将2式带入1微分Darcy公式：3、气测渗透率的计算公式PdPdLAPQK00分离变量、积分:LppdLAPQKPdP00021得气测K公式：)(2222100PPALPQKa（混合单位制）式中：Ka—气测岩石绝对渗透率，μm2P1、P2—岩心进、出口端压力，atmP0—大气压力，atmQ0—大气压p0下的体积流量，cm3/sLPPdLAPQKPdP00021气测岩石Ka与液测KL公式比较：)()(2212100PPLPPAPQKaPPPKa12/)(1214.气测岩石渗透率的结果分析)(2222100PPALPQKa2/)(21PPP平均压力结果：同种气体，不同平均压力→测得的Ka不同相同平均压力，不同气体→测得的Ka不同结论：Ka随测定条件变化Ka与K间还存在偏差原因：气体滑脱效应5.气体滑脱效应在单根毛管渗流模型中：液体：流速断面呈圆锥曲线：气体：流速断面呈近直线分布：-从孔中心→孔壁v液↓-孔壁处v液＝0-孔壁处v气≠0滑脱效应：低压气体渗流时，其流速在毛孔断面上的分布偏离粘性流体流动特性，出现气体分子在管壁处速度不等于0的流动现象产生滑脱现象的原因液体在毛管中流动特性：粘滞流动粘性流体分子间存在粘滞阻力，F液-管壁＞F液-液阻力：中心最小，管壁最大流速：中心最大，管壁最小＝0(管壁上液体分子被粘住表现为v＝0)低压下,气体在毛管中流动特性：碰撞运动为主。分子间距大，Fg-g、Fg-s小→粘滞阻力小分子碰撞→动量交换→管壁处分子不会粘在管壁上，仍处于运动状态；→断面上气体分子间流速差消失，出现滑动效应（v≠0）滑脱现象对气测Ka的影响滑脱现象→管壁处气体分子参与流动→与液测相比，相当于增大了孔道流动空间吸附作用→管壁处液体分子形成液膜不流动→减小了孔道流动空间液测KL＜气测Ka★对同一岩石有：气测Ka＞液测KL等效液体渗透率当，，气体分子间距，气体性质越接近液体性质根据Ka与直线关系，Klinkenberg提出：)1(PbKKa当→∞时，Ka→常数K∞（在数值上，K∞＝岩石K）K∞称等效液体渗透率或克氏渗透率b滑脱系数；与气体性质、孔隙结构有关滑脱现象的影响因素)/1(pbKKarpCb/4r毛管半径；C≈1；d分子直径；λ为平均压力下分子平均自由程n分子密度(与平均压力有关))2/(12nd★平均压力越低，气体分子量越小，岩石孔隙越小，气测渗透率的滑脱效应越严重（b越大），Ka越大6.气测渗透率Ka的实验校正(同一气体对同一岩心)步骤测定5组以上不同平均压力下的流量Q及岩心进、出口压力P1、P2数据点；用气测渗透率公式计算不同平均压力下的Ka；绘制Ka～平均压力直线将直线外推至Ka轴，截距即为K∞结果)1(PbKKa原理PALQKL1.储层岩石骨架构成及构造力的影响(1)岩石骨架构成（微观因素）颗粒：组成和结构（大小、分选、排列等）胶结物：含量、胶结类型等骨架结构决定岩石φ、S大小影响岩石K★颗粒越粗，分选越好，胶结物含量越少，渗透率越高四、影响岩石渗透率的因素(2)构造力(宏观因素)不同层理，渗透性不同同一层理，不同方向渗透性不同(顺和垂直水流)骨架结构从微观上决定了储层渗透率的大小沉积构造在宏观上决定了储层渗透率的方向性四、影响岩石渗透率的因素2.储层孔隙结构的影响φ↑→K↑孔隙越大→K越大孔道越弯曲→K越小孔隙连通度越低→K越小孔喉比越大→K越小四、影响岩石渗透率的因素孔隙结构是影响岩石K的微观因素孔隙度是影响K的宏观因素，是微观在宏观的表现3.地静压力和地层温度地静压力和地层温度对岩石K的影响具有互补关系：地静压力↑→岩石K↓地温↑→减小地静压力降低K的作用（T↑→岩石骨架、流体膨胀）四、影响岩石渗透率的因素1、常规小岩心测定★适用：一般砂岩储集层岩心原理：Darcy定律610TALBK第四节岩石渗透率的测定与计算室内测定岩石渗透率2、全直径岩心测定适用：含有较大的溶孔、溶洞、裂缝等非均质较强的砂、砾岩储层岩样内容：a）水平K测定；b）垂直K测定；c）径向K测定设备：全直径岩心夹持器原理：Darcy定律(1)垂直渗透率测定(vertical)同常规小岩心测定流体沿着垂直岩石层面方向线性流动时，测得的渗透率(2)水平渗透率测定(horizontal)流体沿着平行岩石层面方向线性流动时，测得的渗透率装置计算公式)(2222100ppLpQEKa（混合单位）E为形状系数，取决于滤网分配气体的弓形角；三、岩石渗透率的实验室测定(3)径向渗透率测定(radial)流体在岩心中呈径向线性流动时，测得的渗透率装置计算公式（混合单位）)()/ln(2221200PPhddpQKwede－岩样外径dw－及孔眼内径P1－进口压力P2－出口压力测定关键在岩心正中心钻一小孔，使流体在岩心中呈径向流动三、岩石渗透率的实验室测定2.3渗透率的测定与计算利用测井资料估算渗透率bwiaScK按照平均孔隙半径和孔隙度计算渗透率228rK用岩样孔隙数据估算(基于等效渗流阻力原理)等效渗流阻力原理：两种岩石在其它条件相同时，若渗流阻力相等，则通过